1.本发明涉及电力工程
技术领域：
：，具体而言，涉及一种电网建设大面积堆填地基的非线性固结分析方法。
背景技术：
：：2.近年来，国内外电网建设项目快速发展，受地域特点及条件等各种因素制约，电网建设场地大多数不得不经过大面积堆填(熊大伟，2003；贺广零等，2008)，尤其是南方低洼地区更需要大面积堆填，以此来保障场地平整和防范洪涝灾害。3.同时，随着我国大规模城市建设开发，会产生大量的工程渣土和建筑垃圾，据相关统计我国工程渣土和建筑垃圾年产生量约为20亿吨(余松霖等，2020)；传统的填埋处理方法不仅占用大量土地，而且会带来环境污染和安全风险(zhan等，2018)；若电网建设利用工程渣土和建筑垃圾来进行大面积堆填，这样即做到解决了工程渣土的堆填问题，又可以给电网建设节约大量填方的成本，一举两得；然而大面积堆填工程渣土的地基固结性状对于电网建设的影响较大，若是不够重视，严重的甚至会威胁电网系统的稳定，给国家和社会带来重大损失。4.目前，对于堆填地基的固结分析方法大多数是将土内大小空隙视为一种孔隙结构，来研究相应的固结性状(谢康和等，2003；李传勋，2012；刘忠玉等，2019)；然而由工程渣土组成的回填材料，其工程特性复杂，通常形状呈现为大小不一的块状土体(等，2005；余松霖等，2020)，若将工程渣土中大小不一的空隙视为一种孔隙结构，则与实际情况有较大出入。因此，将电网项目立于这种大面积堆填工程渣土的填方区，预测和计算其地基的固结性状还是一个较大的难题和挑战。5.本发明的内容是，根据室内试验和现场实际情况，采用两种孔隙结构来描述工程渣土，利用力学的基本原理，推导含有两种孔隙结构的工程渣土的固结耦合方程，并利用有限单元法来进行数值求解，最终对工程渣土的固结性状进行分析，给电网建设提供相关参考。6.参考文献7.[1]熊大伟.强夯法加固新回填粘土地基的质量缺陷处理方法[j].电力建设,2003,24(6):21-21.[0008][2]贺广零,李倩妹,洪芳,等.基于反演法的山区变电站高填方地基沉降分析[j].地下空间与工程学报,2008,4(5):6.[0009][3]余松霖,柯瀚,詹良通,等.工程渣土的工程特性及矿坑填埋场的工后沉降和容量分析[j].浙江大学学报(工学版),2020,54(12):2364-2376+2385.[0010][4]zhanlt,zhangz,chenym,etal.the2015shenzhencatastrophiclandslideinaconstructionwastedump:reconstitutionofdumpstructureandfailuremechanismsviageotechnicalinvestigations[j].engineeringgeology,2018,238:15-26.[0011][5]谢康和,郑辉,李冰河,等.变荷载下成层地基一维非线性固结分析[j].浙江大学学报：工学版,2003,37(4):6.[0012][6]李传勋.基于非线性渗流定律的软土一维固结理论研究[d].浙江大学,2012.[0013][7]刘忠玉,宁秉正,夏洋洋,等.考虑变渗透系数的饱和黏土一维流变固结分析[j].工程地质学报,2019,27(6):10.[0014][8]d,herbstováv,j.propertiesofdoubleporosityclayfillsandsuitableconstitutivemodels[j].proceedingsofthe16thinternationalconferenceicsmge,osaka,japan,2005,827-830.[0015][9]黄筑平.连续介质力学基础(第2版)[m].北京:高等教育出版社,2012:83-121.[0016][10]bowenrm.混合物理论[m].许慧己,译.南京:江苏科学技术出版社,1983:1-50.[0017][11]胡亚元,王啊强.饱和孔隙-裂隙黏土双层地基的一维固结分析[j].上海交通大学学报,2022,56(4):11.[0018][12]khalilin,valliappans.unifiedtheoryofflowanddeformationindoubleporousmedia[j].europeanjournalofmechanics-a/solids,1996,15.[0019][13]张玉军,张维庆.一种双重孔隙介质水-应力耦合模型及其有限元分析[j].岩土工程学报,2010,32(03):325-329.[0020][14]王勖成.有限单元法[m].北京:清华大学出版社,2003.技术实现要素：[0021]本发明的目的是为了解决上述
背景技术：
：的不足，针对位于南方低洼地区大面积堆填工程渣土的电网建设项目，提供一种非线性固结的分析方法，以此来预测该工程渣土地基的固结性状，给电网建设提供相关参考。[0022]为实现上述目的，本发明提出了一种电网建设大面积堆填地基的非线性固结分析方法，包括以下步骤：[0023]步骤1、将工程渣土在堆填后其内部大小不一的空隙视为两种孔隙结构，对其进行分类，并据此将工程渣土的组成分为三相物质；[0024]所述工程渣土的孔隙结构分为：一、块状土间的裂隙，即大孔隙；二、块状土中的孔隙，即小孔隙；所述三相物质分别为：固相、块状土中的孔隙流相、块状土间的裂隙流相；[0025]步骤2、在实际电网建设工程中，对于地基的固结主要考虑的是z方向的变形，因此在竖向方向可将工程渣土的总竖向应变εsz分解为裂隙骨架竖向应变εhz、孔隙骨架竖向应变εdz和固相基质竖向应变之和：[0026]步骤3、根据连续介质力学和混合物理论，推导出工程渣土的质量守恒方程和动量守恒方程，然后进一步推导得出工程渣土的能量平衡方程，所述工程渣土在z方向的能量平衡方程为：[0027][0028]上式(2)中，ξ为工程渣土的总内能；为裂隙有效应力；σz为竖向总应力；pf为裂隙孔压；εhz为裂隙骨架的竖向应变；为块状土在工程渣土的体积分数；为孔隙有效应力；σrz为块状土受的竖向应力；pp为孔隙孔压；εdz为孔隙骨架的竖向应变；为固相在工程渣土的体积分数；psz为固相受的竖向应力；为固相基质的竖向应变，即土颗粒的竖向应变；为裂隙流相在工程渣土的体积分数；为裂隙流相基质的竖向应变；为孔隙流相在工程渣土的体积分数；为孔隙流相基质的竖向应变；cz为质量交换所引起的竖向变形项；为相对运动产生的能量供给量；[0029]由上式(2)可知与εhz为功共轭对，与εdz为功共轭对，psz与为功共轭对，pf与为功共轭对，pp与为功共轭对；[0030]从上式(2)进一步可知工程渣土的内能ξ可分为五部分：第一部分是裂隙骨架竖向变形的内能ξhz，它取决于εhz；第二部分是孔隙骨架竖向变形的内能ξdz，它取决于εdz；第三部分是固相基质竖向变形的内能ξsz，它取决于第四部分是裂隙流相基质变形的内能ξfz，它取决于第五部分是孔隙流相基质变形的内能ξpz，它取决于根据热力学的局部平衡原理，可以推出：[0031][0032][0033]由上式(3)可知，由εhz唯一确定，由εdz唯一确定，psz由唯一确定，pf由唯一确定，pp由唯一确定；[0034]在上式(4)中，表示裂隙和孔隙流相的交换，是与裂隙和孔隙流相的渗流相关；[0035]步骤4、对于步骤1中划分的固相基质、裂隙流相基质和孔隙流相基质，三者之间满足线弹性的变形方式，即有：[0036][0037]上式(5)中，krs为固相基质的压缩模量，krf＝krp为流相基质的压缩模量；[0038]对于εhz和εdz，工程上常用变形为duncan-chang非线性的双曲线模型进行表示：[0039][0040][0041]上式中表示裂隙骨架的压缩模量；表示孔隙骨架的压缩模量；kh和kd两者都是随着应力变化而相应改变的；[0042]故结合式(1)、(5)、(6)和(7)可得[0043][0044]对上式(8)进行微分，并引入裂隙流相竖向渗入量ζfz和孔隙流相竖向渗入量ζpz的概念，再根据平衡微分方程和达西定律，并经过推导可得工程渣土固相、裂隙流相和孔隙流相的三相耦合固结方程：[0045][0046][0047][0048]上式中中kfz为工程渣土中块状土间的裂隙渗透系数；kpz为块状土中的孔隙渗透系数；γw为流体的重度，为流体的重度，为流体的重度，表示裂隙和孔隙流体相互之间的流动交换速率，隙和孔隙流体相互之间的流动交换速率，是裂隙的形状系数；[0049]步骤5、根据上述步骤所得，利用有限单元法，可以推导出有限单元格式，进行数值解：[0050][km]{usz}e+[ksf]{pf}e+[ksp]{pp}e＝{rsz}eꢀꢀꢀ(12)[0051][0052][0053]上式中：[0054][km]＝∫ω[b]test[b]dz；[ksf]＝∫ω-[b]tαft[n]dz；[0055][ksp]＝∫ω-[b]tαpt[n]dz；{rsz}e＝∫γ[n]tσzds+∫ω[n]tfzdz；[0056][0057][0058][0059][0060]上式中，[b]为应变矩阵，为[n]为形函数；[0061]由于式(13)和(14)含有对时间的微分项，需要进行增量分析。利用θ法，可得：[0062][0063]上式(15)中：[kff]＝θδt[kff1]+[kff2]；[kfp]＝θδt[kfp1]+[kfp2]；[0064][0065][0066]进一步求解得到各节点的竖向位移增量{δusz}e、裂隙孔压增量{δpf}e以及孔隙孔压增量{δpp}e，然后将增量叠加，就将得到任意位置和时刻的usz(z,t)，pf(z,t)和pp(z,t)；根据上述有限元格式，采用fortran数值分析程序，计算出相应的结果；[0067]为验证计算结果的正确性，还需将计算结果与试验结果进行对比：通过选取合适的计算参数对工程渣土进行固结分析试验，然后将工程渣土固结分析的数值计算结果与试验结果进行对比，根据两组数据的吻合程度，判断计算结果的正确性。[0068]步骤6、根据步骤5的计算结果，可以得出电网建设项目大面积堆填地基的非线性固结时间和沉降，进而用以解决工程渣土地基的复杂固结分析问题，为电网工程的建设提供参考。本发明的有益效果：[0069]本发明方法根据室内试验和现场实际情况，采用两种孔隙结构来描述工程渣土，利用力学的基本原理，推导含有两种孔隙结构的工程渣土的固结耦合方程，并利用有限单元法来进行数值求解，最终实现对工程渣土固结性状的分析，得到电网建设项目大面积堆填地基的非线性固结时间和沉降，进而解决工程渣土地基的复杂固结分析问题，给电网建设提供相关参考。附图说明[0070]图1是本发明一种电网建设大面积堆填地基的非线性固结分析方法的流程图；[0071]图2是本发明实施例中工程渣土孔隙结构示意图；[0072]图3是本发明实施例中非线性固结分析有限元计算程序的结构图；[0073]图4是本发明实施例中数值计算结果和试验结果比对图之一；[0074]图5是本发明实施例中数值计算结果和试验结果比对图之二；[0075]图6是本发明实施例中数值计算结果和试验结果比对图之三；[0076]图中的附图标记说明：1、固相；2、孔隙流相；3、裂隙流相。具体实施方式[0077]为了使本
技术领域：
：的人员更好地理解本说明书中的技术方案，下面将结合本说明书实施例中的附图，对本说明书实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。[0078]如图1所示，本发明提供了一种电网建设大面积堆填地基的非线性固结分析方法，包括以下步骤：[0079]步骤1、将工程渣土在堆填后其内部大小不一的空隙视为两种孔隙结构(等，2005)，对其进行分类，并据此将工程渣土的组成分为三相物质；[0080]如图2所示，所述工程渣土的孔隙结构分为：一、块状土间的裂隙，即大孔隙；二、块状土中的孔隙，即小孔隙；所述三相物质分别为：固相1、块状土中的孔隙流相2、块状土间的裂隙流相3；[0081]步骤2、在实际电网建设工程中，对于地基的固结主要考虑的是z方向的变形，因此在竖向方向可将工程渣土的总竖向应变εsz分解为裂隙骨架竖向应变εhz、孔隙骨架竖向应变εdz和固相基质竖向应变之和：[0082]步骤3、根据连续介质力学(黄筑平，2012)和混合物理论(bowen，1983)，推导出工程渣土的质量守恒方程和动量守恒方程，然后进一步推导得出工程渣土的能量平衡方程，所述工程渣土在z方向的能量平衡方程为：[0083][0084]上式(2)中，ξ为工程渣土的总内能；为裂隙有效应力；σz为竖向总应力；pf为裂隙孔压；εhz为裂隙骨架的竖向应变；为块状土在工程渣土的体积分数；为孔隙有效应力；σrz为块状土受的竖向应力；pp为孔隙孔压；εdz为孔隙骨架的竖向应变；为固相在工程渣土的体积分数；psz为固相受的竖向应力；为固相基质的竖向应变，即土颗粒的竖向应变；为裂隙流相在工程渣土的体积分数；为裂隙流相基质的竖向应变；为孔隙流相在工程渣土的体积分数；为孔隙流相基质的竖向应变；cz为质量交换所引起的竖向变形项；为相对运动产生的能量供给量；[0085]由上式(2)可知与εhz为功共轭对，与εdz为功共轭对，psz与为功共轭对，pf与为功共轭对，pp与为功共轭对；[0086]从上式(2)进一步可知工程渣土的内能ξ可分为五部分：第一部分是裂隙骨架竖向变形的内能ξhz，它取决于εhz；第二部分是孔隙骨架竖向变形的内能ξdz，它取决于εdz；第三部分是固相基质竖向变形的内能ξsz，它取决于第四部分是裂隙流相基质变形的内能ξfz，它取决于第五部分是孔隙流相基质变形的内能ξpz，它取决于根据热力学的局部平衡原理，可以推出：[0087][0088][0089]由上式(3)可知，由εhz唯一确定，由εdz唯一确定，psz由唯一确定，pf由唯一确定，pp由唯一确定；[0090]在上式(4)中，表示裂隙和孔隙流相的交换，是与裂隙和孔隙流相的渗流相关；[0091]步骤4、对于步骤1中划分的固相基质(在土力学中称为土颗粒)、裂隙流相基质和孔隙流相基质，三者之间满足线弹性的变形方式，即有：[0092][0093]上式(5)中，krs为固相基质的压缩模量，krf＝krp为流相基质的压缩模量；[0094]对于εhz和εdz，工程上常用变形为duncan-chang非线性的双曲线模型进行表示：[0095][0096][0097]上式中表示裂隙骨架的压缩模量；表示孔隙骨架的压缩模量；kh和kd两者都是随着应力变化而相应改变的；[0098]故结合式(1)、(5)、(6)和(7)可得[0099][0100]对上式(8)进行微分，并引入裂隙流相竖向渗入量ζfz和孔隙流相竖向渗入量ζpz的概念(胡亚元，2022)，再根据平衡微分方程和达西定律，并经过推导可得工程渣土固相、裂隙流相和孔隙流相的三相耦合固结方程：[0101][0102][0103][0104]上式中上式中kfz为工程渣土中块状土间的裂隙渗透系数；kpz为块状土中的孔隙渗透系数；γw为流体的重度，为流体的重度，为流体的重度，表示裂隙和孔隙流体相互之间的流动交换速率，隙和孔隙流体相互之间的流动交换速率，是裂隙的形状系数(khalili和valliappan1996；张玉军和张维庆，2010)；[0105]步骤5、根据上述步骤所得，利用有限单元法(王勖成，2003)，可以推导出有限单元格式，进行数值解：[0106][km]{usz}e+[ksf]{pf}e+[ksp]{pp}e＝{rsz}eꢀꢀꢀ(12)[0107][0108][0109]上式中：[0110][km]＝∫ω[b]test[b]dz；[ksf]＝∫ω-[b]tαft[n]dz；[0111][ksp]＝∫ω-[b]tαpt[n]dz；{rsz}e＝∫γ[n]tσzds+∫ω[n]tfzdz；[0112][0113][kfp2]＝∫ω[n]tαfpt[n]dz；[0114][0115][0116]上式中，[b]为应变矩阵，为[n]为形函数；[0117]由于式(13)和(14)含有对时间的微分项，需要进行增量分析。利用θ法，可得：[0118][0119]上式(15)中：[kff]＝θδt[kff1]+[kff2]；[kfp]＝θδt[kfp1]+[kfp2]；[0120][0121][0122]进一步求解得到各节点的竖向位移增量{δusz}e、裂隙孔压增量{δpf}e以及孔隙孔压增量{δpp}e，然后将增量叠加，就将得到任意位置和时刻的usz(z,t)，pf(z,t)和pp(z,t)；根据上述有限元格式，采用fortran数值分析程序，计算出相应的结果，求解程序的结构图如图3所示；[0123]更进一步地，为验证计算结果的正确性，还需将计算结果与试验结果进行对比：根据实验数据，计算参数取据实验数据，计算参数取kfz＝1.74×10-6m·s-1，kpz＝1.40×10-9m·s-1，γw＝10kn·m-3，krs＝20gpa，krf＝krp＝2gpa，将计算结果与试验结果进行对比，对比结果如图4-6所示，从图中可以看出，上述固结分析的数值计算结果与试验结果两者数据基本吻合，表明根据本发明方法分析计算得出的固结分析结果具有科学性和准确性。[0124]步骤6、根据步骤5的计算结果，可以得出电网建设项目大面积堆填地基的非线性固结时间和沉降，进而用以解决工程渣土地基的复杂固结分析问题，为电网工程的建设提供参考。[0125]以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。当前第1页12当前第1页12