非线性渗透性非饱和土的固结性状研究

There are many consolidation problems of unsaturated soils in engineering. It is important to study the consolidation behavior of unsaturated soils .The consolidation of unsaturated soil is a complex nonlinear coupling issue. The study to semi-analytical solution is valuable to resolve the difficult consolidation problem of unsaturated soil. It can supply the first-order approximation solution to consolidation of unsaturated soils to rapidiy calculate and analyse.The applicant proposes to solute the semi-analytical solutions and to analysis the consolidation behavior of the following conditions, considering the non-linear changes of permeability coefficient, based on Fredlund's one-dimensional consolidation theory for unsaturated soil. 1. One-dimensional consolidation for layered linearly elastic unsaturated soil foundation. 2.Consolidation for linearly elastic unsaturated soil with ideal sand drain,simple cases. 3.One-dimensional consolidation for viscoelastic unsaturated soil foundation with finite thickness. The expected results have great significance for analyzing the consolidation behavior and mechanism of unsaturated soils. Moreover, the project can provide some useful references for consolidation problems with unsaturated soils such as engineering optimization design and construction schedule control.

自然界及工程中大量涉及非饱和土固结问题，了解非饱和土固结性状非常必要。非饱和土固结是复杂的非线性耦合问题，研究难度很大，在研究复杂问题之前，半解析解的研究极有价值，可提供非饱和土固结的一阶近似解，用于固结问题的快速计算、分析。申请者基于典型的Fredlund非饱和土固结理论，采用适当的假定及一些数学方法，考虑渗透系数的非线性变化，拟求解以下情况的非饱和土固结半解析解，并对其进行固结性状分析。1)成层线弹性非饱和土地基一维固结；2）简单情况下的线弹性非饱和土理想砂井地基固结；3）有限厚度粘弹性非饱和土地基一维固结。预期成果对于分析非饱和土固结性状、理解非饱和土固结机理具有重要的意义，也可为与非饱和土固结有关的工程优化设计、施工进度控制提供一定的参考。

对于非饱和土固结性状的研究，之前申请者及其他学者主要针对最基本情况：大面积瞬时均布加荷；线弹性；有限厚度非饱和土层展开的，是最基础性的研究。本课题的研究的思路是拟将申请者探索的一种求解方法拓展，去求解更多、更复杂情况下的非饱和土固结的半解析解，基于这些半解析解研究更多、更复杂情况下非饱和土的固结性状，以期为尚不成熟的非饱和土固结性状的研究提供一些参考。.本课题依据原计划研究内容进行了研究，并进行了进一步拓展研究。.研究内容1：关于非饱和土液相和气相渗透系数变化的研究.得到了非饱和土的土水特性与渗透特性的关系，比较了考虑与不考虑渗透系数变化非饱和土固结性状的不同；并进行了进一步拓展研究。①获得了渗透系数变化及不变化对固结的影响（完成）。②并进行了非饱和土固结过程中渗透系数的变化及规律的研究（拓展）。.研究内容2：关于成层线弹性非饱和土地基一维固结问题的研究.对成层线弹性非饱和土地基一维固结问题进行半解析解求解及固结性状分析；未完成（在将非饱和土有限厚度线弹性一维固结问题的研究方法向多层扩展时遇到矩阵过于复杂，无法进行正常的逆变换问题，最终未解决）。但进行了非饱和土一维固结的附加研究。.①探索出了采用引入中间变量法和Laplace变换法得到一维非饱和土固结方程通解的方法，该通解能适用于各类初始条件、边界条件和荷载作用（附加）；②求解了线性加荷下非饱和土一维固结问题的半解析解并进行了固结特性（附加）；③首次得到了瞬时加荷下第三类边界条件下（半透水边界）的非饱和土一维固结问题的半解析解，该解可用于考察砂垫层对一维非饱和土固结特性的影响（附加）。④求解了多种荷载下半透水边界的非饱和土一维固结问题的半解析解，该解可用于考察砂垫层对一维非饱和土固结特性的影响（附加）.研究内容3：关于非饱和土砂井固结的研究.求解了线弹性非饱和土砂井地基固结问题的半解析解及固结特性分析；并进行了进一步拓展研究。①在理想砂井的基础上考虑涂抹区土体渗透系数的变化，对比分析了径向渗透系数线性变化，涂抹区渗透系数的变化对超孔隙水、气压力消散规律的影响。（完成并拓展）②同时考虑竖向渗流和径向渗流，对瞬时均布荷载作用下非饱和土砂井固结进行了研究（附加）.研究内容4：关于粘弹性非饱和土固结的研究.对粘弹性非饱和地基的一维固结问题进行半解析解求解及固结性状分析。完成并进行了进一步拓展研究。①获得