多层水平真空加固吹填软土的大变形沉降过程的预测方法技术

本发明专利技术属于岩土工程研究相关技术领域，其公开一种多层水平真空加固吹填软土的大变形沉降过程的预测方法，该方法包括以下步骤：(1)设置软土的土体模型的参数及边界条件；(2)设置水平排水板的放置位置及真空压力；(3)将土体模型划分成单元，并计算单元的初始及最终空隙比；(4)依次计算单元的高度、总应力、有效应力、渗透系数、孔隙水压力、总水头及渗流速度；(5)将时间增量与当前固结时间叠加得到新的总固结时间；(6)计算得到真空边界处的水力梯度；(7)计算得到当前沉降量；(8)判断是否达到结束条件，若达到，则输出固结过程中的参量变化结果，否则转至步骤(4)。本发明专利技术综合考虑多种因素，提高了预测精度，灵活性好。

【技术实现步骤摘要】
多层水平真空加固吹填软土的大变形沉降过程的预测方法
本专利技术属于岩土工程研究相关
，更具体地，涉及一种多层水平真空加固吹填软土的大变形沉降过程的预测方法。
技术介绍
在我国沿江、沿海等地区广泛分布着软土，而这些软土一般又是经济发达地区，这些地区对公路交通的需要非常迫切，尤其是需要发展高速公路。软土具有天然含水率高、天然空隙比大、扰动性大、透水性差、土层层状分布复杂、各层之间物理力学性质相差较大等特点，不利于工程安全，使用软土做地基时需要进行地基处理。目前，在公路方面处理软土地基最常用的方法就是排水固结法，真空预压可以加速排水固结，在工程中应用广泛。目前，工程实际上主要是以竖向排水固结为主，从而实现真空预压排水固结。但是由于在竖向插板过程中可能会导致排水板弯折，引起真空荷载传递效率不高，深部软土加固处理效果不佳等问题，而采用水平铺设排水板可以有效解决这一个关键问题。因此，研究饱和软土真空预压水平排水固结对软土地基的处理与利用具有重要意义。目前，本领域相关技术人员已经做了少许，但大都不能同时考虑大应变、几何非线性、材料参数非线性、多层真空预压等条件，导致实际应用中产生较大的误差。相应地，本领域存在着发展一种精度较高的多层水平真空加固吹填软土的大变形沉降过程的预测方法的技术需求。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种多层水平真空加固吹填软土的大变形沉降过程的预测方法，其综合考虑了土体自重、大应变、几何非线性、材料参数非线性和多层真空预测等因素，可以有效地精确预测铺设多层水平排水板进行真空预压时饱和软土的固结过程，且该预测方法简单灵活，解决了未同时考虑几何非线性和材料参数非线性导致计算结果误差较大、复杂工程环境下难以应用的问题。为实现上述目的，本专利技术提供了一种多层水平真空加固吹填软土的大变形沉降过程的预测方法，该预测方法主要包括以下步骤：(1)建立饱和软土的土体模型，并设置所述土体模型的参数及边界条件，所述参数包括土体本构关系数据点；(2)设置水平排水板的放置位置及真空压力的数值，并按照所述水平排水板的数目及位置对土体进行划分，同时确定每层土体的单元数目；(3)将所述土体模型划分成预定数目的单元，并计算所述单元的初始孔隙比及最终空隙比；(4)依次计算所述单元的高度、总应力、有效应力、渗透系数、孔隙水压力、总水头及渗流速度；(5)取所有单元的时间增量中的最小值作为一个时间步计算的时间增量，进而将得到的时间增量与当前的固结时间叠加以得到新的总固结时间；(6)根据单元的总水头、渗流路径以及真空压力的大小及施加位置计算得到真空边界处的水力梯度；(7)依据渗流速度计算流入和流出单元的渗流量，进而计算获得单元的垂直应变量，根据原单元高度与所述垂直应变量获得新的单元厚度，进而将得到的所有单元厚度叠加以得到新的土体高度，进而得到所述时间步对应的沉降量；(8)土体固结的最终沉降量由最终孔隙比计算得到，当前沉降量与最终沉降量的比值为土体的平均固结度，进而判断获得的总固结时间或者所述平均固结度是否达到预定的总固结时间或者预定的平均固结度，若达到，则输出饱和软土真空预压固结过程中的参量随时间变化的结果，否则转至步骤(4)。进一步地，步骤(6)还包括计算单元间的水力梯度的步骤。进一步地，单元间的水力梯度是由相邻单元的水头差及渗流路径计算得到的，真空边界处的水力梯度是根据真空压力计算得到的。进一步地，单元间的水力梯度通过以下公式计算获得：若在单元j与单元j+1之间存在水平排水板，真空预压时形成真空带，则水平排水板下边界处的水力梯度通过以下公式计算获得：水平排水板上边界处的水力梯度通过以下公式计算获得：式中，vp为真空压力值；与分别为单元j与单元j+1在总固结时间t时的孔隙压力；与分别为单元j与单元j+1在总固结时间t时的高度；ht为水平排水板在总固结时间t时的高度；γw为水的重度。进一步地，步骤(4)中，假设土体模型的底面固定且为坐标系原点所在面，每个单元的几何中心为该单元的节点，节点到坐标原点的距离为该单元的高度；单元的总应力为对应的节点上部土体自重与土体顶面静水压力之和；渗透系数是通过土体孔隙比与土体本构关系求得的。进一步地，单元的高度通过以下公式获得：式中，为单元j在总固结时间t时的高度；单元j在总固结时间t时的厚度。进一步地，单元的总应力通过以下公式获得：式中，为单元j在总固结时间t时的总应力；为单元j在总固结时间t时的土体饱和重度；单元j在总固结时间t时的厚度；为单元b在总固结时间t时的厚度；为单元b在总固结时间t时的土体饱和重度。进一步地，新的单元的孔隙比通过以下公式获得：式中，为单元j在总固结时间t+Δt时的孔隙比；eo,j为单元j的初始孔隙比；Lo为单元初始厚度；为单元j在总固结时间t+Δt时的厚度。进一步地，单元间的渗透系数通过以下公式计算获得：式中，为在总固结时间t时单元j和单元j+1之间的渗透系数；为单元j在总固结时间t时的渗透系数；为单元j在总固结时间t时的单元厚度。进一步地，单元的渗流速度通过以下公式计算获得：式中，为单元j在总固结时间t时的渗流速度；为单元j在总固结时间t时的水头；为单元j在总固结时间t时的高度。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，本专利技术提供的多层水平真空加固吹填软土的大变形沉降过程的预测方法主要具有以下有益效果：1.通过设置土体模型的参数及边界条件，所述参数包括土体本构关系数据点，进而来考虑土体自重及材料的非线性关系，通过设置真空压力的值，进而来考虑真空预压对固结速率的影响，同时通过将土体模型进行单元划分来考虑几何非线性变化，综合考虑了土体自重、大应变、几何非线性、材料参数非线性、多层真空预压、边界条件等因素，有效地减小了误差，提高了精度。2.该方法能够比较准确地预测饱和软土的真空预压水平排水固结过程，为后续地基处理、科学规划软土地基设计及施工提供了有价值的参考数据。3.该预测方法简单灵活，易于实现，且利于复杂工程条件下的应用，解决了未同时考虑几何非线性和材料参数非线性导致计算结果误差较大、复杂工程环境下难以应用的问题。附图说明图1是本专利技术较佳实施方式提供的多层水平真空加固吹填软土的大变形沉降过程的预测方法的流程示意图。图2中的(a)图及(b)图分别是图1中的多层水平真空加固吹填软土的大变形沉降过程的预测方法涉及的土体模型出于初始状态与固结过程时的示意图。图3是图2中的水平排水板上下土体模型相邻单元在真空预压水平排水固结过程中的渗流示意图。图4是采用图1中的多层水平真空加固吹填软土的大变形沉降过程的预测方法获得的与采用小应变线性解析解获得的平均固结度随时间的变化曲线对比图。图5是采用图1中的多层水平真空加固吹填软土的大变形沉降过程的预测方法获得的与采用大应变解析解获得的平均固结度随时间的变化曲线对比图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。请参阅图1、图2及图3，本专利技术较佳实施方式提供的多层水平真本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多层水平真空加固吹填软土的大变形沉降过程的预测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)建立饱和软土的土体模型，并设置所述土体模型的参数及边界条件，所述参数包括土体本构关系数据点；(2)设置水平排水板的放置位置及真空压力的数值，并按照所述水平排水板的数目及位置对土体进行划分，同时确定每层土体的单元数目；(3)将所述土体模型划分成预定数目的单元，并计算所述单元的初始孔隙比及最终空隙比；(4)依次计算所述单元的高度、总应力、有效应力、渗透系数、孔隙水压力、总水头及渗流速度；(5)取所有单元的时间增量中的最小值作为一个时间步计算的时间增量，进而将得到的时间增量与当前的固结时间叠加以得到新的总固结时间；(6)根据单元的总水头、渗流路径以及真空压力的大小及施加位置计算得到真空边界处的水力梯度；(7)依据渗流速度计算流入和流出单元的渗流量，进而计算获得单元的垂直应变量，根据原单元高度与所述垂直应变量获得新的单元厚度，进而将得到的所有单元厚度叠加以得到新的土体高度，进而得到所述时间步对应的沉降量；(8)土体主固结的最终沉降量由最终孔隙比计算得到，当前沉降量与最终沉降量的比值为土体的平均固结度，进而判断获得的总固结时间或者所述平均固结度是否达到预定的总固结时间或者预定的平均固结度，若达到，则输出饱和软土真空预压固结过程中的参量随时间变化的结果，否则转至步骤(4)。...

【技术特征摘要】
1.一种多层水平真空加固吹填软土的大变形沉降过程的预测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)建立饱和软土的土体模型，并设置所述土体模型的参数及边界条件，所述参数包括土体本构关系数据点；(2)设置水平排水板的放置位置及真空压力的数值，并按照所述水平排水板的数目及位置对土体进行划分，同时确定每层土体的单元数目；(3)将所述土体模型划分成预定数目的单元，并计算所述单元的初始孔隙比及最终空隙比；(4)依次计算所述单元的高度、总应力、有效应力、渗透系数、孔隙水压力、总水头及渗流速度；(5)取所有单元的时间增量中的最小值作为一个时间步计算的时间增量，进而将得到的时间增量与当前的固结时间叠加以得到新的总固结时间；(6)根据单元的总水头、渗流路径以及真空压力的大小及施加位置计算得到真空边界处的水力梯度；(7)依据渗流速度计算流入和流出单元的渗流量，进而计算获得单元的垂直应变量，根据原单元高度与所述垂直应变量获得新的单元厚度，进而将得到的所有单元厚度叠加以得到新的土体高度，进而得到所述时间步对应的沉降量；(8)土体主固结的最终沉降量由最终孔隙比计算得到，当前沉降量与最终沉降量的比值为土体的平均固结度，进而判断获得的总固结时间或者所述平均固结度是否达到预定的总固结时间或者预定的平均固结度，若达到，则输出饱和软土真空预压固结过程中的参量随时间变化的结果，否则转至步骤(4)。2.如权利要求1所述的多层水平真空加固吹填软土的大变形沉降过程的预测方法，其特征在于：步骤(6)还包括计算单元间的水力梯度的步骤。3.如权利要求2所述的多层水平真空加固吹填软土的大变形沉降过程的预测方法，其特征在于：单元间的水力梯度是由相邻单元的水头差及渗流路径计算得到的，真空边界处的水力梯度是根据真空压力计算得到的。4.如权利要求2所述的多层水平真空加固吹填软土的大变形沉降过程的预测方法，其特征在于：单元间的水力梯度通过以下公式计算获得：若在单元j与单元j+1之间存在水平排水板，真空预压时形成真空带，则水平排水板下边界处的水力梯度通过以下公式计算获得：水平排水板上边界处的水力梯度通过以下公式计...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋丁豹，张纯雪，蒲诃夫，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42