本發(fā)明屬于巖土工程研究相關(guān)
技術(shù)領(lǐng)域：
，更具體地，涉及一種飽和軟土自重固結(jié)過程的預(yù)測方法。
背景技術(shù)：
：隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，沿海地區(qū)土地資源日益緊張，國內(nèi)沿海地區(qū)普遍開展了大規(guī)模圍海造陸工程，尤其是在沿海港口建設(shè)中普遍采用疏浚工程、吹填工程進(jìn)行施工。吹填淤泥吹填后經(jīng)過一段時(shí)間的自重固結(jié)過程，此階段土體性質(zhì)指標(biāo)隨著土體深度和固結(jié)時(shí)間發(fā)生較大變化，且其指標(biāo)對于后續(xù)軟弱地基處理、科學(xué)規(guī)劃軟土地基設(shè)計(jì)與施工具有重要意義。此外，在水利和水環(huán)境治理過程中正產(chǎn)生越來越多的疏浚淤泥，疏浚淤泥通常含水率很高、呈流動狀態(tài)，陸地處置需要設(shè)置堆場。然而，堆場周轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)主要考慮需要處理的淤泥總量、堆場的容量、周轉(zhuǎn)周期和周轉(zhuǎn)次數(shù)等，其中堆場周轉(zhuǎn)周期與周轉(zhuǎn)次數(shù)均與淤泥自重固結(jié)性狀及固結(jié)時(shí)間密切相關(guān)。綜上所述，研究飽和軟土自重固結(jié)問題對解決填海造陸、河流湖泊疏浚以及淤泥處理與利用等工程意義重大。目前，本領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)人員已經(jīng)做了一些研究，大都是通過使用不同的解析方法得出相應(yīng)的軟土自重固結(jié)結(jié)果，但不能同時(shí)考慮幾何非線性、材料參數(shù)非線性和動水壓力等條件，在實(shí)際工程中應(yīng)用會產(chǎn)生較大的誤差。因此，本領(lǐng)域存在著發(fā)展一種精度較高的飽和軟土自重固結(jié)過程的預(yù)測方法的技術(shù)需求。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種飽和軟土自重固結(jié)過程的預(yù)測方法，其綜合考慮了幾何非線性、材料參數(shù)非線性、邊界條件和動水壓力等因素，有效地減小了誤差，提高了精度，且該預(yù)測方法簡單靈活，解決了未同時(shí)考慮幾何非線性和材料參數(shù)非線性導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果誤差較大、復(fù)雜工程環(huán)境下難以實(shí)用的問題。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種飽和軟土自重固結(jié)過程的預(yù)測方法，其包括以下步驟：(1)設(shè)置飽和軟土的土體模型的參數(shù)及邊界條件，所述參數(shù)包括土體本構(gòu)關(guān)系數(shù)據(jù)點(diǎn)；(2)將所述土體模型劃分成預(yù)定數(shù)目的單元，并計(jì)算所述單元的初始孔隙比及最終孔隙比；(3)依次計(jì)算所述單元的高度、總應(yīng)力、有效應(yīng)力、滲透系數(shù)、孔隙水壓力、總水頭及滲流速度，所述滲透系數(shù)及所述有效應(yīng)力均是通過孔隙比及土體本構(gòu)關(guān)系計(jì)算獲得的；(4)取所有單元的時(shí)間增量中的最小值作為一個(gè)時(shí)間步計(jì)算的時(shí)間增量，進(jìn)而將得到的時(shí)間增量與當(dāng)前的固結(jié)時(shí)間疊加以得到新的總固結(jié)時(shí)間；(5)依據(jù)滲流速度及時(shí)間增量分別計(jì)算流入和流出單元的滲流量，進(jìn)而計(jì)算單元的垂直應(yīng)變量，根據(jù)原單元高度和垂直應(yīng)變量得到新的單元厚度，進(jìn)而將所有單元厚度疊加以得到新的土體高度，初始土體高度與新的土體高度的差值即為沉降量；(6)土體主固結(jié)的最終沉降量可由最終孔隙比計(jì)算得出，沉降量與最終沉降量的比值為土體的平均固結(jié)度，進(jìn)而判斷獲得的總固結(jié)時(shí)間或者所述平均固結(jié)度是否達(dá)到預(yù)定的總固結(jié)時(shí)間或者預(yù)定的平均固結(jié)度，若達(dá)到，則輸出飽和軟土自重固結(jié)過程中的參量隨時(shí)間的變化結(jié)果；否則轉(zhuǎn)至步驟(3)。進(jìn)一步地，步驟(3)中，假設(shè)土體模型的底面固定且為坐標(biāo)系原點(diǎn)所在面，每個(gè)單元的幾何中心為該單元的節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)到坐標(biāo)原點(diǎn)的距離為該單元的高度；單元的總應(yīng)力為對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上部土體自重與土體頂面靜水壓力之和；滲透系數(shù)是通過土體孔隙比與土體本構(gòu)關(guān)系求得的。進(jìn)一步地，所述滲流速度是通過靜水位高度、總水頭、土體的高度、單元的高度、邊界條件及滲透系數(shù)計(jì)算獲得的。進(jìn)一步地，單元的高度通過以下公式獲得：式中為單元j在總固結(jié)時(shí)間t時(shí)的高度；單元j在總固結(jié)時(shí)間t時(shí)的高度。進(jìn)一步地，單元的總應(yīng)力通過以下公式獲得：式中，為單元j在總固結(jié)時(shí)間t時(shí)的總應(yīng)力；γw為水的重度；為單元j在總固結(jié)時(shí)間t時(shí)的土體飽和重度；hw為靜水位高度；ht為總固結(jié)時(shí)間t時(shí)的土體高度；為單元j在總固結(jié)時(shí)間t時(shí)的高度；單元j在總固結(jié)時(shí)間t時(shí)的高度；為單元b在總固結(jié)時(shí)間t時(shí)的厚度；為單元b在總固結(jié)時(shí)間t時(shí)的土體飽和重度。進(jìn)一步地，新的單元的孔隙比通過以下公式獲得：式中，為單元j在總固結(jié)時(shí)間t+δt時(shí)的孔隙比；eo,j為單元j初始孔隙比；lo為單元初始厚度。進(jìn)一步地，單元的滲流速度通過以下公式計(jì)算獲得：式中為單元j在總固結(jié)時(shí)間t時(shí)的滲流速度；為單元j在總固結(jié)時(shí)間t時(shí)的水頭；為單元j在總固結(jié)時(shí)間t時(shí)的高度。進(jìn)一步地，所述飽和軟土固結(jié)過程中的參量包括孔隙比隨時(shí)間的變化、土體沉降量隨時(shí)間的變化、土體高度隨時(shí)間的變化、孔隙水壓力隨時(shí)間的變化及平均固結(jié)度隨時(shí)間的變化?？傮w而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的飽和軟土自重固結(jié)過程的預(yù)測方法主要具有以下有益效果：(1)通過設(shè)置土體模型的參數(shù)及邊界條件，所述參數(shù)包括土體本構(gòu)關(guān)系數(shù)據(jù)點(diǎn)，進(jìn)而來考慮材料的非線性關(guān)系，同時(shí)通過將土體模型進(jìn)行單元?jiǎng)澐謥砜紤]幾何非線性變化，綜合考慮了幾何非線性、材料參數(shù)非線性、邊界條件及動水壓力等因素，有效地減小了誤差，提高了精度；(2)該預(yù)測方法簡單靈活，易于實(shí)現(xiàn)，且利于復(fù)雜工程條件下的應(yīng)用；(3)該方法能夠比較準(zhǔn)確的預(yù)測飽和軟土的自重固結(jié)過程，為后續(xù)地基處理、科學(xué)規(guī)劃軟土地基設(shè)計(jì)及施工提供了有價(jià)值的參考數(shù)據(jù)。附圖說明圖1是本發(fā)明較佳實(shí)施方式提供的飽和軟土自重固結(jié)過程的預(yù)測方法的流程圖；圖2中的(a)、(b)分別是圖1中的飽和軟土自重固結(jié)過程的預(yù)測方法涉及的土體模型處于初始狀態(tài)與固結(jié)過程時(shí)的示意圖；圖3是圖2中的土體模型相鄰單元在自重固結(jié)過程中的滲流示意圖；圖4中的(a)、(b)分別是采用圖1中的飽和軟土自重固結(jié)過程的預(yù)測方法獲得的海水土體高度隨時(shí)間的變化曲線、淡水土體高度隨時(shí)間的變化曲線。具體實(shí)施方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。請參閱圖1至圖3，本發(fā)明較佳實(shí)施方式提供的飽和軟土自重固結(jié)過程的預(yù)測方法，所述預(yù)測方法綜合考慮了幾何非線性、材料參數(shù)非線性、邊界條件和動水壓力等因素，有效地減小了計(jì)算誤差，提高了計(jì)算精度，且該預(yù)測方法簡單靈活。本實(shí)施方式中，所述的飽和軟土自重固結(jié)過程的預(yù)測方法主要包括以下步驟：步驟一，建立飽和軟土的土體模型，并設(shè)置所述土體模型的參數(shù)及邊界條件，所述參數(shù)包括土體本構(gòu)關(guān)系數(shù)據(jù)點(diǎn)。具體地，設(shè)置飽和軟土的土體模型的高度、土體模型將要?jiǎng)澐值膯卧獢?shù)目(預(yù)定數(shù)目)、模型的邊界條件、靜水位高度、土粒比重、土體本構(gòu)關(guān)系數(shù)據(jù)點(diǎn)及計(jì)算終止條件(預(yù)定的總固結(jié)時(shí)間或者預(yù)定的平均固結(jié)度)。對于土體模型的邊界條件設(shè)置，模型頂面和底面可以分別設(shè)置為透水或者不透水邊界。土體本構(gòu)關(guān)系是指土體孔隙比與有效應(yīng)力之間的關(guān)系以及滲透系數(shù)與孔隙比之間的關(guān)系。本實(shí)施方式中，土體本構(gòu)關(guān)系既可以采用分段線性以數(shù)據(jù)點(diǎn)的形式輸入，也可以直接輸入非線性本構(gòu)關(guān)系曲線方程。計(jì)算終止條件可以是總固結(jié)時(shí)間或者平均固結(jié)度達(dá)到指定值。步驟二，將所述土體模型劃分成預(yù)定數(shù)目的單元，并計(jì)算所述單元的初始孔隙比及最終孔隙比。具體地，將所述土體模型從下往上劃分為等初始厚度、等橫截面面積的預(yù)定數(shù)目的單元。單元的初始孔隙比可以直接設(shè)定，也可以通過計(jì)算得出。本實(shí)施方式中，所述初始孔隙比是直接設(shè)定的，根據(jù)所述初始孔隙比與土體本構(gòu)關(guān)系可以得出土體初始有效應(yīng)力；可以理解，在其他實(shí)施方式中，所述初始孔隙比可以通過計(jì)算得出，此時(shí)所述初始有效力在參數(shù)設(shè)置時(shí)被設(shè)定，所述初始孔隙比是根據(jù)所述初始有效應(yīng)力及土體本構(gòu)關(guān)系計(jì)算獲得的。固結(jié)完成后，單元的最終有效應(yīng)力為初始有效應(yīng)力與該單元上部土體的有效重度之和，再依據(jù)土體的本構(gòu)關(guān)系可以得出單元的最終孔隙比。步驟三，依次計(jì)算所述單元的高度、總應(yīng)力、有效應(yīng)力、滲透系數(shù)、孔隙水壓力、總水頭及滲流速度，所述有效應(yīng)力可根據(jù)孔隙比及土體本構(gòu)關(guān)系計(jì)算獲得。首先，假設(shè)土體模型底面固定且為坐標(biāo)系坐標(biāo)原點(diǎn)的所在面，豎直向上為正方向，每個(gè)單元的幾何中心為該單元的節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)到坐標(biāo)原點(diǎn)的距離為該單元的高度；每個(gè)節(jié)點(diǎn)的總應(yīng)力(單元的總應(yīng)力)為該節(jié)點(diǎn)上部土體自重與土體頂面靜水壓力之和。之后，根據(jù)土體的當(dāng)前孔隙比與土體本構(gòu)關(guān)系來求得與當(dāng)前孔隙比對應(yīng)的有效應(yīng)力和滲透系數(shù)。最后，單元的孔隙水壓力為所述總應(yīng)力與所述有效應(yīng)力之間的差值，通過單元孔隙水壓力和單元的高度可以計(jì)算得出單元的總水頭，并根據(jù)所述靜水位高度、總水頭、土體的高度、單元的高度、邊界條件及滲透系數(shù)來計(jì)算獲得單元的滲流速度。本實(shí)施方式中，所述滲流速度沿著坐標(biāo)軸豎直向上為正方向。步驟四，取所有單元的時(shí)間增量中的最小值作為一個(gè)時(shí)間步計(jì)算的時(shí)間增量，進(jìn)而將得到的時(shí)間增量與當(dāng)前的固結(jié)時(shí)間疊加以得到新的總固結(jié)時(shí)間。每個(gè)單元的時(shí)間步都有其對應(yīng)的時(shí)間增量，取所有單元對應(yīng)的時(shí)間增量中的最小值作為一個(gè)時(shí)間步計(jì)算的時(shí)間增量，然后將得到的時(shí)間增量與當(dāng)前的固結(jié)時(shí)間進(jìn)行疊加，以得出新的總固結(jié)時(shí)間。步驟五，依據(jù)滲流速度計(jì)算流入和流出單元的滲流量，進(jìn)而計(jì)算獲得單元的垂直應(yīng)變量，根據(jù)原單元高度與所述垂直應(yīng)變量獲得新的單元厚度，進(jìn)而將得到的所有單元厚度疊加以得到新的土體高度，進(jìn)而得到所述時(shí)間步對應(yīng)的沉降量。假設(shè)土體顆粒和水都是不可壓縮的，根據(jù)滲流速度可以計(jì)算獲得流入和流出單元的滲流量，進(jìn)而根據(jù)流入和流出單元的滲流量可以獲得單元的垂直應(yīng)變量，原單元的厚度與單元垂直應(yīng)變量的差值就是新的單元厚度，將所得到的單元厚度進(jìn)行疊加即可得到新的土體高度；將初始土體高度減去新得到的土體高度得到的差值即為所述固結(jié)時(shí)間對應(yīng)的沉降量。步驟六，土體主固結(jié)的最終沉降量可由最終孔隙比計(jì)算得到，沉降量與最終沉降量的比值為土體的平均固結(jié)度，進(jìn)而判斷獲得的總固結(jié)時(shí)間或者所述平均固結(jié)度是否達(dá)到預(yù)定的總固結(jié)時(shí)間或者預(yù)定的平均固結(jié)度，若達(dá)到，則輸出飽和軟土自重固結(jié)過程中的參量隨時(shí)間變化的結(jié)果，否則轉(zhuǎn)至步驟三。飽和軟土的自重固結(jié)過程中的參量包括孔隙比分布、土體沉降量、土體高度、孔隙水壓力、平均固結(jié)度等隨時(shí)間的變化。請參閱圖4，以下以一個(gè)具體實(shí)施例來對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)說明。第一步，根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)獲取的土體參數(shù)及實(shí)際工程條件建立模型。試驗(yàn)土體物理參數(shù)見下表，表中sw表示海水土體，fw則代表淡水土體；土體模型頂面和底面水頭與各自土體高度值分別相等，即沒有外部水力梯度施加在土體模型上，土體的本構(gòu)關(guān)系分別滿足公式(1)和公式(2)。試驗(yàn)土體物理參數(shù)表試驗(yàn)ho/mω/％wl/％gssw1.98915.072.32.677fw1.94682.696.32.607ho表示土體初始高度；ω表示含水量；wl表示液限；gs表示土粒比重式中e為孔隙比，σ'為有效應(yīng)力(kpa)，k為滲透系數(shù)(m/s)。本實(shí)施例中，劃分的單元數(shù)目為200。第二步，按照第一步的數(shù)據(jù)首先將土體模型進(jìn)行單元?jiǎng)澐?，然后?jì)算單元的初始孔隙比及最終孔隙比，再計(jì)算土體的最終沉降量。單元的初始厚度分別為1.98/200＝0.0099m和1.94/200＝0.9997m，根據(jù)初始孔隙比(海水與淡水土體的初始孔隙比分別為24.49和17.80)以及土體本構(gòu)關(guān)系(公式(1)與公式(2))得出土體的初始有效應(yīng)力分別為1.67×10-8kpa和7.89×10-5kpa。當(dāng)單元的超孔隙水壓力消散為零時(shí)即可認(rèn)為土體主固結(jié)完成，此時(shí)單元的有效應(yīng)力為單元上部土體自重與外部水力梯度產(chǎn)生的動水壓力之和，單元的最終有效應(yīng)力值采用如下公式計(jì)算：σ'j＝σ'j+1+qo+0.5γ'j+1lo+0.5γ'jlo(3)式中σ'j為單元j的有效應(yīng)力；γ'j為單元j的土體浮重度；lo為單元初始厚度；qo為土體的初始有效應(yīng)力。根據(jù)上式可以得出土體自重固結(jié)完成后單元的最終有效應(yīng)力值，然后再根據(jù)土體本構(gòu)關(guān)系(公式(1))可以得出單元的最終孔隙比，則單元最終的厚度可以按照下式進(jìn)行計(jì)算：式中l(wèi)f為單元最終厚度；lo為單元初始厚度；ef為單元的最終孔隙比，eo為單元的初始孔隙比。將所有單元的最終厚度進(jìn)行疊加即可得出土體的最終高度，土體的初始高度與最終高度之間的差值即為土體最終沉降量。第三步，計(jì)算單元的高度及總應(yīng)力。具體地，以土體模型的底面為坐標(biāo)零點(diǎn)，則自下而上按照下式計(jì)算單元的高度；式中為單元j在總固結(jié)時(shí)間t時(shí)的高度；單元j在總固結(jié)時(shí)間t時(shí)的高度。單元的總應(yīng)力為初始應(yīng)力、土體上部的靜水壓力和單元上部的土體飽和重度之和，則單元的總應(yīng)力的按照下式進(jìn)行計(jì)算：式中，為單元j的總應(yīng)力；γw為水的重度；為單元j在總固結(jié)時(shí)間t時(shí)的土體飽和重度；hw為靜水位高度；ht為在總固結(jié)時(shí)間t時(shí)的土體高度；為單元b在總固結(jié)時(shí)間t時(shí)的厚度；為單元b在總固結(jié)時(shí)間t時(shí)的土體飽和重度。第四步，根據(jù)單元的孔隙比和土體本構(gòu)關(guān)系(公式(1)及公式(2))可以分別得出單元的有效應(yīng)力和滲透系數(shù)。第五步，計(jì)算單元的孔隙水壓力、總水頭及滲流速度，具體地，單元的孔隙水壓力為總應(yīng)力和有效應(yīng)力的差值，由孔隙水壓力和單元的高度可以計(jì)算得出單元的總水頭，單元的滲流速度采用如下公式計(jì)算獲得：式中為單元j在總固結(jié)時(shí)間t時(shí)的滲流速度；為單元j在總固結(jié)時(shí)間t時(shí)的水頭；為相鄰單元j和j+1之間的等效滲透系數(shù)；為單元j在總固結(jié)時(shí)間t時(shí)的高度；為單元j在總固結(jié)時(shí)間t時(shí)的滲透系數(shù)；為單元j在總固結(jié)時(shí)間t時(shí)的厚度。在本實(shí)施例中，土體模型的邊界條件為模型頂面透水而模型底面不透水，則土體模型頂面滲流速度為底面邊界條件為第六步，按照公式(9)計(jì)算每個(gè)時(shí)間步的時(shí)間增量，然后再經(jīng)所得到的時(shí)間增量疊加到當(dāng)前固結(jié)時(shí)間上以得到新的總固結(jié)時(shí)間。式中，γw為水的重度；為單元j在總固結(jié)時(shí)間t時(shí)的壓縮系數(shù)；為單元j在總固結(jié)時(shí)間t時(shí)的厚度；為單元j在總固結(jié)時(shí)間t時(shí)的孔隙比；為單元j在總固結(jié)時(shí)間t時(shí)的滲透系數(shù)；eo,j為單元j初始孔隙比；ef,j為單元j最終孔隙比；lo為單元初始厚度；為單元j在總固結(jié)時(shí)間t時(shí)的滲流速度。第七步，根據(jù)計(jì)算獲得的單元的滲流速度、時(shí)間增量以及原單元厚度可以計(jì)算得到新的單元厚度，具體計(jì)算采用如下公式：式中，為單元j在總固結(jié)時(shí)間t時(shí)的厚度；為單元j在總固結(jié)時(shí)間t+δt時(shí)的厚度；為單元j在總固結(jié)時(shí)間t時(shí)的滲流速度；δt為時(shí)間增量；為單元j在總固結(jié)時(shí)間t+δt時(shí)的孔隙比；eo,j為單元j初始孔隙比；lo為單元初始厚度。根據(jù)計(jì)算得到的新的單元厚度及初始孔隙比采用公式(11)可以得到新的單元的孔隙比，同時(shí)將得到的單元厚度疊加可以得到新的土體高度，新的土體高度與初始土體高度之間的差值即為沉降量。第八步，求解所得到的沉降量與最終沉降量的比值，即得到該時(shí)間步對應(yīng)的平均固結(jié)度。第九步，判斷總的固結(jié)時(shí)間或者平均固結(jié)度是否達(dá)到預(yù)定的總固結(jié)時(shí)間或者預(yù)定的平均固結(jié)度，若達(dá)到，則輸出飽和軟土自重固結(jié)過程中的參量；否則轉(zhuǎn)至第三步。根據(jù)上述步驟獲得的土體自重固結(jié)過程中土體高度隨時(shí)間的變化曲線如圖4所示，自圖4可以看出，本發(fā)明提供的預(yù)測方法與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)變化趨勢一致，且數(shù)值相差較小，進(jìn)而表明采用本發(fā)明提供的飽和軟土自重固結(jié)過程的預(yù)測方法所得的結(jié)果與現(xiàn)場試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)非常接近，從而可知該方法的精度較高。本發(fā)明提供的飽和軟土自重固結(jié)過程的預(yù)測方法，其綜合考慮了幾何非線性、材料參數(shù)非線性、邊界條件和動水壓力等因素，有效地減小了誤差，提高了精度，且該獲取方法簡單靈活，解決了未同時(shí)考慮幾何非線性和材料參數(shù)非線性導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果誤差較大、復(fù)雜工程環(huán)境難以實(shí)用的問題。本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁12