岩土工程技术创新方法与实践

岩土工程学科发展,创新是灵魂。基于笔者与其创新团队对近年来开展的岩土工程新技术研发工作,从技术创新的角度进行了归纳,并力求从技术创新过程中探讨产学研实践方面的研究问题。首先介绍了岩土工程技术创新的内涵和分类,围绕集成、逻辑推理和联想等思路,着重探讨了优缺点互补创新法、逆向思维创新法、组合技术创新法、希望点列举创新法、触类旁通创新法、强制联想创新法和扩散（发散）思维创新法7种方法,基于笔者近年来研发的系列创新技术,围绕上述的7种创新方法,分别阐述每种新技术的研发背景、研发过程和技术内容。以现浇混凝土大直径管桩（即PCC桩）技术创新为例,阐述了产学研的研究思路和研究过程。     

考虑土体三维波动效应的现浇大直径管桩纵向振动

考虑土体三维波动效应和桩-土耦合振动,把桩看作一维杆,把土体看作三维轴对称黏弹性介质,对黏弹性地基中现浇大直径管桩纵向振动频域特性进行了理论研究。首先通过引入势函数对土体振动方程解耦,采用Laplace变换和分离变量的方法求得了桩周土及桩芯土频域响应解析解,进而利用桩土完全耦合的条件得到桩振动响应解。将所得解完全退化到实心桩的解,验证了解析解的合理性,并与未考虑三维效应的简化解对比。分析了桩底刚度系数、桩长以及桩径等对桩顶复阻抗的影响,得到了各参数对桩振动特性影响的规律。分析表明：桩底刚度系数增大,共振频率增大,且复阻抗的振荡幅值增大。无桩芯土时复阻抗的振荡幅值比桩周桩芯土都存在时大,无桩周土时复阻抗的振荡幅值比无桩芯土时大。桩长增大,桩顶复阻抗的振荡幅值和共振频率均显著减小,当桩长增大到一定长度的时候,增加桩长对桩顶复阻抗基本没有影响。外径增大或内径减小,桩顶复阻抗的振荡幅值增大。     

堆石料动力变形特性的尺寸效应研究

开展了反应堆石料尺寸效应的大、中型动三轴试验研究,分析了试样尺寸与堆石料剪切模量和阻尼比的变化关系.基于动三轴试验成果进行了反映堆石料尺寸效应的细观数值模拟研究.首先分析了细观参数对数值模拟结果的影响,得出了细观剪切模量、细观泊松比和细观摩擦系数与试样宏观动剪切模量和阻尼比的变化关系.其次进行了不同试样尺寸的堆石料细观数值模拟研究.数值模拟过程中不同试样尺寸采用的试验级配采用相似级配法进行制备,试验过程中控制试样的孔隙率相等.根据细观参数与颗粒直径之间的变化关系,通过数值模拟分析得出了试样最大动剪切模量和阻尼比随颗粒最大直径的变化的规律,建立了反映堆石料尺寸效应的最大动剪切模量计算公式.     

堆石料剪胀特性大型三轴试验研究

基于不同初始孔隙比e0和不同固结压力σc情况下筑坝堆石料大型三轴固结排水剪切试验,分析了堆石料应力应变关系与体积应变关系以及剪胀率ζ与塑性剪应变εsp关系的变化规律。研究表明:对于颗粒级配确定的堆石料,剪胀剪缩转化关系由临界初始孔隙比(e0)crit与临界固结压力(σc)crit共同决定;堆石料破坏时的剪胀率ζf可以成为材料剪胀性的判断标准。通过试验数据非线性拟合分析,提出了堆石料应力应变关系与塑性体积应变关系的统一表达式以及初始物理力学状态依赖的应力-剪胀方程和破坏时剪胀率ζf表达式,并由此获得了堆石料剪胀剪缩转化的判断准则。     

应力路径条件下堆石料剪切特性大型三轴试验研究

依据宜兴抽水蓄能电站上库主坝主堆石料原型级配,联合采用相似级配和等量替代的级配模拟技术制备大型三轴试样,利用YS-30型应力路径大型试验机开展应力路径条件下堆石料剪切特性大型三轴试验研究.研究结果表明:应力路径与固结应力共同作用,成为影响堆石料剪切特性的主要外部因素.堆石料抗剪强度具有显著的非线性特征,而应力路径对其抗剪强度影响极小.随着σc与k的增加,应力-应变关系由低压应变软化、高压应变硬化型向完全应变硬化型转变;体积应变关系由低压剪胀、高压剪缩型向完全剪缩型转变;随着应力比k的增加,堆石料塑性变形性质逐渐由剪切塑性变形变化为主转变为压缩塑性变形变化为主,破坏形式则由剪切破坏转变为压缩破坏.堆石料剪胀剪缩转化关系由临界应力比kcrit与临界固结应力(σc)crit共同决定.     

饱和南京细砂液化后大变形特性试验研究

 利用空心圆柱扭剪仪对饱和南京细砂进行液化后静力再加载试验,研究其液化后应力–应变关系及孔隙水压力(孔压)消散特性,发现饱和南京细砂液化后的应力–应变关系呈S型曲线形状、归一化消散孔压与偏应力呈线性关系,据此提出饱和南京细砂液化后的本构模型和孔压消散模型,并进行该模型的验证性试验,结果表明2个模型的预测值与试验值较为吻合;探讨初始有效围压、相对密度对饱和南京细砂液化后特性的影响,分析结果表明：初始有效围压对饱和南京细砂液化后的本构模型及孔压消散模型均有较大影响;相对密度仅对液化后的本构模型有较大的影响,而对孔压消散模型基本没有影响。     

密度和围压对粗粒土力学性质的影响

通过4组不同密度的粗粒土大型三轴压缩试验,研究了密度和围压对力学性质的影响。成果表明:对于同一种粗粒土,密度和围压是影响力学性质的重要因素,它们共同决定了粗粒土的应力应变曲线形态。疏松的粗粒土一般表现为应变硬化型和体积压缩,随着围压的增大,应力应变曲线的硬化特征更加明显,体缩变形也增大。密实的粗粒土在低围压下应力应变曲线一般呈软化型,且常常表现出较大的体胀变形;高围压下,则表现出硬化特征和体缩特征。密度相同时,围压越高,粗粒土的抗剪强度也越高;围压一定时,粗粒土的残余强度相同。初始孔隙比小的粗粒土在相同的应力状态下体积变形也较小。密度是决定初始弹性模量的根本因素,而剪切变形过程中弹性模量则是密度和应力状态共同决定的。三轴压缩试验条件下,剪应力引起的体积变形一般是先剪缩后剪胀的,其大小由密度和应力状态决定。     

抗液化排水刚性桩沉桩过程中的孔压响应

抗液化排水刚性桩是一种将刚性桩与竖向排水体相结合的新桩型,可用于提升饱和土地基在地震作用下的抗液化能力。基于某建筑桩基工程,首次开展了抗液化排水刚性桩和不含排水体的普通刚性桩的沉桩对比现场试验,分析了沉桩过程中桩周土体超孔隙水压力的增长及消散规律。试验结果表明:沉桩过程中,抗液化排水刚性桩对桩周超孔压的消散作用对于可液化土层所在的桩侧深部埋深处最明显(试验测点距桩心2倍桩径、埋深-15 m),该处排水桩的超孔压峰值为普通桩的1/4到1/2,排水桩消散70%峰值超孔压所需时间仅为普通桩的1/3;在深部埋深(-15 m),排水桩的最大影响半径为2~4倍桩径,在上中部埋深(-5 m、-10 m),排水桩的最大影响半径为4~8倍桩径;在影响范围内,同位置排水桩对深部可液化土层超孔压的消散作用要大于上中部埋深土层。现场试验数据为抗液化排水刚性桩的桩间距选择提供了有力的设计参考依据。     

考虑剪切变形的PCC桩水平振动响应解析解

 为了探讨考虑剪切变形的PCC桩水平振动特性,首先,采用Timoshenko模型模拟PCC桩,建立其水平振动控制方程;其次,采用微分变换和分离变量法对三维土体控制方程进行解耦,推导出土体位移和水平阻抗解析表达式;然后,结合桩土连续性条件,推导出PCC桩动力复阻抗解析表达式。由此进行算例分析表明：Timoshenko模型与Euler-Bernoulli模型推导的桩顶水平动力复阻抗变化规律一致,验证了解的合理性;复阻抗实部均随桩长增加而减小,虚部均随桩长增加而增大,当桩长增加到临界桩长时,桩长对复阻抗实部和虚部基本没有影响;复阻抗随内径减小而增大,当内径减小至0.2 m及以下时,桩芯土对复阻抗影响不大;当横截面面积相同时,平均半径和壁厚对复阻抗均有显著影响。     

格栅碎石桩技术及现场试验研究

格栅碎石桩是一种在碎石桩中加入格栅套管的复合地基软基处理方法.介绍了格栅碎石桩的施工工艺、作用机理以及检测方法,并通过现场静载荷试验证该技术的合理性.格栅碎石桩克服了碎石桩承栽力低、有效桩长短和压缩变形大等不足,且造价不高,因此该技术在高等级公路、市政工程、建筑工程及港口等工程软基加固中具有广阔的应用前景.