半渗透边界条件下非饱和土二维固结特性分析

论文摘要

工程中常见的软黏土、黄土、砂土等大多数以非饱和土的形式存在,在常规非饱和土固结中加入竖井可使得土层中孔隙水和孔隙气沿竖向和水平向同时发生渗透,土体固结由一维转变为二维或三维问题。同时,由于实际工程中砂垫层及竖井填充介质对孔隙水和孔隙气具有一定的阻碍作用,固结边界对孔隙水和孔隙气的渗透特性往往介于完全渗透和不渗透之间,呈现半渗透特性。目前,非饱和土固结研究主要聚焦于一维或完全渗透边界条件下的固结特性研究,二维或三维及半渗透边界下的固结特性研究相对较少。鉴于此,本文在非饱和土已有固结理论研究的基础上,考虑竖向半渗透和双向半渗透边界条件,对非饱和土二维固结特性进行理论和数值研究,主要工作如下:首先,基于Dakshanamurthy和Fredlund提出的非饱和土二维固结控制方程,通过引入竖向半透水边界条件,建立竖向半透水边界下非饱和土的二维固结模型,并采用傅里叶变换和拉普拉斯变换技术建立超孔隙气压力、超孔隙水压力和土层沉降的半解析解答。在此基础上,采用Crump逆变换方法实现超孔隙气压力、超孔隙水压力以及土层沉降的反演与计算。其次,建立竖向半渗透边界下非饱和土二维固结方程的有限差分解答,并采用该解答和透水边界条件下的解析解来验证本文所建立的半解析解答的有效性。在此基础上,利用本文所建立的半解析解答对竖向半渗透边界条件下非饱和土的二维固结特性进行研究,分析竖向边界渗透系数、水平和竖向渗透系数比以及土层厚度和竖井间距等参数对非饱和土二维固结过程中超孔隙气压力和超孔隙水压力消散规律以及土层沉降特征的影响。第三,考虑土体的成层特征,基于COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件建立竖向半渗透边界下双层非饱和土二维固结模型,研究竖向半渗透边界条件下双层非饱和土二维固结特性,分析固结过程中超孔隙气压力和超孔隙水压力沿成层土深度的变化规律以及上下土层渗透系数比和上下边界渗透系数对超孔隙气压力和超孔隙水压力的影响。第四,考虑上下垫层和竖井的半渗透特性,基于COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件建立双向半渗透边界下非饱和土的二维固结模型,研究双向半渗透边界条件下非饱和土二维固结特性,分析固结过程中边界渗透系数、水平和竖向渗透系数比以及土层中不同位置等参数对超孔隙气压力和超孔隙水压力的影响。最后,基于COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件对实际工程案例进行计算和分析,验证半渗透边界下非饱和土二维固结模型的有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 选题背景及研究意义
•   1.2 国内外的研究现状
•     1.2.1 非饱和土一维固结理论的研究现状
•     1.2.2 非饱和土二维固结理论的研究现状
•     1.2.3 半渗透边界条件下固结理论的研究现状
•   1.3 本文研究的主要内容
• 第2章 竖向半渗透边界下非饱和土二维固结模型及半解析解
•   2.1 概述
•   2.2 竖向半渗透边界条件下非饱和土二维固结模型
•     2.2.1 基本假定
•     2.2.2 计算模型及控制方程
•     2.2.3 初始条件和边界条件
•   2.3 竖向半渗透边界条件下非饱和土二维固结解答
•     2.3.1 固结解答的建立方法
•     2.3.2 固结解答的建立过程
•     2.3.3 固结解答的数值计算方法
•   2.4 本章小结
• 第3章 竖向半渗透边界下非饱和土二维固结特性分析
•   3.1 概述
•   3.2 固结方程的有限差分解答
•     3.2.1 有限差分法理论介绍
•     3.2.2 固结方程的有限差分格式
•   3.3 固结解答对比与有效性验证
•     3.3.1 半解析解与已有解析解的对比
•     3.3.2 半解析解与有限差分解的对比
•   3.4 固结特性分析
•     3.4.1 竖向边界渗透系数变化时的固结分析
• az/k_wz变化时的固结分析'>    3.4.2 土层孔隙气与孔隙水渗透比k_az/k_wz变化时的固结分析
•     3.4.3 水平和竖向渗透系数比变化时的固结分析
•     3.4.4 L/H变化时的固结分析
•   3.5 本章小结
• 第4章 竖向半渗透边界下双层非饱和土固结特性分析
•   4.1 概述
•   4.2 COMSOL Multiphysics有限元软件介绍
•   4.3 有限元模型的建立
•     4.3.1 计算模型
•     4.3.2 初始边界条件与计算参数
•     4.3.3 在COMSOL中建模及网格划分
•   4.4 数值模拟结果及验证
•     4.4.1 完全渗透边界条件下数值模拟结果验证
•     4.4.2 竖向半渗透边界条件下数值模拟结果验证
•   4.5 竖向半渗透边界双层非饱和土固结特性分析
•     4.5.1 双层非饱和土固结沿深度方向固结特性分析
• z1/k_z2 变化时的固结分析'>    4.5.2 竖向半渗透边界上下层渗透系数k_z1/k_z2变化时的固结分析
•     4.5.3 竖向半渗透边界渗透系数变化时的固结分析
•   4.6 本章小结
• 第5章 双向半渗透边界下非饱和土固结特性分析
•   5.1 概述
•   5.2 有限元模型的建立
•     5.2.1 计算模型
•     5.2.2 初始边界条件
•     5.2.3 在COMSOL中建模及网格划分
•   5.3 数值模拟结果及验证
•     5.3.1 完全渗透边界条件下一维固结验证
•     5.3.2 顶面半渗透边界条件下一维固结验证
•   5.4 双向半渗透边界非饱和土固结特性分析
•     5.4.1 双向半渗透边界渗透系数变化时的固结分析
• a/k_w 变化时的固结分析'>    5.4.2 孔隙气与孔隙水渗透比k_a/k_w变化时的固结分析
•     5.4.3 水平和竖向渗透系数比变化时的固结分析
•     5.4.4 不同深度处固结特性分析
•     5.4.5 不同水平位置处固结特性分析
•   5.5 本章小结
• 第6章 工程应用
•   6.1 工程概况
•   6.2 现场监测试验
•   6.3 有限元分析模型建立
•   6.4 有限元分析计算结果分析
•   6.5 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A 攻读学位期间的学术论文及科研情况

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 李盾

导师: 黄明华,肖燕

关键词: 非饱和土,二维固结,半渗透边界,半解析解

来源: 湖南大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地质学,建筑科学与工程

单位: 湖南大学

基金: 国家自然科学青年基金资助项目(51508180)

分类号: TU43

DOI: 10.27135/d.cnki.ghudu.2019.003796

总页数: 112

文件大小: 7343K

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