桩周黏弹性土体固结分析

沉桩过程中桩周土体产生超静孔隙水压力,桩承载力的提高很大程度上依赖于超静孔隙水压力的消散。采用Merchant流变模型模拟土体黏弹性,考虑土体径、竖向耦合固结,研究沉桩后土体的再固结问题。假定沉桩后产生的超静孔压满足圆孔扩张理论,根据连续性条件,获得研究问题的控制方程。采用分离变量法、结合Laplace变换求得其级数解答。将该解答编制成应用程序,对一算例进行了分析。算例分析表明,深度在5.0m范围内土体的孔压消散受竖向固结影响较为明显;土体黏弹性减慢固结速度主要表现在中期接近后期阶段。     

考虑土体三维强度特性的静压桩周超孔压解析及演变

 将饱和黏性土中静压沉桩过程近视看作柱孔不排水扩张问题,在充分考虑土体三维强度特性的条件下采用SMP准则改进的修正剑桥模型,推导得出柱孔扩张引起超孔压的基本解答。在此基础上,考虑桩周土竖向和径向固结,建立空间轴对称固结方程的定解条件,采用分离变量法求得桩周超静孔隙水压力消散的级数解答。分析桩周土体超静孔隙水压力随时间和空间的演变规律,揭示应力历史、径向和竖向固结系数以及剪切模量等因素对初始超孔压的产生和随后的固结速率的影响规律,并通过实例验证本文解答的合理性和适用性。通过与现场实测对比,本文解答较好地反映了静压桩周土体超静孔隙水压力的演变规律。此外,桩周土体的超静孔隙水压力随距桩侧径向距离增大呈对数衰减。剪切模量和竖向固结系数对桩周土体固结速率影响较小,而土体超固结比和径向固结系数对固结速率影响较为显著,表明超孔压消散主要发生在径向。研究成果对静压桩承载力的确定具有一定的指导意义。     

排水管桩桩周土固结特性分析

本文基于比奥固结理论,将桩土界面看作透水边界,建立了饱和粘土中采用排水管桩静压沉桩后单桩桩周土体固结的空间轴对称定解条件,给出了相应的超静孔隙水压力和固结度的级数解答,根据本文的级数解答编制计算程序,并对一算例进行了对比分析。分析结果表明:相比于普通桩,由于将桩土界面看作透水边界,采用排水管桩可以更有效地加快沉桩引起的超静孔隙水压力消散,从而达到降低沉桩引起的负面影响,加快单桩承载力的发挥和缩短工期等目的。本文的研究成果为排水管桩的工程应用提供了有效的理论依据。     

考虑透水性的管桩桩周土体固结特性计算

本文基于比奥固结理论,考虑饱和粘土中桩土分界面的透水性,建立了排水管桩静压沉桩后单桩桩周土体固结的空间轴对称定解条件,通过理论推导,得到了桩周土体中因沉桩引起的超静孔隙水压力的级数解答,并结合某工程实例,对比分析了透水管桩与普通不透水管桩桩周超静孔隙水压力消散速度的差异性。通过对比分析发现,在考虑桩土界面透水性情况下,桩周土体中的超静孔隙水压力在纵向和径向的消散速度明显快于普通不透水管桩,透水管桩能有效地减少沉桩引起的工程问题,提高工程质量和工程治理效果。此研究成果为透水管桩的广泛推广提供了理论支持。     

孔隙流体可压缩各向异性土体三维固结半解析数值模拟

 基于满足边界条件的位移和超孔隙水压力试探函数,利用半解析数值原理建立考虑孔隙流体可压缩性各向异性层状土体三维Biot固结问题的有限层求解格式,由三角函数系的正交性实现加权余量方程按不同级数项的解耦。在编制相应计算程序实现有限层方程求解的基础上,进行算例数值分析,通过计算结果和经典解答的对比验证半解析数值方法的有效性,同时说明渗透各向同性、孔隙流体可压缩性、横观各向同性以及土体层状分布对三维固结行为的影响。     

基于总应力法的静压桩极限承载力时效性研究

考虑天然饱和黏土的应力历史和初始应力各向异性,推导得出了静压沉桩过程和再固结过程中静压桩周土体应力状态的变化规律。在此基础上,根据静压桩承载时桩侧土体应力状态与单剪试验及三轴试验中土体应力状态之间的相关性,基于总应力法推导了天然饱和黏土地层中静压桩时变承载力的解析解,提出了桩侧和桩端承载系数的理论计算方法。采用离心模型试验对本文解答进行验证,研究了沉桩结束后静压桩承载力随再固结时间的变化规律,分析了土体原位力学特性与静压桩承载系数之间的关系。研究结果表明,沉桩结束后静压桩承载力的增长主要是由于桩侧承载力的增长,而且静压桩承载力在沉桩结束后较短时间内增加的幅度较大,随后增长幅度变缓并趋于稳定;土体超固结比和静止侧压力系数越大,沉桩结束后承载力增长速率越快,但桩侧和桩端承载系数均随土体超固结比和静止侧压力系数的增大而减小。     

高置换率散体材料桩-不透水桩多元组合桩复合地基固结分析

多元复合地基是近年出现的一种新型的复合地基形式,其利用两种或者两种以上的桩型对地基土进行加固,以期达到提高地基承载力,减小工后沉降,加速地基固结的作用。以高置换率散体材料桩联合不排水桩的多元复合地基为研究对象,通过引入散体材料桩内径、竖向渗流,对散体材料桩和土体均采用固结方程进行求解,同时考虑多元桩和土体共同承担外部荷载,推导了该多元组合型复合地基的固结控制方程及解析解答,并对解答的合理性进行了验证,最后对多元组合型复合地基的固结性状进行分析。     

Ko固结饱和土沉桩引起的超静孔隙水压力

根据饱和粘土中沉桩特点,用柱孔扩张理论模拟其贯入过程,将扩张后周围土体分为塑性区和弹性区,由柱孔扩张基本平衡方程和边界条件,采用能够考虑天然状态土体实际固结性状的K_o固结土体本构模型的屈服面方程为屈服准则,以对数应变考虑桩周土体发生的大变形,结合Henkel孔压公式,推导出沉桩后桩周超静孔隙水压力的理论表达式。通过算例分析了土体剪切模量、临界状态应力比、超固结比和静止侧压力系数对超静孔隙水压力的影响。同时,与基于修正剑桥模型解答和工程实例进行对比分析,理论计算值和现场实测值吻合较好,表明理论结果的合理性与实用性。     

考虑桩土侧向变形的复合地基固结解

在竖向变形相等的条件下,同时考虑了桩、土在固结过程中发生竖向和侧向变形、土体中的径向和竖向渗流以及土体水平渗透系数的3种变化模式,给出了此类复合地基固结问题的解析解,并对该解和不考虑桩、土侧向变形的现有解答进行了比较,最后对地基的固结性状进行了参数敏感性分析.结果表明:考虑桩体的侧向变形会降低地基的固结速率;桩、土的泊...     

复杂条件下复合地基固结解析理论研究

与砂井地基相比,复合地基具有桩体压缩模量较大、直径较大、受荷后应力向桩体集中以及桩体发生侧向膨胀等特点,因此,复合地基固结虽然类似于砂井地基固结但又与之不同.针对现有复合地基固结理论不能合理充分地考虑复合地基这些特点的不足,基于复合地基桩、土共同承担外部荷载的原则,提出一个新的关于复合地基固结初始条件,并对复合地基施工扰动引起的土体渗透系数变化、附加应力随深度和时间变化、桩体固结压缩、土体非线性以及桩、土发生侧向变形等复杂情况下的复合地基固结问题进行了较详细深入的研究,主要的工作和创新成果如下:(1) 给出能同时考虑扰动区土体渗透系数变化、附加应力既随时间变化又随深度变化的复合地基固结普遍解,以及荷载单级施加、附加应力沿深度线性变化时超静孔压和平均固结度的具体表达式,并对地基的固结性状和桩-土应力比的发展规律进行了分析.(2) 鉴于传统桩周流量连续的假定与等应变条件矛盾,对现行桩周流量连续假定进行了修正,建立新的能够考虑桩体压缩的复合地基固结控制方程,给出瞬时加荷和附加应力沿深度均匀分布情况下复合地基超静孔压和平均固结度的表达式,将其与以往解答进行了对比,分析复合地基的固结性状.研究结果表明:采用修正的桩周流量连续条件给出的地基平均固结度小于传统桩周连续假定给出的平均固结度,而且,随着井径比的减小,两者之间的差值变大.(3) 为考虑由于桩径较大而实际存在于桩体内的径向渗流,建立能考虑桩体内的径、竖向组合渗流的复合地基固结控制方程,引入2个新的边界条件,并给出相应解析解.对比分析结果表明:所给出的解答可以合理地退化到5种简单情况下的地基固结解答;不考虑桩体内径向渗流将高估复合地基固结度速率,而且,井径比越小,高估值越大.(4) 通过引入广为认同的土体孔隙比和有效应力以及孔隙比和渗透系数的对数关系,考虑土体固结过程中压缩模量非线性增长和渗透系数非线性减小的特征,给出一种复合地基非线性固结解析解,并对复合地基的非线性固结性状进行了分析.分析结果表明:考虑非线性时按应力和按变形定义的2种固结度不相等,并且按变形定义的固结度一般大于按应力定义的固结度;当压缩指数小于渗透指数时,不考虑土体的非线性特征会低估地基的固结度;而当压缩指数大于渗透指数时,不考虑土体的非线性则会高估地基的固结度.对于按应力定义的固结度来说,当压缩指数小于渗透指数时,随着附加应力的增大,地基固结速度加快,而当压缩指数大于渗透指数时,附加应力增大,地基固结减慢;对于按变形定义的固结度而言,不论压缩指数大于还是小于渗透指数,复合地基固结速度总是随着附加应力增大而加快.(5) 在竖向变形相等的条件下,给出能考虑桩体和土体在固结过程中发生侧向变形的复合地基固结解析解,并对该解和不考虑桩、土侧向变形的现有解答进行比较.结果表明:考虑桩体的侧向变形会降低地基的固结速率.最后分析桩体和土体的变形模量和泊松比对地基固结的影响以及桩-土应力比随时间的发展规律,结果表明:桩、土的泊松比越小,地基固结越快;桩、土的弹性模量之比越大,变形模量之比越大,则复合地基固结越快;考虑桩、土的侧向变形后,复合地基的桩-土应力比虽然随固结逐渐增大,但与现有理论预测的不同,该应力比不会增长到桩-土模量比的值.     

指数渗流定律下成层地基一维非线性固结分析

在土中渗流遵循指数形式渗流定律的背景下,考虑实际中的变荷载作用及土体初始有效应力沿深度的线性增加,建立成层软土地基一维非线性固结控制微分方程及求解条件。运用有限差分法获取其数值解并编制相应的计算程序,通过与达西渗流定律下成层地基非线性固结半解析解相对比,验证了该差分解及计算程序的可靠性。最后,结合不同工况下的某四层软土地基一维非线性固结计算实例,分别对土中的超静孔压、按孔压定义的平均固结度以及地基沉降量进行计算分析。     

分段线性差分一维大变形电渗固结模型

经典固结理论假设土体的物理、力学和电学特性均匀稳定,给出的解答往往忽略实际电渗固结中土体属性的动态变化。本文采用欧拉坐标系,建立一种分段线性一维大变形电渗固结模型ECS1。该模型考虑土体孔隙比、渗透、电势随固结进程的非线性变化,可分析电渗过程中土体超静孔隙水压力、沉降与固结、电势以及电阻的动态变化。通过算例验证及阐述该模型的特点,结合算例,给出了非线性大变形情况下的电渗固结数值解,求解或分析的对象包括渗流量、沉降量与固结度、孔压与电势分布,以及不同电势梯度对固结的影响。     

真空预压法的机理分析

从讨论固结概念出发,得出真空预压法的实质。它是以降低边界上(砂垫层和砂井视为加固体的边界的一部分)u值为途径,从而形成边界与土体间u(势)分布不平衡而引起固结的。当边界具有排水条件时,在总应力基本不变的条件下,u值的降低必然导致有效应力σ＇的增加。仅当σ＇增加时,才能使土体固结。从u(势)分布的不平衡直到新的平衡之全过程即为真空预压加固过程。这是一种相对提高与发挥自重有效应力的加固方法。通过试验与理论分析说明,它与堆载预压法相比在固结产生的途径、固结过程中的特征、应力路径及砂井作用等方面有差异;而相同点则是两者的固结都来源于u(势)分布的不平衡且都满足于固结微分方程。同时,论证了渗流和固结并非因果关系以及它与降水预压的相似处及其差异;然后,提出了适用于施加外荷与直接降低边界u值两情况下的固结模型;最后,对几种固结情况进行了有效应力分析。     

吹填软土一维大变形自重固结的有限差分数值解

吹填软土发生自重固结的物理本质在于超孔隙水压力的消散与有效应力的增长,以往有关土体大变形自重固结问题的求解方法多基于Gibson大变形固结理论,未从物理本质上反映土体的固结过程。文章基于Gibson大变形固结理论的有关假定,推导建立以超孔隙水压力为变量的一维大变形自重固结控制方程,该方程的形式简单,系数的物理意义明确。结合吹填软土自重固结的边界条件及初始条件,采用修正隐式差分格式的有限差分法求解得到方程的有限差分数值解,该数值解能够求解任意e-σ′和e-k函数关系下吹填软土的自重固结过程。通过与Lee和Sills求得的解析解及SWC模型解对比,从超孔隙水压力、孔隙比及沉降3个方面对数值解的正确性进行验证。利用文章所提方法分析初始厚度、初始孔隙比及土粒比重对自重固结性状的影响。分析表明,土体自重固结过程中的沉降固结度始终大于孔压固结度,初始厚度对孔压固结度的影响更大,初始孔隙比及土粒比重对沉降固结度的影响更大。     

One-dimensional consolidation of unsaturated soils considering self-weight: Semi-analytical solutions

For the newly deposited soil, the consolidation will occur under the self-weight and external load jointly if the soil is treated by the stack pre-pressure method. The soil stress caused by self-weight has a significant influence on its consolidation process no matter the soil is either saturated or unsaturated. However, the soil’s self-weight is ignored in the one-dimensional (1D) consolidation theory for unsaturated soils (Fredlund and Hasan, 1979). In this paper, we derived the semi-analytical solutions for excess pressures and normalized settlement in 1D dimensional consolidation of unsaturated soils considering self-weight. The analytical solutions were obtained by Crump’s method (Crump, 1976), through a computing program coupling the calculation of initial excess pore pressures with the inverse Laplace transform of the obtained solutions. Then, the proposed solutions are verified through a degradation case. Several 2D charts are presented to visualize the solutions, and various examples are employed to discuss the key factors that affect one-dimensional consolidation behavior of unsaturated soils when self-weight is considered. It can be found that the relative excess pore pressure will be restrained for the one-dimensional consolidation when considering self-weight.     

盾构隧道施工引起的工后地面沉降研究

 对盾构施工引起的隧道轴线上方土体超孔隙水压力和工后地面沉降进行研究,提出盾构隧道施工引起的土体应力释放率计算方法。基于Henkel 超孔隙水压力理论,推导与隧道衬砌相邻的土体初始超孔隙水压力值。假定与衬砌相邻的各点具有相同的应力释放率,得到隧道拱顶处土体的超孔隙水压力计算方法。运用应力传递理论,提出隧道轴线上方土体的超孔隙水压力分布模式。假定压缩层厚度为隧道覆土厚度,采用太沙基一维固结理论,得到隧道轴线上方地面工后固结沉降理论计算公式。算例分析结果表明,该方法的预测值与实测值非常吻合。     

起始水力梯度对真空预压下砂井地基固结过程的影响

针对粘土中孔隙水渗流存在起始水力梯度的现象,将考虑起始水力梯度的非Darcy渗流方程引入传统的砂井固结理论对其进行修正,并给出了真空预压下砂井地基固结近似解。探讨起始水力梯度对真空预压下砂井地基固结过程的影响,包括渗流前锋面的运动规律、孔隙水压力的分布变化规律和平均固结度的变化规律。结果表明,由于存在起始水力梯度,会延缓真空压力的传播,进而影响孔隙水的渗流和整个土层的固结速度。起始水力梯度越大,滞后现象越明显。此外,起始水力梯度的存在将使平均孔隙水压力逐渐趋于某一稳定值,但无法达到真空压力,所以最终平均固结度将小于100%,且其值随起始水力梯度的增大而减小。     

超静孔隙水压下软土卸荷蠕变特性试验研究

考虑超静孔隙水压作用的软土卸荷力学特性对富水软土地区地下空间开挖变形和稳定性分析具有重要作用。以深圳地区淤泥质软土为研究对象,开展不同初始超静孔隙水压作用下的K_0固结不排水三轴卸荷强度试验和卸荷蠕变试验。试验结果表明:初始超静孔隙水压越大,固结围压越小,软土卸荷破坏越具有突然性;软土卸荷强度应力-应变曲线大致呈双曲线型,其双曲线函数拟合结果表明,卸荷强度随着初始超静孔隙水压的增大而大致线性减小。卸荷蠕变对初始超静孔隙水压敏感性很大,卸荷蠕变破坏时的偏应力约为卸荷强度试验中偏应力的90%。UU0.5应力路径相对于UU0.0应力路径更容易发生卸荷强度破坏和卸荷蠕变破坏,在实际工程中,应尽可能控制软土侧向卸荷比和超静孔隙水压的大小。     

排水条件对不同固结度软黏土动力特性影响试验研究

地铁隧道下卧土层由于施工扰动通常存在不同固结度,列车荷载下土体应变规律也有所差异,进而产生不均匀沉降。通过室内动三轴试验系统对杭州饱和软黏土进行动力测试,研究了排水条件、固结度、振动次数对软黏土动孔压和应变的影响,在试验和现有研究成果的基础上建立了考虑初始固结度、振动次数、排水条件的应变软化模型。结果表明:固结度愈高的土体,孔压发展愈缓慢,并且随振动次数增加,在较低的孔压水平就可达到稳定,排水条件下的孔压发展规律可由不排水试验获取。土体应变随循环次数的增加而增加,随固结度的增加而降低;提出的应变模型考虑了荷载循环过程中土体的排水,可以较好地模拟不同固结度下饱和软黏土的应变发展规律。     

Effect of initial water content on undrained shear strength of K0 consolidated clay

This study investigates the effect of initial water content on the pore pressure response and undrained shear behavior of K₀ consolidated reconstituted clay. A series of K₀ consolidated undrained triaxial compression tests were conducted on reconstituted Lianyungang clay. Results were compared to those obtained by isotropic consolidated undrained triaxial tests. The testing results showed that the K₀ consolidated undrained strength envelope of reconstituted soil content is a straight line passing through the origin regardless of the initial water content. The initial water content would affect the undrained strength of K₀ consolidated clay as decreased normalized undrained shear strength was observed with clay at higher initial water content. The slope C of normalized pore pressure and stress ratio is affected by the consolidation method, where C is found to be a soil constant for K₀ consolidated clay and the value would be higher with clay under K₀ consolidation. The pore pressure increases with increasing initial water content at a certain axial strain under given consolidation pressure, and the difference in excess pore pressure increases with the increasing consolidation pressure. Pore pressure coefficient at failure (A_f) increases as the initial water content increases, where a trendline can be well fitted between the pore coefficient at failure and the ratio of initial water content to the liquid limit of clay. The undrained strength indexes, i.e., effective cohesion and effective internal friction angle have decreasing tendency with increasing initial water content; however, changes in the total strength indexes of soil in this study are insignificant with varying initial water content.