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。     

变荷载下饱和土一维热固结解析理论

基于渗流理论、热弹性理论和饱和土固结理论,通过建立数学模型,采用解析方法研究了变荷载下饱和土的一维热固结问题.利用偏微分方程理论中的冲量定理,得到土层内部超静孔压、温度增量的解析解,并由此求出地基沉降、平均固结度的表达式.根据所得解编制了计算程序,分析了饱和土的一维热固结性状,并与不考虑温度影响的解进行比较.结果表明,加载时间、温度增量、热传导速率等对土体热固结性状有重要影响;受温度影响,热固结中的超静孔压消散速度加快、地基沉降减小;按沉降定义和按孔压定义的地基平均固结度是不同的.     

真空—堆载联合预压不排水桩复合地基固结简化解研究

针对不排水桩复合地基固结问题,考虑到真空-堆载联合预压荷载的瞬时施加和桩体未打穿等因素对复合地基固结的影响,采用双层地基法将未打穿复合地基转化为等效双层地基,推导出真空-堆载联合预压不排水桩复合地基固结简化解,并绘制出贯入比、桩-土压缩模量之比、加固区和下卧层的土体渗透系数之比以及压缩模量之比对固结的影响曲线图。研究结果表明,在单面排水条件下,随着贯入比、桩-土压缩模量之比、加固区和下卧层土体压缩模量之比的增大,复合地基固结速率随之加快;加固区和下卧层的土体渗透系数之比对固结速率的影响不显著。在各种影响因素中,贯入比对固结速率的影响最大,加固区和下卧层土体压缩模量之比对固结速率的影响较为明显。     

考虑应力历史的双层地基一维固结问题

基于单层超固结饱和土固结理论，针对不同排水条件、变荷载和自重应力沿深度实际分布及考虑应力历史影响的双层地基固结问题，提出了相应的一维固结方程，并利用半解析法编制了求解该问题的Fortran程序ODLCADOS.通过典型的算例，揭示了考虑应力历史影响的双层地基一维线性固结性状.研究表明，考虑应力历史影响比未考虑应力历史影响时，地基沉降小，固结发展快；荷载的大小、上下土层先期固结压力、土体压缩性和渗透性的变化等对双层地基的固结性状均有明显影响.     

真空-堆载联合预压法处理吹填土地基的大变形有限元分析

为掌握真空-堆载预压法处理软弱地基的加固机理和处理效果,采用Abaqus有限元软件对真空-堆载联合预压荷载下的吹填土进行数值模拟与分析,计算了土体的沉降、水平位移和超静孔隙水压力,并与实测结果进行对比分析。结果表明:采用大变形和小变形理论计算所得地基的沉降、水平位移以及超静孔隙水压力与实测数据吻合较好,且大变形理论计算值更接近于实测结果,验证了将塑料排水板转换成砂墙进行计算是可行的;真空预压阶段的吹填土在加固区以内产生收缩变形而加固区以外则为剪切变形;真空-堆载联合预压阶段的加固区以外土体仍向加固区内部产生收缩变形,随着堆载的增加,加固区以外的土体会产生向上的隆起变形,井阻效应对加固区土体的超静孔隙水压力分布有较大影响;地面堆载的施加会使塑料排水板范围以外的土中超静孔隙水压力分布出现明显的曼德尔效应。     

考虑预固结时堆载预压卸载的沉降标准

为了分析预固结和次固结对堆载预压期的影响,依据Bjerrum等时间线蠕变图和Yin-Graham一维弹黏塑性模型(EVP模型),根据运行期限和允许沉降量等技术参数获得等、超和欠载预压卸载时的临界孔隙比,由此可计算决定等、超和欠载预压卸载时机的临界沉降量,并根据欠载预压的临界孔隙比公式计算出最小预压荷载,克服传统堆载预压依据主固结理论无法反映堆载预压和天然软土预固结效应降低次固结变形的缺陷.在考虑天然软土存在预固结效应情况下,证明新假说A与假说B存在近似等价的充分条件.算例表明,在计算堆载预压卸载时的临界沉降量和地基总沉降量时不能忽略天然软土预固结效应的影响.     

刚性基础下水泥土桩复合地基固结分析

为了掌握刚性基础下水泥土桩复合地基的固结性状，建立了复合地基的固结解析式.根据固结过程中孔隙水排出量等于单元体体积减小量的关系和平均超孔隙水压力的概念，推得水泥土桩复合地基的固结方程.通过等应变假设和初始边界条件，由分离变量法针对该固结方程进行了求解，得到了桩体和桩间土的平均超孔隙水压力、平均固结度、复合地基整体固结度和固结沉降.研究结果表明，该解析式所得的计算结果与有限元分析结果相吻合，且水泥搅拌桩复合地基固结速率大于天然地基固结速率，并与现场观测的水泥土桩复合地基固结度变化趋势一致.     

坝前淤积土分段线性排水板-堆载预压耦合固结模型的研究

以宁夏南部黄土丘陵山区雅石沟水库除险加固工程为例,引入CS2(Consolidation Settlement 2)方法,基于有效应力、渗透系数与孔隙比之间的基本关系,建立坝前淤积土分段线性排水板-堆载预压耦合固结模型,编制了Fortran计算程序,以径向固结模型模拟计算了坝前淤积土中插入塑料排水板后,淤积土在加载过程中的固结度、超孔隙水压力的耗散状况和孔隙比的变化。结果表明:在计算模型中增设竖向排水板,淤积土的固结速率明显加快,在第47 d时固结度即达到87.32%,与未增设竖向排水板时计算的淤积土固结度(88.76%)相比,提前43 d达到相近的固结度;由于竖向排水板的布设,淤积土中超静孔压随着时间的增加逐渐消散,与未布设排水板时淤积土内超静孔压值在第90 d时为51.88 kPa相比,布设排水板后在第47 d时,坝前淤积土层超静孔压沿深度的分布值最大为5.67 kPa;坝前淤积土分段线性排水板-堆载预压耦合固结模型与相关文献中有限元软件模拟所得结果基本上是一致的,验证了模型的准确性,该模型能够较好地模拟淤积土中增设竖向排水板的排水固结过程,用于预测淤积土的固结沉降。     

抽降水引发的弱透水层非线性固结解析解

抽降水会引发含水层下卧的弱透水层的固结沉降,同时土体非线性特性对固结变形的影响也很明显。但由抽降水引发的能反映土体非线性固结特性的弱透水层非线性固结解析解还鲜有报道。本文引入经典非线性关系,在假定弱透水层初始有效应力为恒值的条件下,采用分离变量法推导了压缩指数Cc与渗透指数Ck比值不等于1时潜水层大面积抽水引发的弱透水层一维非线性固结近似解析解。Cc/Ck→1时本文解可退化为相同条件下已有的Cc/Ck=1时一维非线性固结解。最后,以水位单级等速下降为例,利用本文解计算不同影响因素下弱透水层的固结曲线,分析其一维非线性固结性状。结果表明：Ck值不变时,Cc值越大(Cc/Ck越大),固结速率越缓慢,但相同时间因子下土层沉降量及最终沉降量均越大;Cc值不变时,Ck值越小(Cc/Ck越大),固结速率越慢,相同时间因子下土层沉降量越小,但其并不影响最终沉降量。水位下降速率越快,弱透水层固结速率越快,但最终沉降量相同。水位下降终值hc越大,沉降速率越快,此时Cc/Ck对固结速率的影响越明显。砂土层自然重度γ越大,相同时间因子下土层沉降量越大,同时超静孔压消散速率越缓慢,但不影响土层内的最终超静孔压。     

分期预压中抗剪强度增长对地基稳定性的影响

在分期堆载预压过程中,地基土在某一堆载固结压力下,其抗剪强度不仅有表观强度上增长,而且有结构强度的增长(次固结作用).因此,只有考虑到地基土的结构强度增长,对每级堆载地基稳定性进行计算才更为合理.结合具体的工程实例,对各种原位和室内试验进行统计分析,对地基土进行考虑结构强度增长的总应力法稳定性计算,并与考虑表观强度增长的总应力法和考虑超孔隙水压力的有效应力法地基稳定性计算进行对比.     

长期反复荷载作用下软黏土地基的变形特性

软黏土地基在长期反复荷载作用下容易产生变形大、沉降时间长且难于预测等问题。针对该问题,通过太沙基一维固结理论,求解了矩形及梯形反复荷载作用下软黏土地基的一维固结解析解;利用ABAQUS有限元软件,提出了一种反复荷载作用下软黏土地基长期固结变形的数值分析预测方法。利用该方法结合工程实例详细分析了反复荷载下软黏土地基沉降、孔隙压力和有效应力及孔隙比等随时间的长期发展变化规律,发现沉降量与反复荷载的水平加载段时间成正比;孔隙水压力的最终发展趋势是围绕0值上下波动;有效应力随着加载次数逐渐增加;孔隙比的变化与土层深度、加载大小与加载次数有关,并将不同荷载类型下的模拟值、理论值和实测数据进行了分析比对,发现等效的反复荷载下的沉降曲线与实测值吻合较好。     

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.     

One-dimensional consolidation of double-layered soil with non-Darcian flow described by exponent and threshold gradient

Based on non-Darcian flow law described by exponent and threshold gradient within a double-layered soil, the classic theory of one-dimensional consolidation of double-layered soil was modified to consider the change of vertical total stress with depth and time together. Because of the complexity of governing equations, the numerical solutions were obtained in detail by finite difference method. Then, the numerical solutions were compared with the analytical solutions in condition that non-Darcian flow law was degenerated to Dary’s law, and the comparison results show that numerical solutions are reliable. Finally, consolidation behavior of double-layered soil with different parameters was analyzed, and the results show that the consolidation rate of double-layered soil decreases with increasing the value of exponent and threshold of non-Darcian flow, and the exponent and threshold gradient of the first soil layer greatly influence the consolidation rate of double-layered soil. The larger the ratio of the equivalent water head of external load to the total thickness of double-layered soil, the larger the rate of the consolidation, and the similitude relationship in classical consolidation theory of double-layered soil is not satisfied. The other consolidation behavior of double-layered soil with non-Darcian flow is the same as that with Darcy’s law.     

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.     

连续排水边界下非线性饱和土体一维热固结解析解

为探究受温度影响的非线性饱和土体的一维固结特性，基于孔隙比变化是由有效应力和温度引起的假设，根据热平衡方程和连续性方程建立考虑热效应的一维非线性固结方程。采用分离变量法及Laplace变换获得连续排水边界下考虑土体非线性的一维热固结问题的解析解，通过与现有两种解析解对比，验证此解答的正确性。基于所得解答，详细讨论热扩散系数与固结系数比值、温度增量、界面参数及非线性参数对土体固结特性的影响。结果表明：温度增量越大或界面参数越大时，土体的固结速率越快；按沉降定义的固结速率随非线性参数的增大而增大，而按孔压定义的固结速率随非线性参数的增大而减小；热扩散系数与固结系数的比值较大时，前期热固结速率明显快于不考虑温度作用的固结速率，采用热加固法处理地基时，有必要先测定热扩散系数和固结系数，以确定是否适合采用热加固法。     

水位下降诱发含水层–弱透水层1维黏弹性固结分析

弱透水层黏性土与含水层砂土的蠕变性是造成地面沉降长期发展的重要原因之一。基于广义开尔文黏弹性模型,结合一维固结理论和连续性条件,得到了水位变化下弱透水层-含水层长期变形控制方程和定解条件。利用Laplace变换,基于矩阵传递法和边界转换法,分别推导了双层土体各位置的水头时间关系式,给出了水位变化引起的土体孔压、沉降和固结度发展的计算公式。采用了Stehfest方法实现数值逆变换,编写计算程序,验证了两种求解方法的正确性,并进一步分析了矩阵传递法和边界转换法在计算精度和效率方面的差别。最后,通过数值算例,探讨了土体的黏滞性、渗透性、土层性质的差异以及水头下降速率对水位变化引起土层变形的影响。     

电渗作用下软土细观孔隙结构

软土细观孔隙结构变化是其宏观变形的根本原因。为了探索电渗中软土细观孔隙结构变化以及与宏观变形之间的关联机制,采用杭州软土开展电渗试验,监测了电渗中土体孔隙结构分布特征和含水量,从定性和定量两个方面对试验结果进行分析。研究发现,电渗过程中,粘土颗粒重新排列形成面面接触的片堆结构,土体孔隙比降低,孔隙空间形态变光滑,结构复杂性减弱。通过含水量计算所得孔隙比较实测孔隙比小,说明电渗排水量大于土体收缩量,这是因为,电渗本质为离子带动水分子的迁移,不能直接引起土骨架压缩。实际工程中,电渗法应与堆载、真空预压等联合使用。     

刚柔性桩复合地基加固双层软弱地基现场试验研究

为研究路堤荷载下刚柔性桩对深厚双层软弱地基的加固效果及其桩土荷载传递规律,结合连云港港某铁路软基处理工程,采用带帽预制方桩和带扩大头的双向搅拌粉喷桩联合加固,对路堤填筑过程及预压期内地表沉降、桩土差异沉降、深层水平位移、超静孔隙水压力、桩土应力比以及桩土荷载分担的变化规律进行了分析。结果表明：载荷试验中复合地基桩土应力比随外荷载增加而增加;地基变形发生在填土期,预压期内沉降变形继续并逐渐趋于稳定;填土荷载向刚性桩及搅拌桩桩顶集中,刚性桩桩顶应力增长较快;面积置换率为22.2%的预制方桩（含桩帽）承担了56.2%的荷载,但其承载力只发挥了不到18%;面积置换率和土质条件是桩土荷载分担比的主要影响因素。