分组排水体起作用时间不同的固结度计算方法与流程

1.本发明涉及岩土工程计算技术领域。更具体地说，本发明涉及分组排水体起作用时间不同的固结度计算方法。


背景技术：

2.在地基尤其是软土地基中打设塑料排水板或砂井作为竖向排水体，并分层分级回填土石方作为荷载预压，使地基土孔隙中的自由水从竖向排水体中排出(即地基土固结)，实现减小土体压缩性并提高土体强度，是软土地基处理的一种常用方法。为了保证每级回填加载时的地基稳定性，往往需要设计这样一种施工顺序：外侧先打设第1组排水体，接着回填土石方作为荷载预压一段时间，待该范围地基固结并提高强度后，内侧再回填并打设第2组排水体，然后再加载预压；在必要的时候设计第3组或更多组分期打设排水体和加载顺序。同时，所设置的多组排水体在断面方向可能不连续布置、类型不同，特别是起作用的时间不同，即存在分组排水体起作用不同的延迟时间。
3.预压排水的程度或孔隙水压力消散的程度称为固结度，一般是随着时间变化的。对于上述复杂组合排水预压断面的地基固结度计算，目前常用的工程软件没有考虑分组排水体起作用的时间不同，不能进行一次性建模并一次性计算，需要通过分次修改模型并分次计算组合完成，计算建模和计算结果的使用极其不便。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供分组排水体起作用时间不同的固结度计算方法，通过计入分组排水体的延迟起作用时间的影响，对需要求取固结度的目标时间t进行修正，得到分组排水体实际计算使用的时间，再以此计算固结度，可将此方法用于计算软件中实现一次性建模一次性计算，大大提高计算效率，并提高计算结果的准确性。
5.为了实现本发明的这些目的和其它优点，提供了分组排水体起作用时间不同的固结度计算方法，包括：步骤一、根据工程建设需要，设定地基排水预压处理横断面的分级加载及加载时间计划，设定横断面方向多组竖向排水体的布置范围及常规参数，并按计划实施，所述常规参数包括后续计算固结度需要的参数；步骤二、根据各组竖向排水体起作用的时间，设定各组竖向排水体的延迟时间，j指竖向排水体的组别号，其中，第一组竖向排水体的延迟时间，后续各组竖向排水体的延迟时间为从第一组竖向排水体起作用的时间起算到该组竖向排水体起作用的时间段；步骤三、根据需要计算固结度的目标时间t以及计算部位所处竖向排水体的延迟时间，修正每级加载独立作用下的固结度计算时间，修正方法如下：
其中，—第i级荷载加载的开始时间；—第i级荷载加载的完成时间，-每级加载独立作用下的固结度计算修正时间；步骤四、将每级加载独立作用下的固结度计算修正时间代入通用固结度计算公式，计算每级加载独立作用下在目标时间t的固结度；之后将每级加载独立作用下在目标时间t的固结度，按每级荷载与总荷载的比值或权重进行修正，累加得到目标时间t的总固结度。
6.优选的是，所述的分组排水体起作用时间不同的固结度计算方法中，所述步骤一中的多组竖向排水体为在横断面方向设置的多组相同或不同类型、同时或不同时起作用的竖向排水体。
7.优选的是，所述的分组排水体起作用时间不同的固结度计算方法中，对于大面积荷载情况下地基中任意深度的单点径向固结度的计算，所述通用固结度计算公式为：；式中：—每级加载逐步施加转换到瞬时施加条件下，时的固结度；z—计算部位深度；h—计算部位所对应的不排水底面到排水顶面的竖向距离；e—欧拉常数；—径向固结时间因素；正整数k= 1,2,3，
···
；计算总固结度的公式为：；式中：—目标时间t时刻分级加载共同作用的总固结度；—第i级附加荷载，当计算加载期间的固结度时，改为，为对应于目标时间t时刻的荷载；m—加载总级数。
8.优选的是，所述的分组排水体起作用时间不同的固结度计算方法中，所述步骤一
中设定的地基排水预压处理横断面的分级加载计划中包含每级荷载大小、几何位置的设定。
9.本发明至少包括以下有益效果：本发明通过计入分组排水体的延迟起作用时间的影响，对需要求取固结度的目标时间t进行修正，得到分组排水体实际计算使用的时间，再以此计算固结度，可将此方法用于计算软件中实现一次性建模一次性计算，大大提高计算效率，并提高计算结果的准确性。
10.本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
11.图1是根据本发明一个实施例的两级加载独立作用下的固结度计算使用的时间的修正原理图；图2是根据本发明一个实施例的两组排水体工程实例断面图；图3是根据本发明一个实施例的工程实例断面加载计划图。
具体实施方式
12.下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
13.一种分组排水体起作用时间不同的固结度计算方法，包括如下步骤：s1：根据工程建设需要，设定地基排水预压处理横断面的分级加载及加载时间计划，包含设定每级荷载大小、几何位置和加载时间，分级荷载大小和加载时间计划如图3所示，设定横断面方向分组竖向排水体(不少于2组)的布置范围（如图2所示）及常规参数（包括后续计算固结度需要的参数，在设置分组排水体时即确定）。其中：(1)设定的分级加载和时间计划，是固结度计算或其计算的基础；(2)分级加载的几何位置和荷载大小也用于计算地基中任意部位的附加荷载；(3)横断面方向分组竖向排水体的布置范围和施工时机，是根据分级加载的几何位置及分级加载地基稳定性等需要设定的；(4)排水体的平面布置形式、两根排水体之间的间距、单根排水体的等效直径等常规参数，用于固结度计算。
14.s2：根据分组排水体起作用的时间，设定分组竖向排水体的特殊参数—延迟时间。其中，最早施工并起作用的第1组排水体起作用时间点为时间轴“0”点，第1组排水体的延迟时间，后续分组排水体的延迟时间(下标j是指排水体的组别号)等于从时间轴“0”点起算到该组排水体起作用的时间段。
15.s3：对处于某个组别排水体影响区域的任意部位，根据需要计算固结度的目标时间t、以及计算部位所处分组竖向排水体起作用的延迟时间，修正得到每级加载独立作用下的固结度计算时间（若计算部位处于第一组排水体范围内，则根据第一组排水体的延迟时间来修正每级加载独立作用下的固结度计算时间，若计算部位处于第二组排水体范围内，则根据第二组排水体的延迟时间来修正每级加载独立作用下的固结度计算时间，其他组类推），修正方法如下：
；上式中：t—需要求取固结度的目标时间；—第j组竖向排水体的延迟时间；—第i级荷载加载的开始时间；—第i级荷载加载的完成时间。
16.需要注意的是，当不考虑延迟时间或者延迟时间为零，即时，上述时间修正公式可以退化或简化为如下常用的不考虑延迟时间的时间修正公式：；s4、计算目标时间的总固结度，分为如下两个小步骤：s41：将得到的修正时间，代入以下每级加载独立作用的通用固结度公式。此处仅列出大面积荷载情况下地基中任意深度的单点径向固结度公式。下列固结度公式可参见谢康和的论文“等应变条件下的砂井地基固结解析理论”（论文出处：岩土工程学报，1989年第11卷第2期）：；上式中：—每级加载逐步施加转换到瞬时施加条件下，计算时刻时的固结度；正整数k= 1,2,3，
···
；z—计算部位深度（从排水面起算）；h—计算部位所对应的不排水底面到排水顶面的竖向距离；幂底e—自然常数，也称欧拉常数，为无限不循环小数，其值约为e≈ 2.718；—径向固结时间因素，可按
«
水运工程地基设计规范
»ꢀ
(jts-147-2017)第7.2.8条计算。时间因素的计算也可以按谢康和(1989年)的论文“等应变条件下的砂井地基固结解析理论”进行。的计算需利用排水体的平面布置形式、两根排水体之间的间距、单根排水体的等效直径、土体和排水体渗透系数等一系列参数，上述参数在设置分组排水体时即确定。
17.本步骤列出的上述单点径向固结度公式，仅为举例用的一种情况的计算公式。对于荷载非大面积、分层平均固结度等其他计算情况，采用本发明所述的修正时间代入相应公式进行计算。
18.s42：对于s41步骤计算得到的每级加载独立作用的固结度，按每级荷载占总荷载的比值或权重修正，累加得到总固结度。分级加载固结度的通用修正方法可按《水运工程地基设计规范》(jts-147-2017)第8.5.10条，公式如下：；上式中：—目标时间t时刻分级加载共同作用的总固结度；—第i级附加荷载(或附加应力)，当计算加载期间的固结度时，应改为，为对应于t时的荷载；m—加载总级数。
19.图1所示为两级加载的情况下，每级加载独立作用下的固结度计算使用的时间的修正原理图。每级荷载大小分别为和。和是需要计算固结度的任意目标时间。在时刻，考虑延迟时间的影响，第1级荷载独立作用的固结度计算时间为，第2级荷载独立作用的固结度计算时间为；对于时刻的符号表达意义相同。
20.对于图2的工程实例，描述如下：图3中：
“①”
、
“②”
和
“③”
表示砂土或其他材料堆填体及其相应的施工顺序号；“排水体1”和“排水体2”表示两组竖向排水体及其对应的布置范围，即在相应区域中示意的两组竖直线段，排水体用于排除土体中的孔隙水；
“”
表示处于“排水体1”范围内无延迟固结的土体区块，
“”
表示处于“排水体2”范围内有延迟固结的土体区块。
21.图2总体表达的是：在原状地基上，回填
①
~
③
等砂土或其他材料，利用这些材料的重力挤压土体及排水体的排水作用，使土体固结。
22.图2中堆填体
“①
~
③”
的施工计划见图3。图3中：(1)第1级加载
“①”
的加载开始和结束时间分别为、；(2)第2级加载
“②”
的加载开始和结束时间分别为，；(3)第3级加载
“③”
的加载开始和结束时间分别为，（此处符号下标代表加载级、上标1代表加载开始时间、上标2代表加载完成时间）；(4)两级加载之间的间隔时间为静压时间，例如，第1级加载和第2级加载之间的静压时间为30-1 = 29天，其他依此类推。
23.图2和图3中：堆填体
“①”
施工后形成“排水体1”的工作面，打设“排水体1”，此时“排水体1”开始起作用，即对应图3加载计划的“0”天开始起作用。
24.图2和图3中：在堆填体
“①”
和“排水体1”的作用下静压29天，土体发生固结并提高强度，根据此时的固结度和强度提高情况计算的地基稳定性满足规范要求，施加堆填体
“②”
。
25.图2和图3中：在堆填体
“①”
、堆填体
“②”
及“排水体1”的作用下静压15天，土体发生固结并提高强度，根据此时的固结度和强度提高情况计算的地基稳定性满足规范要求，施加堆填体
“③”
。
26.图2和图3中：堆填体
“①
~
③”
和“排水体1~2”共同作用下，继续静压，根据固结度及其他计算需要的时间，确定静压结束的时间，进行后续其他工序。
27.图2和图3中：“排水体2”是在填砂
“③”
施工形成工作面之后实施的，也即对应图3加载计划的第47天开始实施；“排水体2”比“排水体1”延迟47天起作用。
28.两组排水体起作用时间不同的固结度计算方法，包括如下步骤：步骤s1：根据工程建设需要，设定地基排水预压处理横断面分级加载和分组竖向排水体的布置范围如图2，分级荷载大小和加载时间计划如图3。排水体的平面布置形式、两根排水体之间的间距、单根排水体的等效直径、排水体渗透系数等参数在设置分组排水体时即确定；土体渗透系数等参数在设计之前的地质勘察阶段已获得。
29.步骤s2：设定各组竖向排水体的延迟时间。最早施工并起作用的“排水体1”的延迟时间，后施工的“排水体2”的延迟时间天。
30.步骤s3：对于需要计算固结度的目标时间t，修正得到每级加载独立作用下的固结度计算时间，修正方法如下：；图2和图3中的数据：(1)，；，；，；，。以目标计算时间t= 31天、t= 53天为例，在计算无延迟固结的
“”
土体区块、有延迟固结的
“”
土体区块的固结度时，每级加载独立作用的修正时间的结果见表1和表2。
31.表1
ꢀ“”
土体区块，修正时间的结果表2
ꢀ“”
土体区块，修正时间的结果
为了对比考虑延迟时间即和不考虑延迟时间即对固结度计算结果的影响，选取图2中处于有延迟固结的区块内的a点作为计算部位。(1)、计算部位深度z与不排水底面到排水顶面的竖向距离h的比值为z/h=2/3；(2)、根据图2和图3分级加载的位置和大小，通过附加应力计算得a点的、、，总荷载；(3)、根据排水体参数和土体参数，按《水运工程地基设计规范》(jts-147-2017)第7.2.8条计算径向固结时间因素得。时间因素的计算也可以按谢康和的论文“等应变条件下的砂井地基固结解析理论”进行（论文出处：岩土工程学报，1989年第11卷第2期）；(4)、目标计算时间t= 75天，按实际应考虑延迟时间修正时间结果见表3。
32.表3考虑延迟和不考虑延迟时间修正时间的结果步骤s4：计算目标时间的总固结度，分为两个小步骤。
33.步骤s41：将得到的修正时间，代入以下通用固结度公式，计算每级加载独立作用下在目标时间的固结度：。
34.步骤s42：按每级荷载占总荷载的比值进行修正，累加得到总固结度，分级加载固结度修正的通用公式如下：。
35.按照以上数据和方法步骤，图2中a点t= 75天的计算结果为：考虑延迟时间即的总固结度为，不考虑延迟时间即的总固结度为。而现场通过孔隙水压力观测推算的实测固结度为41.3%。
36.从上述计算结果可见：考虑“排水体2”延迟时间即影响计算的固结度与实测值相对偏差为（43.8-41.3）/41.3 = 6%；不考虑“排水体2”延迟时间影响即的固结度与实测值相对偏差为（55.4-41.3）/41.3 = 34%。不考虑“排水体2”延迟时间影响的计算结果偏差过大，不符合工程实际；考虑“排水体2”延迟时间影响的计算结果更接近实际。
37.现有的常用工程软件，如果采用一次性建模，对所述案例一次性计算得到的是不考虑“排水体2”的延迟影响即的错误结果。本发明可作为软件算法，有效解决这类组合断面一次性建模计算问题。
38.若存在第3组或更多组不同时间起作用的排水体，计算各组排水体影响范围内土
体区块在任意目标时间t的固结度时，每级加载独立作用下的时间修正及固结度计算按以上步骤类推进行。只需根据目标时间t、第j组竖向排水体的延迟时间、第i级荷载加载的开始时间、第i级荷载加载的完成时间的大小关系，按本发明时间修正公式修正目标时间t得到修正时间，再代入固结度通用计算公式即可。
39.尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

技术特征：
1.分组排水体起作用时间不同的固结度计算方法，其特征在于，包括：步骤一、根据工程建设需要，设定地基排水预压处理横断面的分级加载及加载时间计划，设定横断面方向多组竖向排水体的布置范围及常规参数，并按计划实施，所述常规参数包括后续计算固结度需要的参数；步骤二、根据各组竖向排水体起作用的时间，设定各组竖向排水体的延迟时间，j 指竖向排水体的组别号，其中，第一组竖向排水体的延迟时间，后续各组竖向排水体的延迟时间为从第一组竖向排水体起作用的时间起算到该组竖向排水体起作用的时间段；步骤三、根据需要计算固结度的目标时间t以及计算部位所处竖向排水体的延迟时间，修正每级加载独立作用下的固结度计算时间，修正方法如下：其中，—第i级荷载加载的开始时间；—第i级荷载加载的完成时间，-每级加载独立作用下的固结度计算修正时间；步骤四、将每级加载独立作用下的固结度计算修正时间代入通用固结度计算公式，计算每级加载独立作用下在目标时间t的固结度；之后将每级加载独立作用下在目标时间t的固结度，按每级荷载与总荷载的比值或权重进行修正，累加得到目标时间t的总固结度。2.如权利要求1所述的分组排水体起作用时间不同的固结度计算方法，其特征在于，所述步骤一中的多组竖向排水体为在横断面方向设置的多组相同或不同类型、同时或不同时起作用的竖向排水体。3.如权利要求1所述的分组排水体起作用时间不同的固结度计算方法，其特征在于，对于大面积荷载情况下地基中任意深度的单点径向固结度的计算，所述通用固结度计算公式为：；式中：—每级加载逐步施加转换到瞬时施加条件下，时的固结度；z —计算部位
深度；h —计算部位所对应的不排水底面到排水顶面的竖向距离；e —欧拉常数；—径向固结时间因素；正整数k = 1,2,3，
···
；计算总固结度的公式为：；式中：—目标时间t时刻分级加载共同作用的总固结度；—第i级附加荷载，当计算加载期间的固结度时，改为，为对应于目标时间t时刻的荷载；m—加载总级数。4.如权利要求1所述的分组排水体起作用时间不同的固结度计算方法，其特征在于，所述步骤一中设定的地基排水预压处理横断面的分级加载计划中包含每级荷载大小、几何位置的设定。

技术总结
本发明公开了分组排水体起作用时间不同的固结度计算方法，包括：设定地基排水预压处理横断面的分级加载及加载时间计划，设定横断面方向多组竖向排水体的布置范围及常规参数；根据各组竖向排水体起作用的时间，设定各组竖向排水体的延迟时间；根据需要计算固结度的目标时间t以及计算部位所处各组竖向排水体的，修正每级加载独立作用下的固结度计算时间；将代入通用固结度计算公式，计算每级加载独立作用下在目标时间t的固结度，之后将每级加载独立作用下的固结度，按每级荷载与总荷载的比值或权重进行修正，累加得到目标时间t的总固结度。本发明能大大提高分期打设排水体的组合断面地基固结度计算的效率和准确性。体的组合断面地基固结度计算的效率和准确性。体的组合断面地基固结度计算的效率和准确性。


技术研发人员：王四根 林佑高 陈良志 覃杰 李建宇 唐群艳 何洪涛 伍琪琳 张轩
受保护的技术使用者：中交第四航务工程勘察设计院有限公司
技术研发日：2023.06.29
技术公布日：2023/8/6