饱和软粘土中沉桩后桩周土体固结分析

假定沉桩过程是一个平面应变圆孔扩张问题, 采用了修正剑桥模型, 给出了软粘土中沉桩过程后初始时刻超孔隙水压力沿桩径分布的解析函数, 并与Cao 等人的数值解以及Gibson 提出的公式进行了比较。根据土骨架的弹性位移特性以及水流的连续性条件, 得到了桩周土体固结的控制方程。运用分离变量法并结合边界条件以及初始条件得到了桩周土中超孔隙水压力消散的级数解答, 该解答可以作为孔压静力触探反求固结系数的一个理论依据。通过2 个算例分析了土体的应力历史以及刚度对桩侧超静孔压消散的影响;算例分析表明, 随着超固结比的增大, 归一化后的塑性区半径以及桩侧超孔隙水压力均在减小;桩侧的超静孔压消散前期较快, 后期较慢。     

超固结黏土中不排水柱孔扩张弹塑性解及应用

为求得超固结黏土中考虑K₀影响的柱孔不排水扩张精确解，该文基于黏土和砂土模型(CASM)屈服准则，采用经典的应力剪胀关系，充分考虑土体静止土压力参数K₀和重度超固结比，运用非相关联流动法则进行应力空间转换，进而建立超固结黏土中考虑K₀影响情况下柱孔不排水扩张问题的一阶偏微分方程组求解模型。根据弹塑性边界已知的应力和位移条件，通过数值求解方法确定柱孔扩张模型的精确解。对比修正剑桥模型(MCC)解，基于SMP准侧改进的修正剑桥模型(SMP-MCC)解及黏土和砂土统一硬化模型(CSUH)解进行参数分析表明：当土体OCR≤2时，该文方法较好地模拟土体单元屈服应力和破坏应力；当土体OCR>2时，该文方法克服了超固结黏土高估屈服应力和破坏应力；当K₀由1.0变化到2.5时，归一化极限扩孔压力由5.4变化到3.2，归一化极限超静孔隙水压力由2.4变化到1.0。并通过现场实测数据验证了该文方法的实用性与正确性。     

考虑大变形和排水条件时柱孔扩张问题统一解析

将柱孔周围土体中的应力分布分为弹性区和塑性区,在弹性区中采用小变形理论,在塑性区中采用大变形理论和统一强度准则。根据柱孔扩张问题排水条件时的应力平衡方程、应力和应变连续的边界条件,推导出考虑土体剪胀、大变形、排水条件和中主应力等因素的柱孔扩张问题塑性区半径和极限扩孔压力的理论解答,同时也获得了弹塑性区中的应力和应变场分布规律。理论计算结果与现场实测结果较为接近,初步说明该理论具有一定的工程应用价值。对比分析表明:扩孔压力和塑性区半径受土体剪胀的影响要比b值显著。     

饱和粘土中挤土桩球形孔扩张的弹塑性分析

将桩体的贯入模拟为球形孔扩张过程,基于球形孔扩张理论,在大变形假定情况下,结合修正剑桥模型及水力压裂理论,由最小耗能原理从能量的角度推导出了饱和粘土中挤土按球形孔扩张后,土体整个范围内,包括弹性区、塑性区、破坏区内的应力、位移及超孔隙水压力分布的解析解,并分析了土的超固结比对结果的影响,和其他文献的比较结果证明了理论解析解的准确性。其结论可为饱和土地区的静压桩、打桩等岩土工程问题提供理论依据。     

粘弹性土体中深埋圆形隧道的应力和位移分析

基于Biot固结理论,采用渗流-力学耦合模型,研究分析了粘弹性饱和土体中因开挖深埋圆形隧道而引起的周围土体的应力和位移场。假设衬砌和土体均为多孔介质,隧道处于半封闭状态,边界半透水。在拉普拉斯变换域中得到的应力、位移场和孔隙水压力解答,运用拉普拉斯数值逆变换得到数值计算结果,分析了隧道周围土体中应力、位移场及孔隙水压力的消散规律,讨论了隧道边界的渗透特性和土体的流变性质对应力、位移场以及孔隙水压力消散的影响。     

结构性黄土劈裂注浆力学机理分析

为了在塑性力学与大变形理论基础上分析黄土地区劈裂注浆力学机理,将注浆初始阶段视为无限土体中的圆孔扩张问题,将孔周围的土体应力分布分为3个区域:弹性区、塑性区及破坏区。结合结构性黄土修正剑桥模型,在弹性区采用小变形理论,在塑性区、破坏区采用大变形理论。根据应力平衡方程、应力应变连续边界条件,推导了考虑排水和大变形时塑性区、破坏区半径及竖向、水平劈裂注浆压力的理论解答,最后结合工程算例进行论证。结果表明:该解答综合考虑了黄土的结构性参数、压缩模量、泊松比、内摩擦角、塑性破坏参数、剪胀系数、扩孔形式k及屈服准则等因素;同时,还分析了浆泡周围土体的应力应变分布解及在参数影响下的递变规律;经对比分析发现,该文的劈裂注浆压力理论计算值与工程实测值比较接近,初步证实了理论的可靠性,在黄土地区劈裂注浆工程中具有一定的实用价值。     

适用于黏土的分数阶应力诱导剪胀方程

建立了适用于黏性土的分数阶下加载面模型,该模型所采用的分数阶塑性流动法则能够在不引入塑性势函数的情况考虑塑性流动方向与土体物理屈服面之间的非正交特性,进而统一地描述相关联和非相关联塑性流动法则。基于该流动法则可以得到一个新的应力诱导分数阶剪胀方程以考虑超固结比对黏性土剪胀特性的影响。理论分析结果表明,在相同的应力水平下,土体剪胀量会随着超固结比增大而逐渐减小。相比较修正剑桥模型,该文模型仅额外地引入一个与土体剪胀特性相关的模型参数,并且能够对超固结黏土的应变软化和剪胀特性进行合理的描述。模型计算结果与试验结果对比分析结果表明,该文模型能够准确地描述黏性土在超固结状态下的应力-应变响应和剪胀特性。     

随机波浪作用下饱和砂质海床弹塑性动力响应规律

为研究实际海洋环境中随机性波浪作用下弹塑性海床饱和土体真实的动力学行为及振动液化过程演化规律,该文结合Biot动力固结理论和本课题组提出的砂土震动液化大变形本构理论模型和处理液化时零有效应力状态的数值算法,采用JONSWAP频谱来模拟波浪,给出了随机波浪作用下饱和砂质海床土体中超静孔隙水压力瞬态变化与液化过程的弹塑性动力分析方法。该方法可很好地描述在随机波浪作用下,海床土体内超静孔隙水压力场在时空上呈现出的瞬态起伏变化和平均单调累积增长或消散的特性以及海床内达到零有效应力的液化状态在时间域上间歇性出现、在空间域上连续性移动的规律性。     

土体开挖超孔隙水压力三维数值分析

现有的土体开挖三维有限元数值分析多是在总应力法基础上进行的，不能预测由于土体卸荷产生的负的超孔隙水压力。本文开发了一套水土耦合计算的三维有限元程序，对土体开挖进行有效应力分析。通过计算分析，比较了两种渗透系数的土体超孔压的消散规律：研究了坑壁的侧向变形随固结时间的变化趋势；给出了坑底超孔压分布的三维性状：同时与二维有限元计算进行了对比分析。由此 得出了一些有益的结论，对实际工程有一定的参考指导作用。     

堆载-电渗联合作用下的一维非线性大变形固结理论

堆载-电渗联合作用下的软土地基加固属于大变形固结问题。该文在Esrig电渗固结理论的基础上,建立了拉格朗日坐标下以超静孔压作为变量的一维非线性大变形固结理论方程,推导出相应的超静孔压、沉降、平均固结度和孔隙比的解析公式,且通过了模型试验的验证。之后,采用该解分析了土体在堆载-电渗联合作用下的地基大变形固结特性,且与Esrig小变形固结解析解进行对比。结果表明:堆载-电渗联合作用下,考虑大变形的计算结果更符合工程实际,且此解可用于对大变形固结问题数值解法的验证。     

高铁荷载下准饱和分层地基环境振动特性研究

本文基于Biot理论,首次提出更符合软土地区的列车-轨道-准饱和地基的2.5维有限元理论。在验证本文程序的可靠性后,计算分析高铁荷载作用下车速对准饱和分层地基环境振动的位移、孔隙水压力和衰减规律的影响,对比准饱和与饱和地基的振动差异性。结果表明:当车速小于表层土体瑞利波速时,准饱和地基的环境振动位移时程曲线在轨道中心和远离轨道处均能观察到明显的列车轮轨分布,衰减曲线平滑,衰减较快;当车速大于表层土瑞利波速时,远离轨道的位移时程曲线变的模糊,衰减曲线具有波动性,衰减速率减缓。地表以下0.5 m处超孔孔隙水压力最大,车速250 km/h～350 km/h时超孔隙水压力随深度的衰减规律相似,当车速进一步提高到400 km/h时超孔压衰减曲线不再光滑,有较多折点。准饱和地基振动的竖向位移峰值大于饱和地基,而超孔隙压则相反。     

内水压作用下粘弹性饱和土-隧洞衬砌相互作用

混凝土衬砌既有粘弹性性质,又有渗透性。实际工程中内水压力值由衬砌和孔隙水共同承担,该文通过引入与孔隙流体体积分数有关的应力系数合理地分配了衬砌和孔隙水分别承担的内水压力值。根据衬砌和土体界面处衬砌中流体速度和土体中流体速度相等以及应力和位移连续性条件建立了部分透水边界条件。将衬砌和土体分别视为多孔粘弹性材料和液固两相介质,采用饱和多孔介质理论和粘弹性理论,在频率域内给出了内水压力作用下粘弹性饱和土-衬砌相互作用时饱和粘弹性土位移、应力和孔压和衬砌的位移和应力解析表达式。进行了参数研究,表明:应力系数以及衬砌和土体相对渗透系数对系统动力响应影响很大。另外,应力系数合理地确定了边界衬砌和孔隙水分别承担的内水压力值。     

考虑疏干带非饱和土影响下基坑降水引起地面沉降的计算

大多数基坑底面低于地下水位面,在开挖前需要进行降水工程为施工提供干燥、安全的环境。由于降水历程中孔隙水压力消散和有效应力的增加,周围土体会产生固结压密,同时在基坑周围形成地下水的降落漏斗,最终导致地层的不均匀沉降,对坑周道路、建筑物及地下管线造成危害。在忽略土体的侧向变形及群井效应的前提下,引入非饱和土的有效应力原理,根据裘布依假定求出基坑降水后地下水位的降落曲线方程。采用分层总和法分别计算水位降落曲线上下非饱和土与饱和土的地面沉降量,叠加后得到最终坑周地面沉降量。结合数值模拟计算及工程实例监测数据对比分析,表明该方法具有较高的工程实用价值。     

考虑边界排水时间效应的软土一维非线性固结近似解答

为了考虑实际工程中,土层边界的排水性状是一个随时间连续变化的过程,基于经典的非线性压缩和非线性渗透关系,研究考虑排水边界时间效应时固结系数随时间变化的土体一维非线性固结问题。通过分离变量法和Laplace变换技术,获得该固结问题的近似解答;再将该文解退化并与既有差分解答进行对比,从而验证近似解答正确性。基于所得解,探讨了压缩指数与渗透指数比值Cc/Ck、最终有效应力与初始有效应力比值Nq及界面参数α、β对土体固结特性的影响。结果表明：在连续排水条件下,土体内的不排水对称面的位置与界面参数有关,并且随时间会发生变化;当Cc/Ck>1时,在固结前期,土体的沉降速率随着Nq值的增大而增大,而在固结后期则相反。排水边界的界面参数取值对反映边界排水速率影响很大,因此工程中计算地基固结速率时有必要确定界面参数取值。     

真空预压的有效应力原理浅论

通过分析有效应力原理解释固结过程的前提条件,并结合真空预压机理的再分析,阐述了真空预压过程中固结产生的有效应力原理是加固土体作为"地基",在抽真空所产生的"负压荷载"以及其较大渗流力所产生的"摩擦荷载"等外荷变化的共同作用下使其孔隙压力减小,有效应力增大而使土体固结的。此种解释将能为完善真空预压设计、施工和监测产生较大的影响。     

岩土颗粒介质非等温—维热固结特性研究

基于饱和多孔介质热-水-力完全耦合的控制方程,通过有限Fourier变换及其逆变换,对一维热弹性固结模型进行解析求解,给出土柱内部温度、孔压和位移演化过程的解析表达式。在定义了热固结时间因素和热固结系数等概念的基础上,对非等温条件下饱和土体的热固结特性及其机理进行研究,讨论了土的热固结系数与热扩散系数之比、不同的外力荷载和温度荷载组合等因素对热体积膨胀效应与热固结效应两者耦合作用的影响。此外,还分析了土体热膨胀或收缩对温度演化过程的耦合影响。     

海底原位土体孔压监测与评价技术

研制出了海底土体原位孔监测装置,由包含锥尖阻力传感器、侧摩阻力传感器、孔隙水压力传感器的测杆和相应的自动化数据采集、处理、评价系统组成,可用来监测波浪在土体内不同深度处产生的超孔隙水压力（可连续观测一个月）,并利用建立的分析评价系统查询到采集数据中的任意探测深度、任一时间段内的孔压曲线以及波浪变化曲线,也可以查询到同一时间探测深度上的孔压曲线,并判断波浪强度对孔压大小的影响以及波浪对孔压的影响深度,同时,系统将会根据有效应力原理以及物理模型试验得出的经验公式对土体液化可能性进行判别。     

特殊条件下考虑起始比降的双层地基一维固结解析解

假定初始孔压降不小于起始比降,获得了这一条件下考虑起始比降双层地基的一维固结解析解。计算结果表明当固结完成时,由于起始比降的存在,土中的孔隙水压力并不会完全消散,仍存在残余孔隙水压力,其数值与双层地基起始比降的大小有关,且上层土的起始比降对孔压消散速率、最终孔压的大小影响较下层土大;考虑起始比降,地基平均固结度按沉降定...     

海洋环境下桩-土相互作用问题的数值解

考虑波压力对海床土体应力状态的影响,基于Biot固结理论及虚拟桩技术对海洋桩-土相互作用体系进行了数学建模,并应用FlexPDE对所建立的数学模型进行了数值求解,得到了作用在桩体上的侧向土压力、桩体周围土体有效正应力以及自由场土体相对水平位移和相对垂直位移的分布,这些结果可为海洋桩基的设计与监测提供依据。     

饱和砂土中直群桩及土体地震动力响应特征研究

为了更好地研究地震作用下饱和砂土中群桩及土体动力响应特征,设计了饱和砂土液化场地2×2直群桩动力响应离心机振动台试验,获得承台、土体加速度以及孔压动力时程曲线。为了更深入地分析群桩及土体地震动力响应特征并满足对比研究的需要,在试验基础上,基于ABAQUS有限元软件平台,通过引入砂土液化大变形本构模型,采用有限元网格自适应调整技术克服大变形畸变问题,建立液化场地群桩基础静动耦合非线性相互作用的二维有限元模型进行数值模拟分析,并与试验结果进行对比验证。结果表明:在峰值加速度0.3g El-Centro地震波工况下离心机振动台试验饱和砂土地基液化速度非常快,直群桩基础承台加速度相比较输入波明显缩小,0.3g大震作用下地基浅层加速度显著衰减,地基液化区域由浅入深逐渐发育;饱和砂土地基超静孔隙水压力发展影响土体和桩基承台加速度响应,土体液化直接导致加速度数值减小;数值模拟加速度结果与试验的加速度动力响应特性略有区别,数值模拟加速度地基浅层出现先放大后缩小的规律,深层土与输入波形基本一致;数值模拟超静孔隙水压力与超静孔压比与试验基本一致,而模拟得到的承台位移结果相较于试验偏于保守。