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土力學(xué)原理解析:一文解讀比奧固結(jié)理論

發(fā)布日期:
2024-02-26
摘要

太沙基固結(jié)理論和比奧固結(jié)理論是目前zui常用的兩種固結(jié)理論,眾多學(xué)者從理論構(gòu)架、數(shù)值模擬、試驗分析等方面對這兩種固結(jié)理論進(jìn)行了深人的剖析。太沙基固結(jié)理論優(yōu)點(diǎn)是求解方便,且其一維固結(jié)理論已被廣泛應(yīng)用于地基固結(jié)度的計算與預(yù)測,積累了豐富的工程應(yīng)用經(jīng)驗。

比奧固結(jié)理論

太沙基固結(jié)理論和比奧固結(jié)理論是目前zui常用的兩種固結(jié)理論,眾多學(xué)者從理論構(gòu)架、數(shù)值模擬、試驗分析等方面對這兩種固結(jié)理論進(jìn)行了深人的剖析。

太沙基固結(jié)理論優(yōu)點(diǎn)是求解方便,且其一維固結(jié)理論已被廣泛應(yīng)用于地基固結(jié)度的計算與預(yù)測,積累了豐富的工程應(yīng)用經(jīng)驗。

但在三維條件下,因其假設(shè)了三個正交方向正應(yīng)力之和不隨時間變化,與實際矛盾,使得所求解并不jing確。

而比奧固結(jié)理論則對其進(jìn)行了改進(jìn),避免了此種有缺陷的假設(shè)。但比奧固結(jié)理論增加求解jing確性的同時亦增加了未知參數(shù)、提高了求解難度,使得該理論難以完全解析,在實踐中應(yīng)用較為困難。

由此可見,兩種固結(jié)理論各有優(yōu)勢和不足。


比奧固結(jié)方程的基本框架是相當(dāng)清晰明了的,方程建立首先基于一般彈塑性力學(xué)的平衡、幾何和物理三大方程假設(shè)(如式6-12、6-13、6-14所示)。應(yīng)該可以看到這個架構(gòu)和太沙基思想略有不同,其建模本身并沒有顯示出為解決固結(jié)排水而專設(shè)的特色。?

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其中,式(6-12)為平衡方程,式(6-13)為幾何方程,式(6-14)為物理方程。

對于這些方程,人們能夠加以改造亦或創(chuàng)新的程度是不同的,這是學(xué)者們在解決相關(guān)問題和獲得求解問題便捷性時需注意的一點(diǎn)。

具體而言,作為平衡方程的式(6-12),其實是一個萬neng定律,人們無法改變,但是在有水存在的條件下,應(yīng)將總應(yīng)力表示成為有效應(yīng)力和孔壓的組合形式(這樣所謂平衡的受力對象依然是土體而不是土粒,請務(wù)必注意這個問題);

對于幾何方程式(6-13),比奧方程一般只是取了一階偏導(dǎo),這說明只有在小應(yīng)變下才能適用;


而剩下的物理方程(或者在彈塑性力學(xué)中稱之謂本構(gòu)方程),例如式(6-14)反映的廣義虎克定律(這是目前zui為常用的比奧固結(jié)方程本構(gòu)方程),則是三大方程中受經(jīng)驗因素(或者說人為因素)影響zui大,成為求解問題變數(shù)zui大的核心所在。


比奧方程,在干土中也可以適用。而當(dāng)有孔隙水壓力存在時,即便不考慮未知的水平向位移應(yīng)力分量的個數(shù)(僅計算豎向變形分量),方程數(shù)仍明顯少于未知參數(shù),這導(dǎo)致即使是線性方程組都難以求解,更不用說這是一組令人頭疼的偏微分方程了。

因此真要從比奧法思路解決固結(jié)問題,除了式(6-12)、式(6-13)、式(6-14)以外,還要根據(jù)水流量變化,從引起試樣體變這樣一個物質(zhì)守恒的角度,引入式(6-15)的表達(dá)式,即所謂連續(xù)性方程:?

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上述架構(gòu)在一定的本構(gòu)理論框架(比如線彈性環(huán)境)中是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?,然而用這種方法仍難得到可操作性的解答。因此人們就想到用變通的方式來求解,zui直接的思路就是理清這些方程為誰而設(shè)——即使是zui一般的三維條件,針對固結(jié)問題,也并非要求解所有分量,人們zui想了解的就是孔壓消散過程,并用其去求解固結(jié)度(雖然現(xiàn)實中壓縮模量不恒定情況下,應(yīng)變固結(jié)度與孔壓固結(jié)度并不統(tǒng)但較之應(yīng)變,孔壓更容易求解,并且當(dāng)壓縮模量能夠被假設(shè)為常數(shù)時,孔壓固結(jié)度應(yīng)與位移(應(yīng)變)固結(jié)度一致)。


為了求解孔壓,在三維條件下,可通過建立一個體變的物理方程或相關(guān)變體,作為體積變化與孔壓變化聯(lián)系的紐帶,因此便很自然地想到把三個正應(yīng)變求解的物理方程疊加,得到式(6-16):

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這便是當(dāng)前運(yùn)用比奧固結(jié)法求解孔壓時,所采用的較為實用的方程式。

而式(6-16)也正是太沙基三維固結(jié)理論所用到的物理方程。也許站在今天的視角,有人會認(rèn)為太沙基法只是比奧方法的一種重組形式。


但從歷史進(jìn)程來看,太沙基固結(jié)理論先于比奧固結(jié)理論,他是一步到位地提出了(6-16)這個方程,這也體現(xiàn)了一切太沙基方法所帶有的鮮明烙印——在太沙基的理念中,工程問題的解答不能只是提出ji難求解的方程,而讓大家去欣賞數(shù)學(xué)之美;確保在理論性與實踐性取得平衡的條件下,一針見血地解決實際問題的主要矛盾才是追求的至上目標(biāo)。


當(dāng)今比奧固結(jié)方程雖然已經(jīng)被奉為小變形固結(jié)理論計算的圣經(jīng)級公式,但是其在求解中的難度,也使得應(yīng)用者望而卻步。相比而言,太沙基方程求解容易,更有親和力,但其三維條件下的解答也存在不jing確的問題,因此在應(yīng)用中需謹(jǐn)慎選擇。



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