竖井地基热排水固结本构模型及试验验证

考虑饱和土体先期固结压力随温度变化情况,对非等温条件下土体e–lgp曲线上点的移动规律进行研究,建立了饱和黏土的非线性热弹性本构模型,并开发编制了TSDSS有限元程序。同时,开展了竖井地基热排水固结模型试验,将试验结果与模型试验的TSDSS模拟结果进行对比,两者较为吻合,从而验证了该本构模型的正确性,且能从机理上反映热排水固结过程,数值模拟结果进一步表明:土体导热系数越大或渗透系数越小,热排水固结过程中产生的孔隙水压力峰值越大;渗透系数越小,热排水固结越慢;导热系数越大,热排水固结越快。     

饱和土体圆柱形热源热固结问题的一个近似解

在考虑土骨架和孔隙水热膨胀特性差异的基础上,根据力平衡条件、有效应力原理、能量守衡定理及线弹性应力–应变关系,建立了考虑耦合效应的饱和土体热固结问题控制方程。利用 Fourier 变换、Laplace 变换及其逆变换,给出了热固结问题的求解方法。对一无限长圆柱形热源向外传导和扩散问题进行研究,给出了非等温条件下周围饱和土体的温度、孔隙水压力和位移的解析解,并对其变化规律进行研究,分析了热固结系数等参数的影响。     

饱和黏土中热交换桩承载力特性模型试验研究

在28℃,28℃→55℃,28℃→55℃→28℃三种工况下,开展宁波饱和黏土中热交换桩承载力特性模型试验研究,先对桩土加热(降温),再进行静载荷试验,测定土体的温度和孔隙水压力、地表沉降及桩顶位移、桩身轴力和荷载–沉降试验数据,研究土体的热固结过程及桩负摩阻力的形成机制;其次,以模型试验为原型,利用Abaqus软件建立了考虑热流固耦合作用的桩–土有限元模型,将计算结果与试验结果进行对比验证,进而讨论温度对桩身轴力和桩侧摩阻力的影响,结果表明:加热升温后,桩、土发生膨胀变形,土中出现超静孔隙水压力;随着孔压的消散,土体发生热固结现象,且其固结沉降量大于桩体沉降量,地基最终表现为沉降变形,而桩侧出现下拉荷载,产生负摩阻力;随温度的升高,沿深度方向,桩身轴力衰减,热固结后土体的强度有所提高,桩侧摩阻力增大,单桩极限承载力随温度的升高而增大。     

温度对饱和黏性土剪切特性影响的试验研究

采用温控三轴仪,考虑不同的温度–应力路径,对两种正常固结的饱和黏性土进行了固结不排水和固结排水剪切试验,研究了温度变化对土体强度、应力应变关系、孔压响应和流动法则等的影响。结果表明,温度效应的强弱与土的类别有关,温度变化对粉质黏土的剪切特性基本没有影响,但对黏土的影响不容忽视。随着温度的增加,黏土的不排水和排水峰值强度有明显的提高,临界摩擦角基本保持不变。不同温度下黏土不排水剪切过程中均产生正的超孔压,排水剪切中土体体积均持续减小,表明高温下偏应力偏应变曲线出现软化的原因与强超固结土的剪胀机理有区别。黏土剪切特性的变化程度与温度–应力路径相关,先升温后固结试样的不排水强度比固结后升温试样的低。温度循环一周后,黏土的不排水强度较室温下有明显提高。     

不排水升温条件下黏性土孔压响应

 核废料的埋置和能源桩的使用都会升高地基土的温度,改变土的力学性能(特别是强度、刚度),造成高温结构周围地基土的额外变形、甚至失稳。以往的相关研究主要揭示排水升温(慢速升温)对土体力学性能的影响,而很少考虑实际工程中经常遇到的不排水升温(快速升温)对地基土的影响。基于理论和试验,对黏性土在不排水升温过程中的孔压响应进行了研究。在理论研究方面,基于临界状态土力学框架,推导了黏土温度与孔压的关系。同时在GDS三轴仪中增设温控仪,对2种黏土(紫金港黏土、马来西亚高岭土)不排水升温的孔压响应进行实验研究。实验结果显示,不排水升温作用下,正常固结土和超固结黏土中均产生正的超孔压。超孔压随温度的升高而增大,但随土体超固结比的增大而减小。对于正常固结土,在20 ℃～55 ℃范围,每升高10 ℃,土体有效应力约减小10%。当超固结比大于10后,不排水升温引起的超孔压几乎可以忽略。通过公式计算得到的黏土温度与孔压的关系与实验结果对比较好,验证了公式的可行性。     

宁波地区典型软黏土热固结特性理论与试验研究

为了解宁波地区典型软黏土在温度作用下的固结特性,对其进行了不同温度和围压下的热固结试验,并进行了理论分析。结果表明:理论分析和试验结果相互验证;对软黏土而言,温度主要通过影响土中水的粘滞系数来提高土体的渗透系数,进而加速土体的固结过程;温度越高,土体的固结越快,土体的固结度也越高;温差越大,固结度差值越大;不同温度下的固结度差值随时间的增大呈现出先快速增大至极值,然后再逐渐减小至零的现象。因此,温度效应主要体现在排水固结过程的前小半段时间内,而且温差越大,影响效果越明显。     

任意施工荷载作用下天然结构性软粘土的一维非线性固结分析

考虑固结过程中结构性土体的非线性压缩特性、渗透系数的变化以及施工荷载随时间任意变化规律因素,推导了天然结构性土体的一维非线性固结方程。利用Crank-Nicolson差分格式离散非线性固结方程以方便求解。分析表明:不考虑土体结构效应的非线性固结和线性固结分析所得的超孔压明显大于考虑土体结构效应的非线性固结结果;当时间因数较小时,考虑土体结构性的非线性固结分析的固结度明显大于不考虑土体结构性的非线性固结分析和线性固结结果;同时表明不考虑土体结构效应的非线性固结和线性固结分析的结果相差不大。     

基于体积膨胀法的颗粒热固结DEM模拟分析

为了利用地热能,能源桩逐渐在土木工程中被用来控制建筑的温度。但是在能源桩基础的使用过程中,在温度周期循环影响下,桩周边的土体会引起体积变化和强度衰减,从而造成基础失稳。在不考虑颗粒热传导而只考虑温度对颗粒体积影响的前提下,通过离散元软件PFC~(2D)模拟了具有温度循环的热固结测试以更好地了解结构接触面周围土体的热耦合力学性能。从微观角度描述了受温度影响的粒状材料的力学性能。试验结果表明:在温度循环固结试验中,颗粒的孔隙比和侧向围压不断降低。此外,颗粒的接触数目在增加且其各向异性变得更加明显。同时颗粒接触力的传递方向逐渐转化为以竖直方向为主。     

饱和单层土体一维热固结精确解

岩土体在非等温场下的固结响应一直是研究热点。基于考虑渗流的饱和土热固结控制方程,给出了一种三类任意边界条件下,饱和单层土体一维热固结精确解的求解方法。首先,利用函数φ将对温度和超静孔压的求解转换为对函数φ的求解,采用分离变量法,结合边界条件得到微分方程的特征函数。然后,将非齐次边界条件齐次化,利用微分方程的特征函数,采用系数变易法,给出非齐次边界条件下的精确级数解。最后,通过算例揭示土体边界的透水条件及温度变化对土体热固结响应影响显著。     

升温和降温对无约束花岗岩热破裂的影响

温度变化会引起岩石内部矿物颗粒膨胀(收缩)不均匀,发生热破裂。温度变化有温度升高和降低两种作用方式,本文通过无约束花岗岩在升温和降温两种温度作用方式下的热破裂声发射实验研究,得到如下结论:(1)花岗岩升温过程中热破裂主要表现为中高温弹塑性破裂;降温过程中热破裂主要表现为中低温脆性破裂;(2)升、降温过程岩石的热破裂机理不同,升温过程主要为压缩热应力集中形成的压剪破裂,降温过程主要为局部拉应力集中造成的拉剪破坏;(3)根据声发射特征参数统计分析,同等温度范围内,岩石降温过程的热破裂声发射事件频度和强度均高于升温过程,约为2倍,降温过程的热破裂比升温过程剧烈。     

考虑温度效应的饱和土地基固结理论

考虑温度(加热)的固结理论是当今岩土工程领域颇为关注的研究课题之一,其在能源地下工程、核废料处置和热法地基处理等方面具有应用背景。针对现有热固结理论研究的不足,考虑加热对土体固结压缩特性和孔隙水压力的影响,给出了荷载和加热联合作用下饱和土地基固结沉降、超静孔压和固结度的实用计算方法。基于详细的参数计算分析,探讨了热固结理论的合理性。最后开展耦合加热的软土地基和竖井地基模型试验,将理论解答与实测结果进行对比分析,检验理论的准确性与可靠性。研究结果表明,所建立的热固结理论可以分析地基在加热后的回弹与沉降,解释加热引起的超静孔压上升和快速消散,扩展了常温下的经典固结理论,可供涉热岩土工程相关问题分析时参考。     

Innovative thermal technique for enhancing the performance of prefabricated vertical drain during the preloading process

This paper examines the effect of raising the temperature of soft Bangkok clay, up to 90 °C, on the performance of the prefabricated vertical drain (PVD) during the preloading process. The effect of temperature on the engineering behavior of soft Bangkok clay was first investigated using a modified triaxial test apparatus and flexible wall permeameter which can handle temperatures up to 100 °C. The results of the triaxial tests on clay specimens demonstrate that raising the soil temperature increases its shear strength, under drained heating condition, as well as its hydraulic conductivity. In addition, large oedometer tests were performed to investigate the performance of PVD at elevated temperatures. The response of the soil sample with PVD for the thermal consolidation path which involved increasing the soil temperature at constant vertical effective stress condition and the thermo-mechanical path which involved increasing simultaneously both the soil temperature and the vertical effective stress were investigated. The consequent results indicated that the thermo-mechanical path shows promising results regarding the consolidation rate. For both reconstituted and undisturbed specimens, higher consolidation rate was observed for the soil specimen with PVD loaded under elevated temperature. This behavior can be attributed to the increase in the soil hydraulic conductivity as the soil temperature increases. Therefore, raising the soil temperature during the preloading period can enhance the performance of the PVD, particularly, by reducing the drainage retardation effects due to the smear zone around PVD.     

地表温度周期波动的饱和土一维热固结解析解

针对地表温度周期波动的饱和土一维热固结问题,建立相应的热固结模型。利用偏微分理论,得到土层内部超静孔隙水压、温度增量的解析解,并进而得到地基沉降的表达式,由此分析饱和土的一维热固结性状,并与Terzaghi解进行比较。结果表明:热固结性状与温度增量、热传导速率、温度波动周期等有关;受地表温度周期波动的影响,超静孔隙水压、沉降也会出现波动性。     

基于动态压缩模量的路基工后沉降计算研究

基于太沙基单向固结理论,结合土体变形计算公式,推求饱和土压缩模量的表达式.研究饱和土体压缩模量随固结度、固结系数和排水路径的变化规律,并分析了压缩模量的时间效应及其在路基工后沉降预估中的应用研究.结论表明：1）固结初期,压缩模量随固结度增加呈缓慢线性增长;固结度U ＞60％时,压缩模量增长速度加快;固结后期,压缩模量增加很少;2）固结时间相同,压缩模量随固结系数增加而增加;固结系数Cv＜5000 cm2/a时,压缩模量几乎不变;3）双面排水时的压缩模量增长速度远大于单面排水;4）压缩模量随时间呈近似线性增长,且存在上限值;利用动态压缩模量可有效预估路基工后沉降.     

考虑固结压力和加热温度影响的软土次固结系数

目前常用的软土次固结变形计算方法视次固结系数为常数,但研究表明,固结压力和温度对软土次固结都有着重要影响.本文在梳理已有研究成果的基础上,对原状软土次固结系数Cα随固结压力p和温度T变化的规律进行了研究,提出了考虑两者耦合作用的数学表达式,并进行了验证.结果发现:软土的结构性对Cα-p变化曲线有显著影响,当固结压力很小...     

Importance of considering unsaturated triaxial tests including ceramic disk as initial and boundary value problems

Considering unsaturated triaxial tests including a ceramic disk as initial and boundary value problems, a series of suction change, isotropic consolidation, and drained shearing processes was simulated using a soil-water-air coupled elastoplastic finite deformation analysis code. As a result, it was demonstrated that the delayed behavior of a wetting-induced collapse during the suction change and isotropic consolidation processes, as well as water-absorption behavior during the subsequent drained shearing process, were attributed not to the characteristics of the soil specimen, but to the permeability of the disk. Thus, it is important to take the ceramic disk into account in unsaturated triaxial tests regarded as initial and boundary value problems in order to understand the temporal change behavior of unsaturated soil specimens. Otherwise, there is a risk that the behavior appearing as the solution of an initial and boundary value problem may be modeled as a constitutive relation.     

淤泥质黏土火灾高温下导热系数的试验研究

对火灾高温下隧道衬砌结构周围饱和软黏土的热传导特性进行了试验研究,旨在进一步探讨作用于隧道结构上的荷载变化,以便准确评价其安全状态.采用热探针程序法(美国材料与试验协会(ASTM)确定土体和软岩导热系数的标准方法),应用自行研制的高温土体导热系数测定仪测定了上海淤泥质黏土在高温下的导热系数.试验分别测定了不同温度及不同含水率条件下土样的导热系数,并以KD2导热系数测定仪作为校准仪器对试验结果进行了校正.试验结果表明导热系数随着温度的升高而增大,且其增大的速率随温度的增加而减小,特别是对含有机质的淤泥质黏土因有机质的高温分解而使得这种降低更加明显;此外,在不同高温下土体导热系数随含水率的增加而增大.     

泥炭土的固结特性试验研究

沉降量大且沉降持续时间长是修建在泥炭土地基上的工程所面临的主要问题,而目前国内外学者对泥炭土固结特性的研究结果不尽一致。鉴于此,本文以云南某高速公路泥炭土路段为依托,参照一般土体的室内土工试验方法,对不同有机质含量的泥炭土进行了基本性质试验和一维蠕变试验。结果表明:有机质含量越高,泥炭土的次固结变形量越大。强泥炭质土和泥炭在不同压力下主固结完成时间较短,且基本不受固结压力的影响,这与淤泥质土的相应规律有较大差别。此外,先期固结压力对强泥炭质土和泥炭的次固结沉降速率有很大的影响,而且当荷载大于先期固结压力时,按照一般土体的试验方法进行一维固结试验所得强泥炭质土、泥炭的e-lgt曲线未出现反弯点。弱泥炭质土可参照一般软粘土的方法用e-lgt曲线确定次固结系数,其次固结系数随压力的变化规律与一般软土的变化规律一致,即次固结系数随固结压力先增大后减小。