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GeoStudio排水固结沉降分析解决方案

2020-05-08 00:00:00 admin 39

关键词:数值模拟、排水固结、GeoStudio、渗透率、中仿

 

本文以曼谷机场的地形举例,曼谷机场位于潮湿地区,在2米的地表超固结地壳下有大约10米的软粘土。硬粘土,延伸至20至24米的深度,是软粘土的基础。为便于分析,将底土划分为三层,忽略下部的硬粘土。

构建了三个PVD(预制垂直排水管)间距不同的试验堤防方案,但本文只讨论排水间距为1.5米情况。PVD排水管的安装深度为12米。筑堤高度4.2米,边坡3H:1V。

工地上放置了1米后的砂垫层作为施工工作垫层,排水管安装在砂垫层上。据推测,砂层也包括在内,以确保不会在路堤底部积聚过多的孔隙水压力,并排出从粘土中挤出的水。

砂层在模型中不作为一个单独的材料,通过指定沿地面的零压力边界条件,可以模拟砂土的作用,其物理含义是,不会在地表形成正的孔隙水压力。任何到达地表的水都有机会以某种方式通过沙子消失;边界条件模拟了这种效果。这比在模型中包含沙层要简单的多,并且实现了相同的目标。

软粘土层应用修正的剑桥本构模型,参数可以在中仿GeoStudio软件数据文件中查看,粘土基本上是正常的,只是稍微有点超固结。超固结的程度似乎随着深度而有所不同。为了便于说明,本文将粘土超固结比设定为1.5。同时对于非常软粘土和软粘土,Lambda和Kappa值是相同的,使得沉降值更接近测量值。

风化的表层粘土具有较强的固结性,因此,可以将其视为线性弹性层,使用线性-弹性本构关系也有助于保持应力接近零的地表附近的数值收敛。

将填砂体视为软线弹性材料,将土参数视为总应力参数。这样就避免了处理填充体中的孔隙水压力。我们主要针对使用填充作为负载的方法,砂土的实际应力应变相应并不十分重要,因此这些简化的假设也是可以接收的。

在这样的分析中,最关键的参数是水力传导率(渗透率系数)。根据沉积过程的性质,渗透率可以有很大的变化。此外,分层往往使渗透率在水平方向略高于垂直方向。而且,排水管的插入扰乱了排水管周围的土壤,改变了渗透率,扰动区通常称为涂抹区。

 

基于上述的案例背景,中仿岩土工程师利用GeoStudio软件来展示二维平面应变分析中如何调整渗透率、如何评估涂抹区厚度和渗透率、以及如何建立排水管的大小,进而对排水固结沉降等问题进行详细分析和仿真。

 

水流主要是水平流向排水管的,因此,大多数讨论集中在水平渗透率(Kx)上,在中仿GeoStudio软件中,垂直渗透率(Ky)与水平渗透率成比例,由于很少有或这没有垂直流动,显得不那么重要。

二维分析中排水管的等效厚度(dw):

 

a是排水管的厚度,b是宽度。因此,对于一个4毫米厚、100毫米宽的典型排水管,二维模型的厚度是66毫米,即0.06米。在中仿GeoStudio软件中,可以用0.06米厚的接口单元表示排水管。

从轴对称到平面应变渗透率转换的最简单形式:

 

 

n是排水管间距和等效排水厚度的比值,排水管间距为1.5m,等效排水厚度为0.06m,则n为25。平面应变渗透率大约是相应轴对称水平渗透率的27%。这样,在不考虑井阻作用和涂抹区效应时,很容易指出,平面应变渗透率大约是相应轴对称渗透率的四分之一。

Indraratna and Redana (2000)认为,排水管周围涂抹区半径通常是芯棒等效半径的5倍。对于45mm厚125mm宽的芯棒,等效半径为55mm。涂抹区的半径为270mm。对于二维分析,涂抹区厚度为0.54m。

Indraratna and Redana (2000)提出了一个估算涂抹区渗透率的方程,该方程涉及不同的尺寸比和电导率比。细节请查看文献。一般规律是,水平涂抹区渗透率约为水平平面应变渗透率的10%。Indraratna and Redana (2000)提出的案例中,这一比例在8-16%之间。换句话说,由于插入排水管而引起的干扰,使涂抹区渗透率降低大约一个数量级。

在层流系统中,渗流性较差的层可以迅速控制水头损失,进而控制流动行为。简单分层系统如图,其中每一段长度为1m。左端总水头为10m,右端总水头为1m,左边总水头使右边的10倍。整个系统的水头损失分布如图。注意,大部分的水头损失发生在渗透率较差的材料中,而梯度在渗透率差的材料中要高的多。换句话说,右边的低渗透率材料基本上控制了流动。

 

  

中仿技术工程师通过GeoStudio软件处理获得

 

对于这样的分层系统,其等效渗透率可以通过如下计算:

 

如,d1为1m,d2为1m,k1为10m/s,k2为1m/s。那么混合的等效K为1.818m/s。我们可以用这些信息表示原生粘土的渗透率和涂抹区,而不是用两个单独的区域创建单独的几何区域。这使得数值模拟更加容易。

 

我们分析的含义是,排水管周围的涂抹区控制了多余孔隙水压力的消散,进而控制了固结速率。

 

Indraratna and Redana (2000)给出了他们分析中使用的渗透率表。1.5m排水管间距,渗透率如表,渗透率单位换算为了m/天。混合K的计算,基于1.5m的排水管间距和0.54m厚的涂抹区。出于讨论和理解的目的,值得注意的是,深层软粘土的渗透率比上部风化粘土低一个数量级。

 

 

随着土体的压缩和孔隙率的降低,软土的渗透率会发生显著的变化。在中仿GeoStudio软件中有一种机制,当有效应力增加时,渗透率可以随着超孔隙水压力的消散而调整。这是一种间接方法,随孔隙率的降低以调整渗透率的变化。

定义渗透率调整的一种方法来自于里程表的测试结果。渗透率可以为如下里程表测试中的每个负载增量计算。各荷载增量上实测的有效应力和孔隙率的变化可用于确定压缩系数:

 

 

平均垂直有效应力:

 

对于每一个荷载增量,都有一个孔隙率与时间的关系图,可用来确定固结系数(Cv)。一旦这些值已知,可以计算渗透率:

 

通过这种方法,K可以通过平均垂直有效应力和每个荷载增量来确定。在中仿GeoStudio软件中,可以输入这些数据来创建如下曲线。

 

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从本质上,这张图表明,由指定的水力传导函数得到,渗透率随着有效应力的增加而降低。对于这个图,渗透率会随着垂直应力从10kpa增加到100kpa而减小一个数量级。修正值1表示测量和定义渗透率时的平均有效应力状态。

从建模的角度来看,在这种情况下,最好从分析一个单元开始。它使建模过程在解决关键问题时更容易管理。首先,我们看一个单元。

如图显示了一个1.5m排水间距的单元。排水管在单元中间。 

在这种情况下,我们将该排水管视为“完美”排水管,即该排水管不存在水头损失或井阻。我们使用一个指定的边界条件来模拟这种情况,使边界条件为总水头等于12m,则压力分布在任何时候都使完全静流体力学。

回想一下,当我们指定一个节点的水头或压力时,有限元分析将计算该点的通量。所以在排水管处指定一个水头意味着水流从这些节点的系统中流出。这与真实物理过程不符,但从数值上,它相当于从排水管的顶部流出的水,在那里,水流不会造成水头损失。 

顶部的孔隙水压力设置为零,表示地表的地下水位。根据上述推理,我们可以确定土壤的混合渗透率。

路基荷载可以采用压力型边界条件。在孔隙水压力允许消散的情况下,加载时间较长且不增加,而且时间可以在图标的最后300天以后运行。简单意味着,没有荷载,但孔隙水压力可以计算消散,分析持续到400天。

 

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计算得到的地表沉降如图,总沉降量越0.85m。现场实测固结400天后沉降约为1m。这表明单元模型是对实际场地条件的合理表达。

 

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另一个重要的观察结果是,最大压缩发生在非常软的土中,在0.85m的沉降中,大约90%发生在非常软的粘土中。地表超固结地壳很少发生挤压。

 

排水管自身实际上可以用所谓的接口单元模拟,排水管由具有自身特性的特殊有限元所包含。在这种情况下,下水稻又是被称为井。

 

在这个分析中,排水管(界面)被赋予了与周围土壤相同的力学性能。排水管的力学刚度对排水管的性能没有影响。井阻可以用等效水力传导率来模拟。非常高的值一维这很小或者没有井阻,低值一维这一些阻力。

 

 

这只是个粗略的估计,给我们一个关于排水管适当等效K的感念。决定尝试一下让K等于1m/天,看看是否产生排水管中水头的聚集。注意,现在没有像前面例子中那样,沿着排水管长度方向应用边界条件。

 

结果与讨论

下图显示在第250天,孔隙水压力最高的时候,井中存在多余的水头。井底多余的水头职于0.5m左右。同时,计算得到的地表沉降与理想排水情况基本一致。这表明,在1m/天的K值下,井阻不是影响因素。

 

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如果我们将排水管的K值降低一个数量级至0.1m/天,那么剩余水头分布如图。现在井底大约由3.5m的生于水头,总沉降量约为0.67m,而在完全排水的情况下,沉降量为0.85m。换句话说,井阻影响孔隙水压力的消散和沉降。

很难准确的量化井阻,特别是在排水管损坏或部分堵塞的情况下。这里描述的程序至少使我们由可能研究排水管中流动阻力的影响。

另一个重要的观察结果是,如果我们假设没有井阻,那么我们就可以用边界条件来模拟排水。这极大地简化了建模,特别是对于二维域的情况。

如果我们现在在二维场模型中使用与单元分析相同的属性,那么表面沉降坡面如图,路基中心线一i西安总沉降量值为1.2m。这比单胞分析计算的0.85m稍高,造成这种差异的确切原因并不完全清楚。分析之间的区别是荷载。模拟实际的填充位置会得到与单胞分析不同的加载模式,当然有一些二维的效果也会有影响。二维和单胞的结果非常相近,可以通过单胞分析得到沉降的良好图像。沉降1.2m与现场实测值较为接近。

 

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下图显示了400天结束时的变形,以1:1的比例作为变形网格。这提供了整个沉降点的情况。

 

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