软黏土中含桩地下结构地震响应离心试验模拟

针对大空间含桩地下结构(如地下车行系统)在地震作用下的动力响应特性以及场地震陷、结构上浮等危害展开离心振动台试验。试验采用饱和软黏土作为地基土,设计了自由场、整体浅埋地下结构以及等效单元浅埋地下结构3种试验情况,利用层状剪切箱消除边界反射效应,在50g的离心加速度下开展水平地震试验。试验结果表明,不同结构在地震过程中会产生自振在特定的频率区段放大响应,在整体质量、静态浮力及转动惯量等效的前提下,整体结构相对单元结构形式能够降低地震作用下结构的自振效应,且整体结构具有更好地震后抗浮性能。

基于计算流体力学-离散元耦合的相对密实度对断级配土体渗蚀效应的影响研究

土体几何因素(粒径比、细粒含量、相对密实度等)不仅影响土体内部稳定性,同时对侵蚀进程有着重要影响。基于离散单元法(discrete element method,简称DEM)与计算流体动力学(computational fluid dynamics,简称CFD)耦合方法,建立了内部不稳定土渗流-侵蚀三维计算模型。考虑细粒含量及相对密实度对内部侵蚀过程的耦合影响,对细观变量:土体孔径分布曲线、颗粒接触数目以及内部传力机制进行分析,以揭示细粒含量与相对密实度的影响的细观机制。研究结果表明:相对密实度的增加降低了侵蚀质量比,且该影响程度与细粒含量相关,细粒含量越高,相对密实度的影响更加明显;内部不稳定土体渗蚀后沿渗流方向可分为上游侵蚀区、中部稳定区及下游侵蚀区。土体渗透性在侵蚀过程中的增长幅度随相对密实度的降低而逐渐增加,随细粒含量的增加而增加;相对密实度对渗蚀过程的影响可归因于三方面:相同水力梯度下渗流流量不同,内部孔隙尺寸分布存在差异,以及细颗粒对土体内部应力传递的贡献不同。研究结果加深了土体几何因素对内部渗蚀过程影响的理解,并为宏观侵蚀本构的建立提供了参考。

考虑黏土非线性特性的锥尖系数小孔扩张计算方法

当前规范中根据静力触探结果解释黏土不排水剪切强度采用的是推荐的锥尖系数,但该系数存在经验性取值的问题,更重要的是当前锥尖系数均是基于理想弹塑性土体模型导得,未考虑土体应变应变的非线性特性。为此,首先在ABAQUS有限元软件中模拟了圆锥贯入过程,评估锥尖阻力qc,饱和黏土采用双曲线硬化弹塑性模型,并使用ALE重划分技术防止网格发生畸变。有限元结果表明:土体刚度、锥面粗糙度和破坏准则等因素均影响着锥尖系数。同时在有限元中模拟了不排水圆孔扩张过程,得到球孔扩张极限承载系数的表达式。随后建立了锥尖阻力与球孔极限扩孔压力之间的等效换算关系,最后对工程实例进行了计算分析。

压入式沉井与反力桩对地表沉降的耦合影响研究

利用压入式连续沉井群建造轨交地下车站是一种新型预制装配建造模式,但相较传统的明挖式基坑车站修建方式,目前尚缺乏对沉井压入过程环境影响的研究。为此,本研究以实际工程案例为背景,通过数值模拟,结合现有实测拟合沉降曲线,对比调查了沉井外侧反力桩的存在与否对地表沉降剖面的影响规律;进一步调查了桩间距对于地表沉降的调控作用;并基于抗拔承载力等效原则,同时探究了桩间距和桩径对周边土体沉降的影响。进而形成了桩外侧和桩间土体沉降剖面的修正归一化曲线,为压入式连续沉井群地下车站在高密度城市中心的实施提供参考支撑。

上海深层黏性土的土样扰动评价方法

通过室内试验准确获取土样原位力学性质,需借助土样扰动评价方法进行扰动评估。现有的土样扰动评价方法大多针对浅层土,缺乏深层黏性土的相关研究。基于上海深层黏性土一维固结试验及剪切波速试验,结合结构性黏土本构模拟,对比文献中其他黏土试验数据,分析了既有土样扰动评价方法对深层黏性土的适用性,提出了基于剪切波速且排除应力和密实状态影响的土样扰动评价指标,利用本文及文献数据验证了上述评价指标的合理性。结果表明:(1)深层黏性土block样与钻孔样存在显著的扰动差异;(2)对于扰动程度相同的土样,现有评价指标?e/e_0随取样深度增大而增大,可能造成对深层黏性土土样扰动的高估,且无法区分不同取样方法引起扰动差异;(3)以室内与原位剪切波速比V_(s,lab)/V_(s,in situ)为扰动评价指标,无法反映取样方法对上海深层黏性土的扰动差异,对其他黏土给出的评估结果沿深度离散性较大;(4)提出的评价指标可以克服取样深度的影响,对同一地区黏性土,可以较好统一量化取样方法引起的土样扰动程度。

双线有轨电车浅埋路基板地基临界载荷计算分析

通过推导双线近邻路基板塑性区深度开展至1/4板宽的临界载荷,调查基础之间距离、埋深、土体重度、内摩擦角和黏聚力对临界载荷的影响。将临界载荷与有限元得到的极限承载力对比,说明国内外路基板地基承载力容许设计值的差异。对某西部城市有轨电车工程的路基板开展设计分析,结果表明,采用单线浅基础临界载荷会高估地基容许设计值,致使设计偏于危险。

软黏土矩形顶管土压力分布与结构响应分析

矩形及类矩形顶管越来越多应用于城市地下空间结构建设,其结构水土荷载分布特征及结构响应对工程稳定性、安全性尤为重要,然而相关研究较少。在回顾现有顶管土压力计算方法的基础上,通过有限元模拟研究了饱和软黏土矩形顶管顶部竖向土压力分布和侧向衬砌变形模式,提出了包含非均值分布竖向土压力和水平地层抗力的矩形顶管荷载模式,通过与地层-结构整体有限元模拟对比,对上述方法进行了验证。主要结论为:(1)顶管顶部土压力为非均值分布,呈现跨中压力小,两侧压力大的梯形分布模式,顶部土压力平均值与全覆土土压力相近;(2)竖向土压力分布非均值程度随着截面尺寸增加、结构埋深增加、高宽比减少而增加,高宽比影响最为显著;(3)截面高宽比可影响顶管结构侧向变形模式,扁平顶管侧向向外变形挤压土体,诱发水平地层抗力;(4)竖向土压力非均值分布及水平地层抗力对合理计算软黏土矩形顶管顶部及两腰处弯矩具有重要作用。

上方基坑开挖引起下卧隧道纵向变形分析方法

上方基坑开挖引起下卧隧道纵向响应的分析方法大多将基坑开挖处理为基底简单卸荷作用,采用基底卸荷引起的隧道轴线处自由土体的附加应力作为输入条件,视之为隧道所受到的荷载。然而,这种力输入条件并非隧道受到的真实荷载,导致得不到合理的隧道响应。为此,首先从理论上分析当前的力输入条件的不足以及位移输入条件较为合理的原因,并对两种输入条件下Winkler地基模量进行区分,指出位移输入条件和力输入条件应分别采用被动和主动Winkler地基模量。其次,通过对比有限元和Winkler方法得到的隧道响应,验证了位移输入条件的合理性,而当前的力输入条件会低估隧道的响应。最后,鉴于力输入方法的工程实用性,提出利用荷载放大系数调整输入荷载的大小,以获得合理的隧道响应。利用大量的有限元算例进行研究,确定了荷载放大系数的简化计算公式,通过与工程案例的实测结果对比,验证了所提出方法的可行性。

承压水地层基坑抗突涌稳定性的计算方法

现行规范计算基坑抗突涌稳定性采用压力平衡法,该方法未考虑上方土体强度和基坑尺寸的影响,对接近临界承压水压力情况的评价偏于保守。针对上述问题,首先根据强度折减原理定义安全系数,采用有效应力分析并考虑基坑被动区的存在,改进了已有的考虑土体四周抗剪强度抗突涌计算方法,并基于弹性板理论提出了新的基坑抗突涌计算方法;随后在平面应变条件下利用强度折减有限元计算结果进行了讨论,并进一步分析了基坑长宽比的影响;最后对工程实例进行了计算分析。分析表明,改进后和新提出的方法相较于现有方法能更好地说明基坑抗突涌稳定性随承压水压力的变化情况,在保证工程安全的前提下提高经济性。

软土地层地下空间逆作施工变形控制关键技术及应用

我国软土分布广泛,基坑开挖易诱发工程灾害。项目组针对软土地层地下空间开发中逆作基坑土方开挖和水平结构施工速度慢、挡墙暴露时间长、软土流变效应影响加剧、混凝土水平支撑结构收缩徐变显著等因素导致变形偏大、环境影响突出等工程问题,建立了系统的软土地层逆作基坑变形和稳定分析理论,研发了逆作基坑变形控制的系列核心技术,建立了“实时监测→快速反演→伺服调控”的基坑变形全过程监控体系,较好解决了软土地层地下空间逆作施工变形控制的关键难题。首次将逆作技术应用于软土地基既有建筑地下增层,提出了既有建筑地下增层的变形控制技术。项目成果已成功应用于200余项大型地下空间工程,经济效益和社会效益显著。

饱和黏土中抗拔桩上限承载力分析及土塞效应

构造了抗拔桩上限分析机构,对饱和黏土中闭口桩与开口管桩抗拔承载力进行了上限计算,通过与弹塑性有限元、下限法及API方法进行对比说明了其合理性,并与实测资料对比验证了此方法的可靠性。研究了长径比、桩壁粗糙程度、土体强度非均匀性和土塞高度对抗拔承载力的影响,拟合出了闭口桩的抗拔净承载力预测公式。主要结果表明:对于闭口桩,归一化的抗拔净承载系数和单桩长径比之间近似呈线性关系。对于开口管桩,开口管桩抗拔净承载力系数与闭口桩抗拔净承载力系数的比值随长径比的增大有增大的趋势;管桩抗拔净承载力系数随着土塞高度的增加而增加,土塞对管桩的抗拔承载力有不可忽略的影响。

软黏土深埋矩形顶管施工地层变形分析

结合上海轨道交通14号线静安寺车站工程,基于颗粒间应变(IGS)小应变刚度本构模型对顶管顶进过程进行了三维数值模拟。通过对比现场实测及既有工程经验,验证了数值模型的有效性。利用数值模拟,分析了软黏土地层中矩形顶管施工地层变形响应。主要结论包括:(1)基于IGS小应变本构模型的数值模拟可以合理反映矩形顶管顶进引起地表沉降特征;(2)顶管施工引起地表沉降形态可以通过高斯曲线表征,随着顶管顶进,沉降槽宽度系数变小;(3)土体深层水平位移呈“S”形分布,在隧道顶部所在深度,土体具有最大的远离隧道的侧向位移和沿顶进方向的水平位移,在隧道底部所在深度,土体具有最大的朝向隧道的侧向位移及沿顶进反方向的水平位移。

含桩基础地下结构的软黏土场地震陷数值分析

饱和软黏土震陷对建构筑物基础及地下结构受力状态可产生重要影响。本文基于考虑土体小应变刚度特性的循环加载不排水总应力土体本构模型,建立了软黏土中含桩基础地下结构场地震陷数值模型,利于离心振动台试验进行了模型验证,对比了单桩、群桩及含桩基地下结构场地的土层震陷特征。结果表明:由于土体应力-应变关系的非线性,随着地震作用强度的增加,震陷量级呈现显著非等比例的加速增长,针对本文算例,地震峰值加速度增大1倍,震陷量最大增长倍数可达7至12倍;相较于单桩,群桩基础及含桩基地下结构可显著降低土层震陷,本文算例中震陷降低程度分别可达10%~40%和20%~50%;地下结构的存在引起的地震波反射可导致深部土层震陷增加,本文案例中震陷量最大增幅可达40%以上。

黄泛区非饱和粉土动模量和阻尼比特性研究

黄泛区粉土水敏感性强,力学性质独特,易受振动荷载的影响。本文通过循环三轴试验,研究固结围压和饱和度对黄泛区粉土动模量、阻尼比特性的影响。研究结果表明,黄泛区粉土骨干曲线符合双曲线关系;随动应变的增大,黄泛区粉土动弹性模量先急剧减小而后逐渐趋于稳定;随固结围压的增大和饱和度的减小,粉土动弹性模量逐渐增大,阻尼比则逐渐减小;二元线性方程可用于估算最大动弹性模量随固结围压和饱和度的变化规律,修正Hardin-Drnevich模型可较为准确预测黄泛区非饱和粉土的动弹性模量和阻尼比。本研究可为黄河流域工程建设提供理论支撑。

土的基本特性及本构关系与强度理论

土的基本特性及本构关系与强度理论是土力学及岩土工程学科的重要理论基础之一。本文针对饱和黏土、砂土及堆石料等粗粒土,总结了这三类土在基本力学特性及本构强度理论方面的研究现状和发展趋势。饱和黏土部分主要包括压缩特性、剪切特性—临界状态及剪胀/剪缩、结构性及其破坏、中主应力影响、各向异性及主应力偏转效应、不排水抗剪强度、流变特性、微观力学解析模型等;砂土部分包括临界状态概念与剪胀性、砂土各向异性、应变局部化等;堆石料等粗粒土部分则以颗粒破碎对堆石料等粗粒土的力学性质的影响为主线,重点介绍了颗粒破碎的度量方法、颗粒破碎对剪胀性、临界状态线的影响以及相应的本构模型、宏观-微观的力学分析方法。

土动力学与岩土地震工程

近年来,随着交通和能源基础设施建设的快速发展,循环动载引起的工程问题使得土动力学与岩土地震工程的研究面临许多新的课题。文章简要评述土动力学与岩土地震工程在国内外的研究现状,着重讨论土的剪切模量、高速铁路路基动力响应及累积沉降、土体地震液化、地下结构地震响应及其抗震设计、跨海桥梁与海上风电基础的动力学问题等方面的最新进展,并进一步阐述今后研究的方向。

饱和软粘土的不排水循环累积变形特性

在上海地区典型饱和软粘土不排水循环三轴试验的基础上,分析了影响软粘土塑性累积变形的主要因素:循环荷载的作用次数,初始静偏应力和循环加载动偏应力。基于临界状态土力学理论,引入了相对偏应力水平参数,考虑初始静应力、循环动应力和不排水极限强度的相互影响,研究了不同静、循环动应力组合应力历史影响下饱和软粘土的不排水循环累积变形特性。

开挖条件下抗拔桩的承载力损失比分析

基坑开挖不可避免地引起地基应力场变化,导致桩–土接触面法向应力发生改变,从而降低抗拔桩承载力,而由于实际工程情况限制,开挖后抗拔桩的承载力又无法通过现场试桩获得,因此采用理论方法分析开挖条件下抗拔桩的承载力就显得尤为重要。基于此,首先采用极限平衡法,应用经典Mindlin应力解考虑土体开挖卸载在开挖面下引起的附加应力,推导出开挖条件下抗拔桩承载力的简化计算公式;其次利用弹塑性有限元法分析了开挖条件下抗拔桩的承载力并和极限平衡法计算结果进行对比,验证了该方法的合理性及实用性。在此基础上分析了开挖条件下抗拔桩的承载力损失比与开挖半径和桩长的变化规律,分析表明:抗拔桩承载力损失比随开挖半径的增大而增大,随有效桩长增长而减小;相同开挖条件下,扩底桩的承载力损失比等截面桩少。

软土地下工程与深基坑研究进展

针对当前国内外软土地下工程研究现状进行系统概括和评述,重点探讨深基坑和盾构隧道两种典型地下工程涉及的关键土工问题。其一是复杂地质及环境条件下软土基坑工程的分析方法与新技术,包括基坑围护结构受力分析、基坑抗隆起稳定性分析、渗流对基坑稳定性的影响、深基坑工程中的冗余度问题、软土基坑工程的新技术;其二是软土隧道工程的稳定与变形问题,包括隧道开挖面稳定性分析、渗流对隧道开挖面稳定性的影响、隧道纵向不均匀沉降与长期沉降、隧道地震响应分析与动力模型试验;最后是软土地下工程施工的环境土工效应,包括基坑开挖引起的土体变形、隧道开挖引起的土体变形、地下工程开挖对周围环境的影响。

层状地基中桩基础的竖向荷载位移关系非线性分析方法

基于Winkler地基模型,推导了分层土中单桩处于线弹性和弹塑性状态的荷载传递矩阵,提出了单桩竖向位移内力非线性简化分析方法。考虑群桩中的"被动桩"与周围土体的相互"遮拦效应",对传统的桩–桩相互作用系数进行修正,并将其应用于刚性承台下受荷群桩和桩筏基础的非线性分析中。由于考虑了土体的成层性和桩土相互作用的非线性特性,计算模型更好地反映了土体的实际性状。计算结果与有限元计算值和试验结果进行对比分析,验证了本文方法的正确性,可应用于实际工程问题的分析。