[发明专利]一种考虑土体非达西固结的单桩竖向承载时变效应计算方法

权利要求书

1.一种考虑土体非达西固结的单桩竖向承载时变效应计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：根据非达西流动定律建立一维固结平衡微分方程，通过差分格式离散方程，获得固结偏微分方程的差分形式；

步骤2：引入不同排水条件下初始边界条件和成层土交界面处渗流连续条件，求解方程获得土体的超孔隙水压力、渗透系数、固结系数、孔隙比解答；

步骤3：由孔隙比的变化计算出固结过程中每一时刻桩侧土体沉降，并通过超孔隙水压力的变化计算土体有效应力以及土体平均固结度；

步骤4：引入桩土界面荷载传递曲线，结合桩身轴力位移平衡方程和桩侧摩阻力平衡方程，加入桩端边界条件，通过假定桩顶变形迭代求解获得桩周土体固结过程中桩身变形、轴力、桩侧负摩阻力的分布情况。

2.根据权利要求1所述一种考虑土体非达西固结的单桩竖向承载时变效应计算方法，其特征在于，所述步骤1具体步骤如下：

步骤1.1：在较低水力梯度情况下，土体孔隙水流动遵守非达西流动准则，流速与水力梯度呈非线性关系，当水力梯度超过一定界限值呈现线性关系，孔隙水的流速与水力梯度的关系具体如下式所述：

式中：为水力梯度；i₀＝i_c(n-1)/n，为临界水力梯度；i_c为启动压力梯度；n和α为非达西定律的拟合参数，其中，α＝i_c^(1-n)/n；v为流体通过土体介质的流速；当上式中α和n等于1时，非达西流动法则就退化为达西定律；

步骤1.2：当土层受到地表堆载q作用时，土体微单元中水的流入和流出沿z轴单方向流动，x和y方向单位渗流量为零，土体单元水的流出量与流入量差值等于土体单元体积变化率，存在等式：

孔隙水流量差：

土体单元体积变化率为：

式中：γ_w为水的重度；u为超孔隙水压力；k为土体的渗透系数；a_v为土体压缩系数；e为土体的孔隙比；

结合等式可以获得固结偏微分方程：

式中：固结系数

3.根据权利要求1所述一种考虑土体非达西固结的单桩竖向承载时变效应计算方法，其特征在于，所述步骤2具体步骤如下：

步骤2.1：将土层沿深度划分为M等分，节点编号依次为0,1…M，共M+1个节点，土层微段厚度为h＝H/M，时间划分为N等分，时间编号依次为0,1…N，共N+1个节点，时间步长为Δt＝T/N，采用差分格式对固结偏微分方程进行离散，近似代替各个变量的偏微分形式，把连续问题变为多个方程的离散问题，得到固结控制偏微分方程的差分格式如下：

1)当0≤i_h＜i_c时，孔隙水的流速与水力梯度呈现非线性关系，固结控制偏微分方程的差分格式为：

2)当i_h≥i_c时，孔隙水的流速与水力梯度呈线性关系，固结控制偏微分方程的差分格式为：

式中：u_i,j指固结土层深度方向第i点在时间j时的超孔隙水压力；k_i,j指固结土层深度方向第i点在时间j时的渗透系数；C_vi,j指固结土层深度方向第i点在时间j时的固结系数；

步骤2.2：在求解偏微分方程时初始边界条件分为单面排水和双面排水两种情况，当上表面排水底面不排水时边界条件为：

当上表面排水底面排水时边界条件为：

步骤2.3：成层土计算时两层土之间具有边界连续条件和渗流连续条件；

在土层交界面处超孔压相等：u₁[M][j]＝u₂[0][j]；

考虑渗流连续条件时相邻土层交界面流速相等：

式中：k₁指第一层土体的渗透系数；k₂指相邻第二层土体的渗透系数。