预制自排水桩的抗挤土机理分析

基于抗挤土效应,提出了预制自排水桩的设计思想,采用土体固结理论,研究了预制沉桩过程中桩周土体超孔隙水压力的消散速度,分析了预制自排水桩的沉桩排水效果,并通过工程实例和现场测试进行比较分析和验证。结果表明,预制自排水桩具有较好的排水效果,可以起到消散桩周土超孔隙水压力的效果,从而抑制沉桩挤土效应。     

单桩沉桩引起的初始超孔隙水压力及其消散的计算

基于ADINA有限元程序和三维Biot固结有限元理论,定义桩周土为多孔介质材料,以圆柱形空腔体扩张理论为模型,模拟了一实体工程单桩沉桩过程.考虑实体工程的双面排水条件,计算得到了沉桩完成后桩周初始超孔隙水压力沿桩深度及径向的分布规律,同时计算了桩周土体90 d内孔隙水压力的消散状况.在此基础上,对桩周土因超孔隙水压的消散引起的再固结沉降进行了计算分析,得出的结果与实测结果进行了比较.研究结果表明,考虑弹塑性本构关系和三维渗流固结的有限元模型能较好地模拟沉桩引起的超孔隙水压及其消散过程.     

基于桩周土体固结的静压桩承载力时效性研究

基于静止土压力系数K_0固结饱和原状土体超静孔隙水压力消散的解析解,根据沉入低渗透性饱和土体中静压桩承载力与超静孔隙水压力消散程度的相关性,得到其在沉桩后不同休止时期极限承载力的理论解,实现静压桩在任意休止时间承载力的预测。与其他解不同,该理论解采用更符合天然土体实际工作性状的K_0固结土体弹塑性模型,能够考虑不等向固结和应力等多种因素影响,并同时考虑桩侧和桩端土体固结对静压桩承载力时效性的贡献。工程实例分析结果表明:沉桩施工所产生的超静孔隙水压力、不同时间的消散值以及不同休止时间承载力的实测值与理论值较吻合,证明解的合理性。     

考虑非达西流固结土体中桩基承载时间效应研究

为揭示堆载作用下软土固结沉降过程中桩土相互作用机理,首先,基于非达西流动定律推导土体非达西一维固结非线性方程,考虑土体固结过程中孔隙比和渗透系数等参数变化导致土体的非线性特性,通过有限差分法获得超孔隙水压力的数值解答,建立桩侧土体固结沉降计算模型;其次,基于桩土荷载传递模型,考虑土体有效应力增加对桩土界面强度的影响,提出固结土体中桩基长期承载时间效应计算理论;第三,采用Python语言编制迭代求解计算程序,获得桩身下拉荷载、桩侧负摩阻力以及中性面随时间变化的分布规律;最后,对比本文计算结果与现有试验,并进一步研究排水条件对摩擦桩与端承桩下拉荷载分布及中性面位置变化的影响。研究结果表明:与非达西流动相比,按照达西流动定律计算结果高估了土体的有效应力和桩土界面强度;排水条件对桩基础中性面位置有很大影响,双面排水时摩擦桩中性面位置随结时间向上移动,端承桩则稳定在桩尖附近,单面排水时中性面位置随固结均向下移动;本文计算结果与离心机模型试验结果总体变化规律相似,误差可以接受,提出的桩身下拉荷载及中性面位置计算方法可以高效、准确地预测桩周土体在堆载作用下非达西流动固结过程中桩基长期承载响应。     

考虑静压桩挤土应力影响的室内试验研究

通过GDS应力路径三轴仪进行饱和淤泥质粉质黏土的应变保持和剪切试验,模拟静压桩沉桩过程中及沉桩后桩周土体孔隙水压力、有效应力的变化以及剪切模量的变化。研究结果表明:桩周土体的超静孔隙水压力u与应变ε、初始应力σ0有关;最大超静孔隙水压力umax与应变ε之间近似双曲线分布关系;最大超静孔隙水压力umax与初始应力σ0之间、有效应力增量?σa′与初始应力σ0之间近似直线变化关系;剪切模量G_(50)与距桩轴相对距离r/r0之间近似双曲线分布,与深度有关;归一化后的剪切模量G_(50)/G_(50∞)与深度的关系不明显,仅与距桩轴相对距离r/r0有关,7.5倍桩径之外的剪切模量G_(50)不再受到桩贯入的影响。     

饱和黏土中球(柱)孔瞬时扩张及超孔隙水压力研究

因孔内压力瞬间加载到指定状态,球(柱)孔塑性区土体受力特征符合不固结不排水状态.基于此得出了针对饱和黏性土体中球(柱)孔扩张问题的屈服准则,此准则与Tresca准则形式相同.通过该屈服准则得出了饱和土体中球(柱)孔扩张问题的总应力场.然后通过弹性区、塑性区和弹塑性界面的特征求解出弹性区和塑性区超孔隙水压力;再根据有效应力原理,得出球(柱)孔扩张问题的有效应力场.最后利用推导出的理论成果,对沉桩引起的超孔隙水压力的实测值与计算值进行了比较分析.     

吹填土热力固结和强度特性试验研究

揭示温度对吹填土固结和强度特性的影响,对合理评价热真空预压加固效果具有重要意义.通过自主研发的温控三轴仪,系统开展了吹填土的热力固结和强度试验研究.重点分析了不同温度下吹填土的排水体积、渗透系数、孔隙水压力和固结度的演化规律,研究了固结后吹填土在排水和不排水条件下有效应力路径和应力应变关系,提出了考虑不同温度的邓肯-张模型参数.结果表明,升温过程中,土体固结变形存在明显的三阶段特征:快速增加阶段、缓慢增加阶段和稳定阶段.排水量呈指数关系增长,渗透系数线性增长,孔隙水压力消散加快,固结度逐渐增大,吹填土排水与不排水抗剪强度均显著提高.不排水条件下CSL线斜率M值大于排水条件下M值.升温不排水条件下吹填土有效球应力p′值基本维持不变,升温排水条件下吹填土偏应力q随着球应力p线性增加.确定了不同温度条件下邓肯-张模型参数,提出升温不排水条件下,可采用邓肯-张模型来描述应力应变关系,但在升温排水条件下,可采用邓肯-张模型和线性模型综合反映应力应变关系.     

预钻孔孔径对沉桩挤土效应的影响分析

为研究预钻孔孔径大小对沉桩挤土效应的影响,基于修正剑桥模型的圆孔扩张理论解答,把沉桩过程看作不排水的圆柱形孔扩张的过程,把桩周土体分为塑性区与弹性区,对比分析不同预钻孔孔径下沉桩产生的塑性区半径、桩土接触压力、桩周土体位移、孔隙水压力.分析表明土体性质及修正剑桥模型中的参数对挤土效应均有影响,其中各向同性超固结比对挤土效应的影响最大,当预钻孔孔径小于一定值时,孔径大小变化对挤土效应影响不明显.本文分析可以为沉桩工程提供理论参考.     

考虑固结流变的软土地基单桩下拉荷载计算

为研究大面积堆载作用下软土地基中单桩下拉荷载计算方法,基于非达西流动定律引入软土流变模型,建立了拉格朗日坐标系中考虑固结和流变共同作用下软土地基大变形长期沉降非线性计算模型.模型中考虑了固结流变过程中孔隙比与渗透系数随孔隙水的排出而发生变化.进而以荷载传递法为基础,重点研究了固结流变土体中桩土相互作用时界面抗剪强度的时间效应,提出了软土地基在大面积堆载作用下考虑非达西流动固结与流变耦合效应时单桩下拉荷载理论计算方法,通过假定桩顶变形进行迭代求解,获得了桩身下拉荷载分布与中性点长期变化规律.最后与传统固结计算方法进行比较,并分析了平均固结度、非达西流固结参数、流变参数以及堆载大小对下拉荷载变化的影响.研究结果表明,基于传统土体固结理论的计算结果偏于保守,考虑固结流变共同作用对单桩受力的不利影响极为必要.     

降雨对土坡稳定的影响

为了模拟降雨过程中边坡土体强度的变化,以室内常规不固结不排水三轴试验为基础,探讨了含水量的变化对土体抗剪强度参数及应力-应变关系的影响,并从孔隙水压力的角度探讨了降雨过程中含水量的变化对土体变形的影响.试验结果表明:抗剪强度参数与含水率变量总体上呈非线性关系,但对于粘聚力(c)和内摩擦角(ψ),在含水质量分数为18.64%处均达最大值,并且随着含水量的增加,c、ψ值均单调递减;重塑黏性土的应力-应变关系呈近似双曲线,并且随着含水量的增减应力-应变关系曲线越来越接近两边的坐标轴.最后,从土体强度和变形的两个角度分析可知,降雨过程中所造成的含水量的提高最终导致了边坡的破坏.     

考虑孔压消散时黏土的动变形研究

针对饱和黏土随时间的增加不断排水的情况,在不排水动剪切之后,实施了孔压消散阶段,并对不同消散程度土体的不排水剪切变形进行了研究.结果表明：完全固结后,饱和黏土刚度与动强度将会提高,再次保持原动应力水平不排水剪切时,土体轴向塑性变形基本不发生变化;当孔压消散与不排水动力剪切重复作用时,土体的变形主要来自于固结排水产生的轴向形变,且动剪切产生的动孔压与固结时的排水量随固结次数的增加而减小,并最终趋于稳定.随着固结度的增加,不排水剪切时的动变形不断减小.     

基于修正剑桥模型的软黏土中沉桩过程#br# 欧拉-拉格朗日耦合模拟分析

摘要： 利用CEL(Coupled Eulerian Lagrangian)有限元大变形方法模拟了不排水条件下软黏土中沉桩施工对桩周土体的影响.利用有效应力的方法实现了修正剑桥(MCC)模型Vumat子程序中超孔压的计算,通过与室内土工试验(一维压缩试验和三轴试验)结果对比证明了子程序的可靠性.将修正剑桥模型的Vumat子程序嵌入到Abaqus/Explicit的CEL方法中用于软黏土中沉桩效应的模拟分析.对计算得到的桩周土体流动、水平位移、超孔压、水平应力的分析表明,所采用的考虑孔压的CEL数值分析方法可以较好地模拟软黏土非排水条件下沉桩效应问题.     

静压沉桩后黏土中超孔压时空分布规律研究

为了解层状黏土在沉桩后桩周及桩端的超孔压对沉桩挤土效应的影响,采用现场原位试验和数值模拟方法,分析了桩土界面处超孔压的时空分布特征和上覆竖向有效应力随时间的变化规律,并在水力压裂理论和孔穴扩张理论的基础上引入修正剑桥模型,推导了桩周土体固结过程中桩土界面处上覆竖向有效应力和超孔压的修正计算公式。结果表明:从时间上看,在桩顶的外荷载作用下,超孔压随时间消散的同时,上覆竖向有效应力逐渐增大；成桩后30.d超孔压基本消散完毕,上覆竖向有效应力不再增长,地基土处于休止期。从空间上看,超孔压随桩埋深的增大而增大,在渗透性差的黏土层增长较快；不同荷载条件下,距桩心的水平距离和桩端的竖向距离越小,超孔压越大；靠近桩端和桩心的超孔压最大值与桩顶荷载大小呈负相关关系。     

考虑无井阻和土体非线性的真空-堆载联合预压复合地基固结分析

针对真空-堆载联合预压复合地基固结问题,考虑土体的非线性,通过引入对数模型,给出真空-堆载联合预压复合地基非线性固结问题的解析解。运用算例分析讨论了复合地基固结性状的变化规律。结果表明,真空-堆载联合预压复合地基非线性固结问题可看作是真空荷载和堆载两者叠加的效果,其按应力定义的固结度与按变形定义的固结度不同;按应力定义的固结度,当土体压缩指数与渗透指数之比小于1时,增大真空荷载值或堆载值,固结加快,当其大于1时,情况则相反;土体压缩指数与渗透指数之比、井径比、涂抹区大小越大,桩土模量比越小,固结越慢;在时间因子较小时,扰动区土体超静孔压增长速度明显大于未扰动区;距离桩体越远,超静孔压消散越慢。     

考虑固结路径影响的天然沉积土不排水剪切试验研究

针对传统等向固结剪切试验不能反映实际工程中的非等向变形和强度特性的局限,采用GDS应力路径三轴试验仪,对天然沉积结构性软黏土进行了不同固结条件下的不排水剪切试验,探讨不同应力路径对天然沉积土不排水剪切特性的影响.结果表明:相同的平均有效固结应力下土体偏压固结后剪切阶段应力-应变关系曲线的峰值强度大于等向固结的峰值强度;固结过程偏应力的存在提高了土体的总应力强度指标,当控制固结压力终值的剪应力相同时,偏压固结的强度包线相对于等向固结将平行上移;等向固结下当固结压力大于结构屈服压力时,有效应力路径与屈服面具有相似性,剪切屈服破坏后有效应力路径沿着临界状态线下滑;偏应力固结后剪切过程中有效应力路径的走向相对于等向固结发生了向右偏转.     

基于分段线性化模型的一维流变固结分析

为进一步认识饱和软黏土的黏滞效应对其一维固结过程的影响,引入考虑时间效应的统一硬化(UH)本构模型来描述其变形的弹黏塑性,从而改进了一维分段线性化(CS2)固结模型.通过与已有研究成果的对比,证明了UH本构模型以及修正后CS2模型的有效性.在此基础上,探讨UH本构模型参数对固结进程的影响.数值分析表明,饱和软黏土的黏滞效应使得靠近不排水面处的土体在加载初期出现了超孔隙水压力升高的现象,随后减缓了加载中后期地基超孔隙水压力的整体消散,增大了地基的沉降量.同时,随着回弹指数和初始超固结参数的增大,上述流变固结特性更加明显.     

初始孔隙比对饱和砂土动力特性影响研究

通过对汶川细砂在不同循环应力比下的等压固结不排水动三轴试验,着重研究了考虑初始孔隙比对饱和砂土的动强度与孔压特性影响,建立了不同有效围压下的动抗剪强度表示方法,比较了一定振次下的动强度指标,为抗震设计提供参考与借鉴.从孔压随荷载循环次数变化和一定振次下液化所需的循环应力比这两种角度研究孔压特性,结果表明:相对密实度对砂土抗液化能力有着显著影响,孔压的发展取决于初始孔隙比,循环应力比越高时,表现得越明显.     

不同应力历史条件下软黏土强度时效特性

采用恒定剪切速率的室内试验,对经历不同应力历史的天然软黏土的不排水强度时效特性进行了研究,探讨了软黏土不排水强度的时效特性、有效应力路径、不同应力历史的影响和软黏土应变速率变化对不排水强度的影响规律和影响程度.为了消除土体各向异性对试验结果的影响,对同一土样采用了变剪切速率的试验方法.土样在剪切前,采用了不同应力路径进行固结.试验结果表明,在三轴压缩条件下,剪切速率每提高10倍,不排水抗剪强度平均提高9.7%;三轴拉伸条件下,剪切速率每提高10倍,不排水抗剪强度平均提高7.2%.     

充填土袋受力和变形特性离心模型试验研究

利用疏浚土及吹填泥作为充填料的土工织物充填袋筑堤技术得到极大关注.针对连云港疏浚土,采用土工离心模型试验技术,研究黏粒含量对充填土袋受力和变形的影响以及充填袋水平排水效果.试验结果表明,充填土袋沉降主要发生在施工期,竣工后沉降变化很小,施工期充填土的孔隙水压力和充填袋的应变明显增大,竣工期达到最大,随后缓慢减小,不排水强度随深度增大.沉降和孔隙水压力随粘粒含量的增加而增大,不排水强度随粘粒含量的增加而减小.充填袋水平排水效果达10%~15%,充填土袋筑堤,充填土的黏粒含量应小于20%.     

干湿循环下万州侏罗系泥岩残积土的环剪试验

对取自万州区侏罗系库岸某泥岩残积土,分别进行5次、13次和21次干湿循环后得到3组重塑样,利用大型环剪仪开展固结不排水剪切和自然排水残余剪切试验.试验结果表明:随着干湿循环次数的增加,饱和泥岩残积土在不排水剪切过程中更易产生较高的超孔隙水压力,不排水残余强度因干湿循环而劣化;随着干湿循环次数的增加,饱和泥岩残积土的有效残余黏聚力急剧增大,有效残余内摩擦角则显著减小,残余强度变由粒间黏聚力基本控制;泥岩残积土的残余强度具有显著的剪切速率相关性,且在较小的速率范围内具有"负速率效应",而在较大的速率范围内则有强烈的"正速率效应".随着干湿循环次数的增加,残余强度表现出强"正速率效应"的起始速率将减小.研究结果对三峡库区侏罗系岸坡在季节性降雨和周期性库水位变动下的稳定性评价具有一定的参考价值.