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地下水开采等人类工程活动会引起地下水位变化，从而导致地面沉降问题。地面沉降具有土层变形长期发展的特点，土体的蠕变性是导致这一现象的重要原因之一。为此，针对基于Biot理论的地面沉降耦合模型，利用半解析数值原理和黏弹性流变理论，推导了可压缩土层黏弹性耦合变形的求解格式，该计算方法无需数值积分，且具有很好的解耦并行性。在此基础上，编制了FORTRAN计算程序，通过与已有解答的对比验证，说明了方法及程序的合理性，计算结果可以正确反映土体黏滞性所导致的变形滞后效应。通过数值算例，进一步探讨了渗透性、孔隙流体可压缩性和土体黏滞性等因素对土层长期变形的影响规律。 相似文献
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双层黏弹性地基一维固结分析 总被引：3，自引：0，他引：3
软土具有黏滞性,对其固结和变形会产生一定程度的影响。采用现有基于广义Voigt流变模型的单层黏弹性地基一维固结问题求解方法,获得各土层的孔压通解表达式。根据两层土体接触面处孔压和流量连续条件及边界条件,给出了系统的正交关系,进而确定通解中待定系数。广义Voigt模型反映了土体应力应变关系在不同时期的特征,因此该解有广泛的适用性。采用岩土工程中应用较广的Merchant流变模型对一工程算例进行了分析。分析结果表明,土体的黏滞性降低了土体的固结速度,且深度越深,影响幅度越大。 相似文献
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假定土骨架服从标准线性固体黏弹性本构关系,研究了深埋圆形隧洞的饱和黏弹性土-弹性衬砌耦合系统在轴对称爆炸作用下的瞬态动力响应。首先,基于饱和土的Biot模型和衬砌的弹性理论,通过引入势函数和Laplace变换,利用弹性衬砌和饱和黏弹性土界面处的连续性条件以及边界条件,得到饱和黏弹性土体和弹性衬砌位移、应力和孔隙水压力等在Laplace变换域中的解析解。其次,利用Laplace数值Crump逆变换得到耦合系统在时间域的动力响应,数值分析了不同土体模型下土体-衬砌耦合系统的径向位移和环向应力以及土体孔隙水压力等。结果表明：对不同土体模型的土体-衬砌耦合系统,其在爆炸载荷作用下的动力响应性态基本一致,但动力响应的振动周期和幅值等具有明显的差异。同时,对于饱和黏弹性土-弹性衬砌系统,土体黏性参数对土体径向位移和孔隙水压力有明显的影响,但对土体环向应力影响较小。 相似文献
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抽水地面沉降数学模型的研究现状与展望 总被引：14，自引：1，他引：14
在综合已有文献的基础上，分析了最近几十年来用于模拟抽取地下水引起地面沉降的数学模型，按照水流模型和土体变形模型的结合方法将地面沉降模型归纳为三种类型，即由水流模型获得各土层的水头变化、再根据水头变化计算土层变形的两步模型；仅考虑垂直方向变形与孔隙水压力变化的相互作用，而水平方向只考虑渗流、不考虑变形的部分耦合模型；考虑孔隙水压力变化和土体变形的相互影响和作用的完全耦合模型。论述了每种类型模型的主要特点、代表性模型及其不足之处，并指出三维渗流和变形的耦合分析是地面沉降模型进一步研究的方向，同时作为检验模型合理性和适用性的手段，还应加强地面沉降的室内模型试验。 相似文献
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考虑横向效应饱和黏弹性土层中桩的纵向振动 总被引：1，自引：0，他引：1
由于饱和土中土体颗粒与孔隙水的相互作用以及桩与土体的不同渗透率,饱和土体中桩基的力学行为与单相土中桩基力学行为有很大的差别。基于饱和多孔介质理论,考虑桩纵向振动时的横向变形及惯性效应,将桩等效为Rayleigh-Love杆,在频率域中研究了饱和黏弹性土层中端承桩纵向振动的动力特性,给出了饱和黏弹性土层和桩纵向振动时动力响应的解析解及桩头复刚度的解析表达式。通过数值计算,给出了桩头动刚度因子和阻尼随激励频率的响应,考察了饱和土物性参数、桩土模量比、桩长径比、泊松比等参数对桩头刚度因子和阻尼的影响。研究表明,对于大直径桩,当外载荷激励频率较大时桩横向效应对桩头刚度因子和阻尼有显著的影响 相似文献
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为了准确预测由高层建筑引发土体应力场和渗流场变化而导致的地面沉降,以比奥固结理论为基础,结合土体非线性流变理论,将比奥固结理论中的本构关系拓展到黏弹塑性,并考虑了土体孔隙度、渗透系数及变形参数随有效应力的动态变化关系。以河北省沧州市为例,建立了沧州市高层建筑荷载、地下水渗流与土体变形三维流固全耦合数学模型。在对模型进行识别、验证的基础上,模拟预测了沧州市在地下水停采、仅存在高层建筑荷载的影响下,从2010年12月底到2025年12月底逐年的各含水层组地下水流场变化特征和地面沉降发展趋势。结果表明：沧州市由高层建筑荷载引发的最大地面沉降量为40.57 mm,最大地面沉降速率为2.7 mm/a,位于沧州市区。 相似文献
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抽取地下水引起的地表变形对地面建(构)筑物的正常使用和结构安全构成了严重威胁。深入研究抽水地表变形预测理论对于沉降灾害防治具有重要意义。由于土体模型选择和土工参数测定上的困难,基于比奥固结理论的数值求解方法在计算抽水地表变形上尚未取得理想效果。文章将随机介质理论与一维固结理论结合,建立了新的抽水地表变形时空预测模型。首先,利用一维固结微分方程,建立反映地面沉降时间效应的半经验计算模型;其次,在分析抽水地面沉降空间分布规律的基础上,利用随机介质理论研究抽水地面沉降空间分布特征;再次,综合考虑抽水地面沉降的时间效应和空间分布形态,建立抽水地面沉降的时空耦合预测模型及抽水地表倾斜、水平移动、水平变形、曲率的时空计算模型。利用这些模型计算地表变形共需5个计算参数,介绍了参数求解方法。最后,利用上述时空耦合计算模型预测某地单井抽水引起地表变形的时空规律。研究表明,所建立的抽水地表变形预测模型能准确地反映抽水地表变形的时空规律,能方便、快捷地预测地下水开采引起的地表变形。 相似文献
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利用在滨海新区施工的2眼全取芯钻孔（G2和G3）,通过原状土样工程特性指标测试、固结压力试验、0-P0反复加、卸荷试验及地面沉降分层标监测数据分析等,系统阐述了滨海地区深部黏性土层弹塑性变形特征与地面沉降的关系。结果表明：天津滨海地区100 m以浅主要为欠固结土层;100～400 m土层处于超固结和微超固结状态,主要是由过去地下水超量开采造成的;400 m以下土层以正常固结为主。G2和G3孔不同层位黏性土层在反复加、卸荷试验过程中表现出塑性变形量逐渐减小,而弹性变形量几乎不变,与反复加、卸荷次数无关,表明黏性土层在水位反复升降条件下,逐渐变为以弹性变形为主。黏性土层这种特性显示,在地下水位反复升降多次后,黏性土层将会逐渐变成弹性体,在水位恢复时,将产生同步回弹,对防治地面沉降具有重要意义。分析弹塑性变形与黏性土层深度、天然含水率和黏粒含量的相关性发现：弹性变形量与黏性土层深度、天然含水率及黏粒含量呈正相关性;塑性变形量与深度相关性不明显,与天然含水率和黏粒含量呈负相关性。 相似文献
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地面沉降是苏锡常地区当前面临的最大地质灾害问题。本区的地面沉降具有两个特点:一是在时空上与 地下水开采密切相关;二是其形成主要为含水砂层的压密和顶、底板粘性土层的固结。针对地面沉降的研究多从 其宏观力学特性、水土耦合和建模等方面着手,而对土体在沉降变形过程中的结构变化研究不多,因而对土体在沉 降变形过程中的可逆和不可逆、非线性变形、弱透水层变形等的机理,还存在许多模糊认识。对此文章提出了相关 建议,主要包括:1)应系统地研究苏锡常地区第四纪土体各土层的细观和微观结构,弄清地面沉降区土体结构的演 化规律及其与抽、灌地下水、土体物性指标等之间的关系,建立土体沉降类型与土体结构演化之间的关系;2)应对 第四纪土体中的弱透水层开展系统研究;3)应从土体结构的角度,深入研究土体在排水和回灌过程中的可逆和不 可逆变形。 相似文献
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为了保障岩土工程结构能长期正常使用,需要对其蠕变变形进行分析。“时步-初应变”法是一种常用的计算岩石蠕变的方法。数值流形方法是一种新兴的数值计算方法,常用于计算节理岩体的变形,但尚未被试用于计算蠕变变形。在原数值流形方法的程序中增加了基于“时步-初应变”法的计算模块,通过对广义开尔文模型进行的模拟,显示新程序可以正确反映岩石的黏弹性蠕变趋势,并能够计算包含节理的岩体的蠕变变形,改进后的数值流形方法不但能够模拟岩石的线弹性变形,而且可以模拟岩石的黏弹性蠕变,比原流形方法更能全面地模拟岩石的变形,扩展了数值流形方法在岩土工程中的使用范围。 相似文献
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《岩土力学》2017,(11):3240-3246
将分数阶微积分理论引入Kelvin-Voigt本构模型,以描述黏弹性饱和土体的力学行为。对饱和土体一维固结方程和上述分数阶导数Kelvin-Voigt本构方程实施Laplace变换,联立求解得到变换域内有效应力和沉降的解析解。采用Crump方法实现Laplace数值反演,从而获得了物理空间一维固结问题的半解析解,并将其退化到弹性和黏弹性两种经典情形,分析表明,它与经典解析解完全相同,这证明了经典弹性和黏弹性解析解可视为本研究提出分数阶导数黏弹性解的特例。开展了参数研究,即分析了相关各种参数对固结沉降的影响。研究表明,瞬时荷载情形下分数阶导数黏弹性饱和土体一维固结最终沉降量与黏滞系数和分数阶次无关,而不同黏滞系数和分数阶次对固结时间有较大影响。其研究结果有助于深入认识黏弹性饱和土体的固结力学行为。 相似文献
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地下水开采引发的地面沉降是一种多场耦合的复杂问题,土体变形过程中渗流与应力应变相互影响。采用部分耦合原理,通过渗流和变形过程中的相关状态变量来耦合成熟的商业软件TOUGH2和FLAC~(3D)进行三维变参数的地面沉降数值模拟研究,其中TOUGH2模拟渗流,FLAC~(3D)模拟土体变形,并以此为工具探讨地面沉降的控制策略。基于弹性模型承压含水层抽水的理想算例进行了变参数条件下的模拟计算,发现顶底板水平变形未被约束时水平位移不可忽略,其峰值距离抽水井有一定距离,且水平位移峰值大于垂向位移峰值;此外,由于地面沉降过程中渗透系数及孔隙率减小,导致近井区域渗流量增加,变参数模型位移量大于定参数。将以上方法应用于地面沉降控制策略研究,通过控制抽水流量及抽水时间,发现限制开采速率能控制沉降量,缩短抽水时间能控制沉降范围;对比脉冲式抽水及抽水—回灌常用地面沉降控制策略,发现抽水时采取合理的回灌措施能有效控制沉降量及沉降范围,而脉冲式抽水使得近井处弹性沉降量未得到明显控制,沉降影响范围反而更大。 相似文献
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超量开采地下水引发的地面沉降已成为制约北京区域社会经济可持续发展的重要因素之一。2014年12月,南水北调中线工程正式通水,每年向北京输水超过10×108 m3,改变了北京供水格局,也为地下水压采、涵养及控制地面沉降创造了条件。本文利用多种监测数据,分析南水进京前后,北京平原区地下水和地面沉降的变化;研究不同水位变化模式下不同岩性及深度土层的变形特征;计算土层不同变形阶段的弹性和非弹性储水率;并对黏性土层产生较大残余变形和滞后变形的原因进行了探讨。结果表明：① 2015～2020年,平原区大部分地区第一至第四含水层组地下水位逐渐上升,地面沉降呈减缓的趋势。② 第二和第三压缩层组是沉降主要贡献层,除平各庄和榆垡站外,其余各站第三压缩层组沉降占比逐渐增大,沉降主控层有向深部转移的规律。③ 平原区北部和东部,第二和第三压缩层组对应的地下水位由降转升。在水位下降阶段,土层呈塑性和蠕变变形;水位上升阶段,土层以塑性变形为主,部分时间出现弹性变形,具有黏弹塑性。平原区南部,地下水位始终持续下降,土层变形始终呈塑性和蠕变变形。含水砂层则主要呈弹性变形。④ 土层变形的不同阶段,弹性和非弹性储水率并不是恒定的,随着地下水位下降,储水率呈减小的趋势。⑤ 黏性土层存在较大残余变形和变形滞后的原因,一是非弹性储水率大于弹性储水率,二是黏性土层的弱渗透性。 相似文献
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《岩土力学》2015,(9):2510-2516
以地基土冻胀变形理论为基础,从桩基冻胀力与桩侧土体冻胀位移的关系出发,引入经典黏弹性力学理论及Mindlin半空间作用集中力的弹性解,从理论上导出了桩基冻胀力三维黏弹性问题的积分方程表达式。运用单纯形法将室内实测蠕变数据反演得到三参量模型系数,并通过已有文献中现场实测数据拟合得到土体冻结深度、自由冻胀量,以及桩基冻拔位移随时间的函数,用于桩基冻胀力的理论计算。数值算例表明,按上述推导的桩基冻胀力三维黏弹性表达式计算的冻胀力沿深度分布规律与已有计算结果吻合较好。首次以理论的方法得到了桩基冻胀力的"时空分布"三维曲面,能较直观地反映冻胀力的分布规律。 相似文献
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为了准确模拟由地下水开采导致渗流场和应力场发生变化而引起的地面沉降问题,根据Terzaghi有效应力原理,建立了地下水三维渗流与一维垂向固结的地下水渗流与地面沉降耦合数值模拟模型和以比奥固结理论为基础,并结合土体非线性流变理论,将土体本构关系推广到粘弹塑性,同时考虑土体力学参数及水力参数的动态变化关系的地下水渗流与地面沉降三维全耦合数值模拟模型.通过对比分析,结果表明:基于Terzaghi有效应力原理建立的地下水三维渗流与一维垂向固结地下水渗流与地面沉降耦合数值模拟模型模拟所得地面沉降与地下水位呈现出同步变化的趋势,并且当地下水位逐步回升至初始水位时,地面沉降也逐步回升到初始的零沉降状态.而以比奥固结为基础建立的地下水渗流与地面沉降三维全耦合数值模拟模型模拟所得的地面沉降变化趋势滞后于地下水位的变化趋势,并且当地下水位逐步回升至初始水位时,地面沉降虽也逐步得到回升,但回不到初始的零沉降状态,存在一个永久的残余沉降量.在土体参数变化方面,土体的孔隙度、渗透系数及泊松比均呈现先减小后增大的变化趋势,而弹性模量则呈现先增大后减小的变化趋势,与地面沉降的变化相对应. 相似文献
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地下水位变化模式下含水砂层变形特征及上海地面沉降特征分析 总被引：5，自引：0，他引：5
土体变形特征与其经历的应力状态有关。由于抽灌水位置和水量的变化,同一土层中不同时期的地下水位可以呈现不同的变化模式,土层表现出不同的变形特征。论文根据上海1400多个水位孔近40a的水位观测资料和各土层的变形资料,从土层变形角度将地下水位的变化方式划分为5种模式。分析了每种地下水位变化模式下土层的变形特征,并进一步分析了上海地面沉降在时间和空间上的特征。分析结果表明:地下水位的变化模式对上海土层的变形有显著影响。同一土层在不同的水位变化模式下可表现为弹性、弹塑性或粘弹塑性的变形特征;地面沉降与地下水开采量、地下水开采层次与主要沉降层具有密切的关系,开采地下水是上海地面沉降的主要原因;与现阶段含水层的水位变化模式相联系,第四承压含水层是上海最近几年来地面沉降的主要沉降层。 相似文献
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随着我国热能源开发,热力管道工程大规模应用,由此带来的岩土体应力、变形、渗流和温度耦合作用问题已经成为岩土工程领域的研究热点。在长期荷载作用下,岩土体的变形和强度随时间而变化,尤其是软土,具有明显的流变特征。传统的各流变模型并未考虑升温方式和温度对其各参数的影响。为了能更好地反映流变固结特性,考虑软黏土的黏弹塑性,在西原模型基础上,引入温度膨胀系数,建立了热力耦合作用下的改进西原模型,给出了其应力-应变关系,并利用Laplace变换和逆变换求解了一维热固结方程,得到了其解析解。计算结果表明:固结压力一定时,温度升高加快土体固结;温度一定时,土体中孔压随固结压力增大而减小;改进西原模型的弹性模量越大,孔压消散速率越大,土体固结越快;土颗粒受温度影响而产生的热膨胀对于孔压消散的作用非常小;黏滞系数越小,孔压消散更快,土体固结越快;试验结果与考虑土体的黏弹塑性的热力耦合改进西原模型计算结果吻合,改进西原模型可以较好地描述土体的热力耦合特性。 相似文献
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针对江阴南部地面沉降问题,结合地下水开发利用现状和城市建设规划,根据比奥固结理论,引入黏性土流变理论,将土体本构关系拓展至黏弹塑性,并考虑土体的土力学参数和水力学参数随应力场的动态变化,建立江阴南部地区建筑荷载、地下水开采与地面沉降三维全耦合数值模型,分别模拟预测了江阴南部地区2015年12月31日至2030年12月31日建筑荷载、地下水开采单独作用及二者叠加作用三种情况下地面沉降发展趋势。模拟结果显示,建筑荷载为引起江阴南部地区地面沉降的主因,其次是地下水开采,二者的主压缩层分别为第Ⅰ黏性土弱含水层和第Ⅱ黏性土弱含水层,分别占总压缩量的42.94%和62.60%;建筑荷载和地下水开采叠加作用下引发的地面沉降具有耦合效应,二者叠加量小于单独作用引发量的线性叠加。 相似文献