吹填珊瑚岛礁钙质软泥的渗透特性试验研究

钙质软泥作为吹填珊瑚地基土的一部分，其渗透特性对于岛礁工程的建设具有重要意义。基于GDSPERM全自动环境岩土渗透试验系统对南海某岛礁钙质软泥进行系列固结渗透联合试验，探究孔隙比、固结历史、固结压力、水力梯度和孔隙液离子浓度对钙质软泥渗透特性的影响，并对钙质软泥孔隙比与渗透系数之间的非线性关系进行拟合分析，得出钙质软泥的系列渗透规律。结果表明：钙质软泥的渗透系数约为10^-6 cm/s，且不随水力梯度的变化而变化，存在初始水力梯度；固结历史对钙质软泥渗透性有较大影响，在孔隙比相同的条件下，未经固结的土样呈现出更低的渗透性能；钙质软泥的渗透系数随固结压力的增大而减小，减小幅度不超过一个数量级；随着孔隙比的增大，钙质软泥的渗透系数也相应增大，两者呈非线性关系，"lg[k_v（1+e）]-lg e"模型拟合效果较好，为适用于钙质软泥的最优非线性渗透模型；钙质软泥的渗透系数随孔隙液NaCl浓度的增大而减小。     

考虑自重影响的饱和土体一维复杂非线性固结研究

根据宁波软土室内压缩试验数据,得到渗透系数及有效应力与孔隙比的非线性关系.考虑土体自重影响,采用以孔隙比为控制变量的一维大变形固结方程,应用偏微分有限元软件FLEXPDE,研究了不同压缩指数与渗透指数比值下土体有效应力和超静孔压在固结过程中沿深度的分布规律.试验结果和数值分析表明：考虑土体复杂非线性相对于假定固结系数及其他参数在固结过程中保持不变,计算结果更符合实际.在压缩指数与渗透指数比值不等于1的情况下,两种方法计算结果差别明显.为了真实反映土体固结过程中有效应力和超静孔压的分布,应考虑土体渗透性及压缩性的非线性变化.     

生物酶改良膨胀土的压缩特性

为探究生物酶改良膨胀土压缩特性,通过一维固结试验,研究了生物酶、石灰、水泥改良膨胀土体孔隙比、压缩系数、单位沉降量与荷载变化规律。探讨了固结压力对生物酶、石灰、水泥改良膨胀土体压缩特性的影响。试验结果表明：生物酶、石灰、水泥改良膨胀土表现出不同的压缩性,主要反映在压缩曲线与压缩系数上;掺生物酶、石灰、水泥都能改善膨胀土的压缩性,其中,生物酶配比为1∶300改良膨胀土的压缩性最小;改良膨胀土的单位沉降量与荷载的关系可用幂函数来表示：s_i=bp^_ia。     

气水孔隙混合流体的压缩性

为了得到适用于高饱和度土固结分析的孔隙混合流体的压缩性计算公式,采用孔隙水压力来表示混合流体的压缩系数.推导过程中,不考虑气泡在水中的溶解,按Laplace公式建立气泡压强与水压的关系.分析了单个气泡对压缩性的影响,并进行了一维固结压缩试验,对混合流体的压缩系数公式进行了验证.结果表明：饱和度、水压和孔隙气的分散度是影响孔隙流体压缩性的3个主要因素;饱和度越小,气泡半径越大,混合流体的压缩性越大;若初始饱和度相同,当水压达到较大值时,气泡初始半径大小对压缩系数影响很小.将试验数值与其他研究者的计算结果进行对比,证明了所推导的理论公式能较好地分析预测孔隙混合流体的压缩系数.     

堆载-电渗联合作用下双层地基一维固结解析解

实际地基处理中,电渗与堆载预压常常联合使用。然而目前综合考虑堆载和电渗作用的成层地基固结解答较为鲜见。针对现有理论的不足,基于Zhao提出的双层地基中水力渗透系数与电渗渗透系数的关系假定,建立考虑堆载和电渗联合作用的双层地基一维固结方程。利用特征函数法获得瞬时堆载和线性堆载下双层地基一维电渗固结解析解。通过与现有解析解和电渗固结试验结果对比,验证了本文解答的可靠性。基于该解答,详细讨论了土层参数及荷载参数对双层地基固结特性的影响。结果表明：当下层土的渗透性高于上层土的渗透性时,由于电渗作用导致地基中间土层在固结初期流入的水量大于流出的水量,造成超静孔隙水压力在固结初期上升及有效应力在固结初期下降的现象;降低下层土的压缩性能够提高双层地基的沉降速率和超静孔隙水压力消散速率;与单纯电渗固结相比,电渗联合堆载作用不仅能提高地基沉降速率,还能提高固结后的地基强度,更有利于减小工后沉降和加快地基处理速率。     

城市生活垃圾的应力压缩曲线及压缩参数

对城市生活垃圾进行了现场测试和室内压缩试验,并对其压缩曲线进行了分析与对比,得到了垃圾的压缩参数：100-200 kPa压力区间的压缩系数为0.72-3.2 MPa-1,压缩模量为1.50-3.44 MPa,压缩指数为0.24-0.99。研究表明,垃圾的压缩性很大,描述生活垃圾的压缩性应以其所受的压力区间为前提,生活垃圾的压缩系数与初始孔隙比的关系具有线性关系。     

堆载–电渗联合作用下双层地基1维固结解析解

实际地基处理中,电渗与堆载预压常常联合使用。为了解决目前综合考虑堆载和电渗作用的成层地基固结解答理论的不足,假定土体中的渗透流速可由水力坡降引起的渗透流速与电势差引起渗透流速的进行叠加,建立考虑堆载和电渗联合作用的双层地基1维固结方程;利用特征函数法获得瞬时堆载和线性堆载下双层地基1维电渗固结解析解;通过与现有解析解和电渗固结试验结果对比,验证了本文解答的可靠性。基于该解答,详细讨论了土层参数及荷载参数对双层地基固结特性的影响。结果表明：当下层土的渗透性高于上层土的渗透性时,由于电渗作用导致地基中间土层在固结初期流入的水量大于流出的水量,造成超静孔隙水压力在固结初期上升及有效应力在固结初期下降的现象;降低下层土的压缩性能够提高双层地基的沉降速率和超静孔隙水压力消散速率;与单纯电渗固结相比,电渗联合堆载作用不仅能提高地基沉降速率,还能提高固结后的地基强度,更有利于减小工后沉降和加快地基处理速率。     

重塑高岭土渗透各向异性影响因素

为了研究软土渗透各向异性,以重塑高岭土为研究对象,利用三轴渗流仪对重塑高岭土展开一系列渗流试验,研究电解质类型、浓度及固结压力对软黏土渗透各向异性的影响,并从微观角度解释其作用机理。研究发现：1）高岭土颗粒为扁平状结构,在一维固结下颗粒趋向于垂直于主应力方向排列,重塑高岭土竖向剖面孔隙面积大于水平向剖面孔隙面积,这2个因素共同导致渗透各向异性比（水平渗透系数与垂直渗透系数之比）大于1;2）渗透各向异性比随固结压力增大而减小,主要是因为竖向剖面大孔隙较多,压力作用下竖向剖面孔隙面积减小幅度大于水平剖面孔隙面积减小幅度;3）马来西亚高岭土在高纯水下为絮凝状结构,在盐溶液下为散凝状结构,在高纯水下土体竖向剖面大孔隙较多,而在盐溶液下竖向剖面孔隙和水平向剖面孔隙较为接近,导致在高纯水下测得的渗透各向异性比在盐溶液下的测量结果大;4）在本试验条件下,电解质类型、浓度对马来西亚高岭土渗透各向异性比的影响均较小。     

基于混合物理论的饱和介质体应变本构模型

为了解决饱和多孔介质的建模问题,采用工程混合物理论建立了饱和多孔介质体积本构理论框架。首先,假定多孔固相与流相基质体积变形功相互独立,采用Terzaghi有效球应力、孔压和流体基质压力作为本构模型的应力状态变量,获得了固相、固相基质和流相基质体应变的余能表达式。其次,根据Lade和De Boer模型试验加卸载测试数据,建立了加卸载阶段饱和多孔白塞木立方体流固两相体积本构方程,推导了固相体积切线模量、Biot切线系数和流相Biot切线模量等力学参数计算公式。分析了加载阶段固相体积切线模量,Biot切线系数,流相Biot切线模量等力学参数随Terzaghi有效球应力和孔压变化规律。最后,根据本文体积本构模型和静力平衡方程建立了饱和多孔介质的一维固结方程,数值分析了饱和多孔白塞木立方体的固结特性,获得了固结度和沉降随时间变化曲线。研究表明,固相体积切线模量随Terzaghi有效球应力的增大而增大,随孔压 的增大而减小。Biot切线系数介于0.42~0.95之间,随Terzaghi有效球应力和孔压的增大而减小。流体Biot切线模量随Terzaghi有效球应力增大而先减小后增大,随孔压增大而减小。孔压切线系数在大多数情况下小于1.0。考虑固相基质变形时饱和多孔介质的初始孔压不等于外荷载,因此饱和多孔介质在外荷载作用下存在瞬时沉降。本文提出的建模方法可用于非线性饱和多孔介质的建模和数值分析工作。     

An improved apparent permeability model considering full pore pressure range,variable intrinsic permeability and slippage coefficient

Although the slippage effect has been extensively studied, most of the previous studies focused on the impact of the slippage effect on apparent permeability within a low pore pressure range, resulting in the inability of matching the evolution of permeability in the remaining pressure range. In this paper, a new apparent permeability model that reveals the evolution of permeability under the combined action of effective stress and slippage in the full pore pressure range was proposed. In this model, both intrinsic permeability and slippage coefficient are stress dependent. Three experimental tests with pore pressure lower than 2 MPa and a test with pore pressure at about 10 MPa using cores from the same origin under constant confining stress and constant effective stress are conducted. By comparing experimental data and another apparent permeability model, we proved the fidelity of our newly developed model. Furthermore, the contribution factor of the slippage effect R_slip is used to determine the low pore pressure limit with significant slippage effect. Our results show that both narrow initial pore size and high effective stress increase the critical pore pressure. Finally, the evolutions of the slippage coefficient and the intrinsic permeability under different boundary conditions were analyzed.     

软土地基一维非单调压缩固结性状分析

针对储油罐等结构物在使用期内常对下部地基产生往复性变化荷载等实际情况,考虑土体在加载和卸载时压缩系数不同的特性,研究了软土地基一维非单调压缩固结问题.基于现有的成层地基一維线性固结解析理论,采用半解析法求解,得到了相应的半解析解并编制了计算程序.通过系列计算和分析对比,全面地研究了当考虑和不考虑非单调压缩因素时,软土地基固结性状的区别以及不同参数对非单调压缩固结性状的影响.结果表明,压缩系数比、荷载比和卸载速率等对地基的固结均有显著影响;在考虑了非单调压缩的影响因素后,软土地基中超静孔压的消散将滞后于沉降的发展.     

考虑渗透系数随时间变化及固结状态影响的一维固结计算[

固结系数的不确定性是传统固结理论计算局限性的根本原因,传统固结理论计算忽略了在固结过程中渗透系数k和孔隙比e随固结状态和时间的变化。基于工程常用的5种渗透系数预测模型,结合固结度与侧限压缩量的关系,推导出孔隙比e_t的时间函数,构建渗透系数与时间及固结应力依赖的计算公式。将构建的渗透系数计算式代入固结系数C_v中,同时考虑固结状态、固结应力及时间的影响,对经典Terzaghi一维固结理论进行修正。利用已有的试验数据进行对比,讨论预测公式的适用性。最后通过工程案例计算,与Terzaghi一维固结方程和其他修正固结理论对比,结果表明:当上覆荷载较大时,需要考虑固结系数C_v的变化;同时,对比其他修正固结理论,证明了考虑孔隙比e和渗流系数k随时间变化过程的必要性。     

基于应力关系的岩石压缩系数变化分析

岩石的压缩性及其大小对油气勘探、油藏工程研究等具有重要影响,常用的确定方法是实验测定。但被测样品经过大量的处理过程,所受应力被多次改变,导致实验结果存在不可靠性。基于地下岩石各应力间的关系式,通过油气生产过程分析,发现并定义了岩石的骨架应力变化系数λ,其大小与岩石骨架及孔隙压力变化量有关,岩石骨架的成分、强度、结构等会影响λ值。结合岩石压缩系数的定义,通过分析与推导得到了用上覆应力σ、孔隙度、孔隙压力p、骨架应力变化系数λ和骨架参数Css五个参变量表示的压缩系数关系式。通过他人实验数据对关系式进行了分析和验证。结果表明,岩石的孔隙体积、骨架体积、骨架应力、孔隙度、压缩系数(Cp、Cs、Cb)等均受骨架应力变化系数λ的影响。     

不排水桩准饱和复合地基的固结特性

自然界广泛分布准饱和天然地基,研究不排水桩准饱和复合地基的固结特性具有理论意义和工程应用价值。假定桩土之间满足等应变条件,并考虑孔隙流体压缩性,建立了不排水桩准饱和复合地基的固结控制方程。根据荷载施加瞬间比流量等于零的性质确定了孔压初始条件,利用分离变量法和叠加法得到了总应力随深度不变时瞬时加载、单级线性加载和随时间任意变化加载下的孔压解析解答。推导了固结度和即时沉降的计算公式。考虑孔隙流体压缩性时复合地基既产生即时孔压也产生即时沉降。含气率越大,初始孔压和按固结沉降定义的固结度越小;含气率和桩的压缩模量越大,即时沉降越大。即使含气率只有0.2%,预应力管桩复合地基的即时沉降占总沉降的比率也高达97.3%。上述研究表明,由于地基经桩体加固后等效压缩模量大幅增加和孔隙水的体积模量随含气量大幅减小,因此在不排水桩准饱和复合地基固结分析中必须考虑孔隙水的压缩性,否则会造成较大的理论偏差。     

Consolidation analysis of composite foundation with partially penetrated cement fly-ash gravel(CFG) piles under changing permeable boundary conditions

Based on the double-layered foundation theory, the composite ground with partially penetrated cement fly-ash gravel(CFG) piles was regarded as a double-layered foundation including the surface reinforced area and the underlying untreated stratum. Due to the changing permeability property of CFG piles, the whole consolidation process of the composite ground with CFG piles was divided into two stages, i.e., the early stage(permeable CFG pile bodies) and the later stage(impermeable pile bodies). Then, the consolidation equation of the composite foundation with CFG piles was established by using the Terzaghi one-dimensional consolidation theory. Consequently, the unified formula to calculate the excess pore water pressure was derived with the specific solutions for the consolidation degree of composite ground, reinforced area and underlying stratum under instant load obtained respectively. Finally, combined with a numerical example, influencing rules by main factors(including the replacement rate m, the treatment depth h1, the permeability coefficient Ks1, Kv2 and compression modulus Es1, Es2 of reinforced area and underlying stratum) on the consolidation property of composite ground with CFG piles were discussed in detail. The result shows that the consolidation velocity of underlying stratum is slower than that of the reinforced area. However, the consolidation velocity of underlying stratum is slow at first then fast as a result of the transferring of effective stress to the underlying stratum during the dissipating process of excess pore water pressure.     

修正Terzaghi理论在吹填土固结计算中的应用

经典Terzaghi一维固结理论在小变形线弹性固结沉降计算中广泛应用,固结系数、压缩性、渗透性等固结参数保持为常量,但直接应用于沉降量超过50%的吹填土固结沉降会引起不可忽视的坐标误差,导致较大的预测误差,存在应用上的局限性。修正Terzaghi理论计算方法,根据有限应变理论将吹填土大变形固结沉降分段表达,同时修正应变步长上固结参数,满足经典固结理论中小变形、线弹性假定条件。通过土体渗透系数、体积压缩系数与孔隙比间拟幂次函数关系表达吹填土体非线性本构关系,固结系数不再保持为常量,而在固结过程连续变化。修正Terzaghi固结理论分段计算方法,在确定沉降应变步长内固结系数为常量,计算相应时间步长,修正土体固结系数及固结参数后进行下一应变步长计算,累加沉降量与时间步长得到土体时间维度上的大变形固结曲线。修正Terzaghi固结理论满足线弹性小变形基本假定,反映出软土固结沉降中非线性特点,计算预测结果与实测值符合良好,将经典一维固结理论推广应用到吹填土大变形固结领域。     

次固结系数对准超固结土固结特性的影响

为了分析准超固结土固结特性受次固结系数影响的规律,采用消元法把用孔压和应变表示的一维Yin Graham等效时间流变固结方程组简化为一个用孔压表示的一元偏微分方程.采用该一元偏微分方程,通过差分数值方法,对自然界普遍存在的预固结软土地基的固结特性进行数值分析.结果表明：当软土地基的预固结绝对等效时间较大时,在软基固结前期存在次固结系数越大、孔压消散越快、固结度越大这一与直觉相反的固结现象.对这一现象产生的物理根源进行定性分析,证明这一现象与以往基于Yin Graham等效时间流变模型定性得出的预固结土在固结前期存在次固结系数越大、固结度越大的研究结论相吻合.     

考虑土体水平渗透系数变化的复合地基固结解

为了体现桩体施工扰动对桩周土体造成的负面影响,考虑了排水影响区土体水平渗透性的3种变化模式,即扰动区渗透系数不变、扰动区渗透系数线性变化和整个影响区渗透系数线性变化.采用由平衡条件和等应变假设得到的新的初始条件,分别给出了在各种模式下桩体和土体中的超静孔压的解.将桩体的固结引入复合地基按应力定义的固结度,并分别给出了复合地基按应力和变形定义的总平均固结度.最后分析了4个参数对地基固结性状的影响,并比较了计算结果和文献结果.结果表明,分别按应力和变形定义的总平均固结度相等;土体的最大与最小水平渗透系数之比越大,固结越慢;扰动区范围越小,固结越快;桩体越硬,固结越快.     

黏弹性土中半透水管桩沉桩后孔压消散解析解

研究了黏弹性土中管桩沉桩后的固结问题.将土视为适合Mechant模型的黏弹性材料,在弹性解答的基础上,根据对应性原理,经拉普拉斯变换、弹性参数代换和拉普拉斯逆变换等手段得出黏弹性问题的控制方程.通过分离变量法对本征值问题进行求解,在求解过程中考虑了管桩桩体的可渗透性,认为桩体为半渗透材料,给出混凝土管桩沉桩后桩周土中超静孔隙水压力消散的解析解,分析了孔压消散的因素影响.结果表明,土的黏弹性对孔压消散有明显影响,土的黏滞系数越大,超静孔压消散越快;在土的渗透性较小时桩身渗透对孔压消散有较大影响.     

半透水边界砂井地基的真空预压固结解

针对砂井地基顶部存在垫层和底部存在下卧层的现状,采用半透水边界来反映它们对砂井地基固结的影响。假定地基变形符合等应变条件,考虑水平向渗透系数沿半径发生变化,建立了上下边界为半透水边界时真空预压砂井地基的固结理论,通过分离变量法获得固结度和沉降的级数解析解答,分析了底部透水系数、顶部透水系数、井阻、渗透系数沿半径分布特性对砂井地基固结度和沉降的影响规律。研究表明,当底部半透水时,最终负孔压和有效应力呈现出沿地基深度衰减的变化规律。当其它条件相同时,底部透水系数越大的地基固结度越大,但最终沉降和径向固结时间因子相同时的固结沉降却越小。当底部边界不透水时,最终沉降不会随着顶部透水系数改变而改变。但当底部边界半透水或完全透水时,最终沉降随着顶部透水系数增大而增大。顶部透水系数越大的地基固结度越大,径向固结时间因子相同时的固结沉降也越大。均匀井阻的大小不会影响负压最终竖向分布特性,也不会改变最终沉降,但会明显降低砂井地基固结度,延长固结完成时间。渗透系数径向分布模式会对砂井地基的固结度产生影响。工况一计算的固结度最大,工况二计算的固结度最小,工况三计算的固结度介于工况一和工况二之间。半透水边界对真空预压砂井地基固结过程的影响规律与堆载预压砂井地基相比存在明显不同。