中峰型降雨入渗下地基基质吸力演化规律与承载性能研究

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不同降雨条件下的地基基质吸力分布与大小会发生变化,而不同的基质吸力分布和大小又会影响到地基承载性能的变化。中峰型雨型是常见雨型的一种,现有研究降雨入渗下地基基质吸力与地基承载性能的方法常常需要采用数值模拟或室内试验来进行,但这些方法存在耗时长、成本高等缺点,所以,建立一套可以快速、简便的揭示中峰型降雨入渗下地基基质吸力演化规律和地基极限承载力演化规律的方法,有利于在雨季时评价雨水入渗下地基的承载性能,方便进一步对地基采取防护措施。本文基于雨水入渗理论推导了中峰型降雨入渗下的地基基质吸力解析解,给出了中峰型降雨入渗下的地基极限承载力计算方法,研究了中峰型降雨入渗下地基基质吸力与地基极限承载力的演化规律,主要内容和结论如下:(1)中峰型降雨条件下均质地基基质吸力解析解的推导与考证。建立了引入合理假定的降雨入渗下的均质地基模型,结合中峰型降雨特征,确定了中峰型降雨入渗下地基的初始条件与边界条件,基于非饱和渗流控制方程与Gardner模型中的土水特征曲线、渗透系数函数,用非齐次微分方程求解法与拉普拉斯正逆变化推导了中峰型降雨入渗下的地基基质吸力解析解。通过Geo-Studio软件对解析解的正确性进行了验证,结果表明解析解与数值解最大相对误差在5%以内,基质吸力随时间变化规律完全一致,证明推导出的解析解结果合理可靠。(2)中峰型降雨条件下均质地基极限承载力的计算方法。由推导出的中峰型降雨入渗下地基基质吸力解析解确定降雨入渗过程基质吸力分布,求得基底下方1.5倍基础宽度应力球范围内平均基质吸力并嵌入太沙基条形地基非饱和地基极限承载力计算公式,进而给出了计算中峰型降雨入渗过程地基极限承载力的计算方法。(3)中峰型降雨条件下均质地基基质吸力与地基极限承载力的演化规律研究。基于推导出的中峰型降雨入渗下地基基质吸力解析解与地基承载力计算方法,对比分析了中峰型雨型与其他三种雨型(均匀型、前峰型、后峰型)降雨入渗下地基基质吸力与地基极限承载力演化规律,研究了中峰型雨型降雨入渗不同地下水位的地基基质吸力与地基极限承载力的演化规律,结果表明:1)中峰型雨型下峰值前的基质吸力演化规律与后峰型降雨下基质吸力演化规律类似,峰值后的基质吸力演化规律类似于前峰型。2)四种降雨型式的降雨量相同,在降雨历时6h~12内,中峰型降雨入渗下的地基基质吸力减小速度最大,在降雨时刻18h,中峰型降雨入渗下的地基极限承载力是四种雨型中最低。3)对于不同地下水位的地基在中峰型降雨入渗下的基质吸力演化规律大致相同,在降雨过程中地下水位不发生变化的情况下,地下水位离地表越近,地基整体基质吸力越小,地基极限承载力越小,地表处的基质吸力与土层深部的基质吸力的变化差异性越小,降雨后期地基承载力的回升越明显。(4)不同中峰型降雨条件下地基基质吸力与极限承载力演化规律对比研究。利用中峰型降雨入渗下地基基质吸力解析解与极限承载力计算方法分析了不同中峰型降雨条件下的地基基质吸力和地基极限承载力演化规律。结果表明:1)降雨量相同、降雨历时相同,峰值时刻位于降雨总历时中间时刻之后时,存在某一峰值时刻的降雨情况使得中峰型降雨入渗下地基基质吸力减小值最大而回升能力相对较小。2)在降雨过程中,地基极限承载力减小速度最大的时刻出现在峰值之后。3)降雨总量相同,峰值时刻均位于降雨总历时的中间时刻情况下,降雨历时与峰值雨强会共同影响地基承载性能。4)降雨历时相同,峰值时刻都位于降雨总历时中间时刻情况下,降雨量越大即峰值雨强越大,其地基极限承载力越小。
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