水位变化引发的土层耦合固结变形理论研究

【摘要】地面沉降具有影响范围大、影响时间长及不可逆的特点,已成为严重的环境地质灾害之一。在我国经济高度发达的沿海沿江软土地区,随着经济的快速发展和城市化进程的加速,开采地下水与地面沉降控制之间的矛盾已越来越突出。因此对软土地区地下水开采引起的地面沉降计算理论展开更系统深入的研究是完全必要的。目前大多数地面沉降计算理论基于部分耦合模型,假定软土层只发生一维竖向变形,没有考虑软土层的耦合固结变形。少数基于耦合模型的沉降计算理论多采用有限元、有限差分等数值方法求解,缺少解析理论方面的研究。对于抽水引发的软土层固结理论研究,目前也还没有能同时考虑软土非线性和大应变下的固结解析理论。本文主要研究了水位变化引发的土层耦合固结变形理论,获得在实际抽水边界下地面沉降的解析解和半解析解,深入分析地下水位变化引发的土层耦合固结变形的性状及相关土体参数对固结性状的影响,为地面沉降防控提供较现有理论更为贴近实际的土层固结变形计算方法。主要工作和创新成果包括：(1)对于地下水位随时间大面积均匀下降时软土层的一维固结问题,根据Duhamel原理分别推导了潜水层和承压层水位随时间变化下软土层固结的解析表达式。当水位随时间先线性下降,后达到恒定值时,分别得到了基于一维线性固结理论、一维非线性固结理论和一维大应变非线性固结理论下相应问题的解析解。根据所得解析解对水位变化引发的软土层的固结性状进行了分析。(2)对于含水层中水位不均匀下降的情况,基于Biot固结理论对软土层固结进行求解。首先应用Laplace-Hankel变换推导了轴对称固结控制方程在变换域内的一般解,基于一般解得出了边界处水位随时间变化下软土层固结的解析表达式。对于有限区域内水位均匀下降和水位随时间轴对称下降时的情况,分别在变换域内得出了相应的解析解。基于所得解析解,对软土层的固结性状进行了分析,并总结了相关土体参数对固结性状的影响情况。(3)对于土层中心处存在竖向线抽水源的情况,应用Laplace-Hankel变换推导了竖向线抽水源作用下单层土的轴对称固结一般解。基于所得一般解,分别对承压含水层—软土层系统和潜水含水层—软土层系统的抽水固结问题进行了求解,在变换域内得出了相应的解析表达式。根据所得解答分析了在含水层中抽水时承压含水层一软土层系统和潜水含水层—软土层系统的固结性状,并总结了相关土体参数对固结性状的影响情况。(4)对于水位下降为非轴对称分布的情况,基于三维固结理论对软土层固结问题进行了求解,得出了Fourier展开后在Laplace-Hankel变换域内的一般解表达式。针对有限区域内非轴对称降水情况,推导了变换域内相应的固结解析表达式。根据所得解答,分析了非轴对称降水条件下软土层固结的性状。(5)考虑软土层本构关系为修正剑桥模型,软土层渗流和压缩为非线性,利用ABAQUS有限元软件对抽水引起的土层固结变形进行了计算。根据计算结果,分析了土体弹塑性、非线性压缩、非线性渗流对土层固结变形性状的影响。
【作者】黄大中；
【导师】谢康和；
【作者基本信息】浙江大学，岩土工程，2014，博士
【关键词】地下水开采；地面沉降；耦合固结；非线性固结；解析解；积分变换；

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