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弹性模量随深度变化的饱和—非饱和土变形特性

作　者: 张校通
导　师: 夏小和
学　校: 上海交通大学
专　业: 岩土工程
关键词: 饱和-非饱和非均质数值模拟 COMSOL 沉降
分类号: TU43
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

地基土体的形成是一个自然地质历史过程,土体弹性模量一般随深度连续变化,采用反映土体这一特性的计算模型,能更好地反映实际工程情况。本文基于饱和-非饱和多孔弹性介质控制方程,运用有限元软件COMSOL Multiphysics对均质的饱和-非饱和土的固结过程进行数值模拟,并与文献中模拟结果对比,验证本文中计算模型的正确性。再考虑土体弹性模量随深度变化的非均质,用参数m控制弹性模量随深度的变化率,取不同参数分别进行模拟,得出非均质性影响饱和-非饱和土的固结过程及其变形特性的规律。用此方法对荷载作用下的一维和二维饱和-非饱和土固结变形特性分别进行研究。研究结果表明:参数m值(弹性模量随深度的变化率)越大,非均质性越强,超静孔隙水压力的消散过程与均质土相差越大。固结开始阶段,模型中超静孔隙水压力随参数m值增加而减小;固结过程中,参数m值越大,模型中超静孔隙水压力消散所需时间越短;固结结束后,模型中超静孔隙水压力并未完全消散,最终的超静孔隙水压力值随参数m值的增加而减小。弹性模量的非均质性,对饱和-非饱和土模型中各点的竖向位移过程影响显著:固结初始阶段,非均质模型中的竖向位移相对均质模型明显较小,沉降幅度随参数m值增大而减小;非均质性模型顶部的沉降的速度相对均质土模型明显较快,参数m值越大,沉降越快达到最大值;固结结束后,非均质性模型顶部的沉降相对均质模型明显较小,沉降最终值参数m值的增加而减小。弹性模量的非均质性,对饱和-非饱和土模型中的水位波动变化过程响显著:土体固结过程中,模型中水位随着参数m值的增加而降低;土体固结完成后,模型中超静孔隙水压力并没有完全消散,模型中最终稳定水位随参数m值的增加而减小;将研究一维及二维问题的方法应用到分析三维受压固结及抽水固结问题,除了与上述类似的结论之外,研究还表明:在抽水情况下,随着孔隙水压力的降低,土体中的有效应力逐渐增加,导致土体压实而产生了地表沉降;当整个系统重新达到平衡状态时,模型内任一点的处的孔隙水压力及有效应力都不再变化,模型顶部沉降的幅度随着参数m值的增加而减小。为了更加准确的预测在荷载作用下地基中孔隙水压力的变化和地基地表沉降及侧向位移,地基的非均质性是不能忽略的一个重要影响因素,本文的研究结果可供实际工程设计与施工时参考。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-8
目录  8-10
第一章绪论  10-18
  1.1 前言  10
  1.2 非饱和土固结理论的发展  10-16
    1.2.1 国内  11-13
    1.2.2 国外  13-16
  1.3 论文的立题根据  16-17
  1.4 论文的研究内容  17-18
第二章控制方程推导及研究方法  18-25
  2.1 引言  18
  2.2 控制方程推导  18-24
    2.2.2 质量守恒方程  19-21
    2.2.3 力的平衡方程  21-23
    2.2.4 土体弹性模量的设定  23-24
  2.3 研究方法  24-25
第三章一维问题模拟分析  25-41
  3.1 引言  25
  3.2 建立模型  25-28
  3.3 计算结果验证  28-30
  3.4 参数研究  30-40
    3.4.1 超静孔水压力消散过程及水位变化  30-34
    3.4.2 模型顶部沉降过程  34-36
    3.4.3 点（0，8）及（0，4）处竖向位移过程  36-38
    3.4.4 模型边界b 上竖向位移分布  38-40
  3.5 本章小结  40-41
第四章二维问题模拟分析  41-70
  4.1 引言  41
  4.2 建立模型  41-44
  4.3 计算结果验证  44-48
  4.4 参数研究  48-68
    4.4.1 超静孔水压力消散过程及水位变化  48-51
    4.4.2 模型顶部点（10，10）处位移过程  51-55
    4.4.3 模型顶部线y=10 m 上变形分布  55-58
    4.4.4 模型顶部线y=7 m 上变形分布  58-60
    4.4.5 模型顶部线y=4 m 上变形分布  60-62
    4.4.6 模型线x=0 m、x=5 m、x=7 m 上位移分布  62-68
  4.5 本章小结  68-70
第五章三维问题模拟分析  70-96
  5.1 引言  70
  5.2 荷载作用下的三维变形分析  70-85
    5.2.1 建立模型  70-73
    5.2.2 参数分析  73-83
    5.2.3 小结  83-85
  5.3 抽水情况下三维模拟分析  85-94
    5.3.1 建立模型  85-88
    5.3.2 参数分析  88-93
    5.3.3 小结  93-94
  5.4 本章小结  94-96
第六章结论及展望  96-98
  6.1 本文工作及结论  96-97
  6.2 对进一步工作的思考和建议  97-98
参考文献  98-103
致谢  103-104
攻读硕士学位期间已发表或录用的论文  104-107
附件  107

弹性模量随深度变化的饱和—非饱和土变形特性

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