复杂条件下竖向排水井地基固结理论研究

软土的非线性压缩和渗透特性早已为人们所认识，但考虑软土这些特性等复杂因素的竖向排水井地基固结理论至今尚无, 致使在竖向排水井地基设计中目前仍只能被迫采用现有将软土视为线弹性多孔介质的竖向排水井地基固结理论。本项目拟通过系统深入的理论研究,并结合采用GDS高级固结仪进行的试验，建立和发展可考虑软土的非线性、非单调压缩以及井阻作用与涂抹作用等复杂因素的竖向排水井地基固结理论。在此基础上，全面分析这些因素对竖向排水井地基固结性状的影响；单调非线性压缩固结理论与非单调非线性压缩固结理论的主要差别；竖向排水井地基非线性固结理论与已有竖向排水井地基固结理论的差别和适用性等。同时，绘制可供实际工程直接使用或参考的相关固结计算曲线和图表。为软土地基加固处理工程提供更为贴近实际、更合理有效的计算理论和技术。 2100433B

本研究旨在考虑复合地基二维变形的前提下，采用解析理论和模型试验的研究技术，克服现有复合地基固结理论中诸多不合理假定，推导能够考虑桩体固结与变形之间协调关系、土体压缩模量和渗透性非线性变化以及地基内的附加应力随时间和深度同时变化等复杂条件下的复合地基固结的控制方程及其解答。并对复合地基在二维变形条件下的固结性状进行室内试验研究以验证解析解的合理性。本项目采用解析理论和模型试验的技术探索二维变形条件下复合地基的固结性状，其研究成果不仅能为数值解答提供验证，而且由于解析解简单实用，也可以为工程实践提供更为方便可靠的理论指导。本研究充分考虑复合地基的自身特点，使得研究成果更能反映复合地基的固结性状。由于本研究项目引入了桩体内的径、竖向组合渗流，并对桩体和土体均采用固结方程求解，所以研究成果更具普遍性，不仅适用于散体材料桩复合地基的固结，同时也适用于不排水桩复合地基的固结。

随着我国经济建设的发展和基础建设规模的扩大，复合地基技术由于其良好经济效益和成熟的施工工艺，在土木工程的各个领域中得到了越来越广泛的应用。工程的大量应用推动了理论的发展。作为复合地基计算的重点和难点，对复合地基固结理论进行研究，对提高其设计和计算水平有着重要的理论指导意义。该项目以散体材料桩（包括碎石桩和砂井）复合地基和粘结材料桩复合地基为对象，对其固结理论从以下方面进行了研究： (1)对超静孔压影响下的碎石桩复合地基二维变形（即竖向变形和径向变形）性状进行分析，给出复合地基土体和桩体的体积应变、应力及位移等的解析表达式；然后，基于二维变形分析的结果，考虑土体内径、竖向组合渗流以及扰动区土体水平向渗透系数3种变化模式，给出考虑外部荷载瞬时施加和单级施加两种情况下的复合地基固结解。最后，对二维变形条件下的复合地基固结性状进行分析。结果表明：传统的不考虑二维变形特性的复合地基固结理论高估了地基的固结速率；复合地基桩–土应力比随着地基固结逐渐增大，但和以往一维变形解预测的结果不同，其值并不会增大到桩–土压缩模量比之值；跟一维变形解不同，瞬时荷载下考虑二维变形时的桩–土应力比在初始时刻并不等于0。 (2)在软土地区，加载速率过快可能会导致地基快速失稳。这时，工程中采用荷载多级线性施加的方法可以减少此类事故的发生。鉴于此，假定外部荷载多级施加，同时附加应力沿深度线性变化，给出砂井地基径、竖向耦合渗流固结解析解。同时考虑井阻作用和涂抹作用的影响。最后对砂井地基的固结性状进行了分析，并对解的收敛性进行了讨论。 (3)考虑了砂井地基在固结过程中土体渗透性和压缩性的非线性变化，给出了外部荷载随时间任意变化时的砂井地基径向非线性固结普遍解答，并通过两种简单荷载下（瞬时荷载和单级荷载）的已有解答对本文解进行了验证；然后给出了两种加载形式，即多级荷载和超载预压-卸载-再加载下的详细解答；最后对地基在该两种加载形式下的非线性固结性状进了分析。 (4) 采用轴对称固结模型，得到了粘结材料桩复合地基固结问题的控制方程，从理论上证明了粘结材料桩复合地基土体内只会产生竖向渗流，而且桩体施工扰动造成的土体径向渗透系数变化对地基固结不产生影响。然后分别给出了外部荷载瞬时施加、外荷单级施加以及外部荷载单级施加且附加应力沿深度线性变化三种情况下的地基固结解析解，最后对粘结材料桩复合地基的固结性状进行了分析。 2100433B

建立了基于成层地基一维固结解析解的求解非线性小应变固结问题的半解析法。建立了求解线弹性大应变固结问题和非线性大应变固结问题的半解析法。建立了变荷载下软粘土非线性一维固结半解析解。研究了软土的沉积作用、大应变、土压缩性和渗透性在固结过程中的变化，加荷条件等对地基变形发展规律的影响，编制了计算程序，得到了有关固结曲线，可以分析软粘土地基在变荷载作用下的非线性一维固结性状。研究表明：固结速率主要因素有压缩指数与e-logk曲线斜率的比值Cc/ck、σf/σo和Tvc，加荷速率越快，固结速率和沉降速率都越快。Cc/Ck值决定非线性特性时固结过程的影响。本课题研究为开展饱和粘土在复杂条件下的大应变固结理论提供了有效的思路。 2100433B