砂土中能量桩单桩水平承载特性模型试验研究

为探究能量桩单桩水平承载特性,针对砂土中能量桩在水平荷载下的承载特性进行研究,基于模型试验,分析了水平荷载作用下能量桩在制冷和加热过程中的桩顶位移、桩前土压力以及桩身弯矩等的变化规律。研究结果表明:制冷会引起能量桩桩顶水平位移略微增大,增量为0.48%D(D为桩体直径),而加热会引起较大的桩顶水平位移,达到了2.38%D;制冷和加热在初始阶段会引起桩前土压力增大,初始增长阶段结束后,土压力变化较小,多为缓慢增长或基本不变。相较于初始土压力,制冷和加热结束时的土压力基本呈增长趋势,仅个别埋深处土压力减小。制冷过程中,埋深0%L~40%L(L为有效桩长)范围内的弯矩增大,埋深40%L~100%L位置处的弯矩变化较小;加热过程中,埋深0%L~60%L范围内的弯矩均有所增大,0%L~40%L位置处的弯矩增大最为明显。制冷和加热过程中均在20%L处产生了最大弯矩,最大弯矩的增加量分别为9.93%和10.32%。进一步基于圆孔扩张理论提出了弯矩计算的理论解,并与试验结果进行对比分析,理论计算值与实测值较为吻合。

基于含冰量的冻结砂土-混凝土接触面蠕变特性

保证高含冰量冻土区桩基础的长期稳定性是多年冻土区桥梁桩基础安全服役中的关键问题,为研究含冰量对冻土-混凝土接触面蠕变特性的影响,采用自行研制的大型蠕变剪切仪,在−2℃条件下开展含冰量为6%、12%、16%、23%、36%、60%、80%的冻结砂土与混凝土接触面蠕变试验.试验结果表明:在恒定的剪应力作用下,除含冰量为6%试样出现加速蠕变外,其他试样仅出现衰减蠕变及稳定蠕变2个阶段;随含冰量的增大,试样黏性变形占比增大,含冰量为80%试样的黏性变形超过总变形量的80%;稳定蠕变速率受到干密度及含冰量的综合影响,含冰量为16%时稳定蠕变速率最小;Burgers黏弹性模型能较好地模拟高含冰量冻结砂土-混凝土接触面蠕变曲线;随着含冰量的增大,初始剪切模量和稳定蠕变阶段黏滞系数先增大后减小,初始蠕变阶段的渐进剪切模量呈幂函数减小,初始蠕变阶段黏滞系数呈幂函数增大.

不同推进比下螺旋桩在砂土中安装力的离散元研究

螺旋桩作为一种颇具潜力的海上风电基础形式,其安装问题是螺旋桩能否成功应用在海上风电工程中的关键。基于离散元方法,采用PFC^(3D)模拟分析了螺旋桩在不同推进比下安装时的桩身受力情况以及对周围土体的影响。宏观上,研究了螺旋桩在不同推进比下安装时螺旋桩连杆侧壁、连杆端部、螺旋叶片上下表面的受力变化规律;微观上,分析了螺旋桩安装过程中桩周土体孔隙率、配位数及应力变化规律。研究表明:随着推进比的减小,螺旋桩安装时受到的竖向力与扭矩也随之降低,对桩周土体的扰动也更小;螺旋桩在推进比为1时安装与在推进比小于1时安装存在两种不同的安装机制。研究结果对进一步确定螺旋桩在不同推进比下的安装条件具有一定意义。

砂土-混凝土接触面剪切带细观变形特征的试验研究

接触面剪切带的细观变形特征是研究结构物与土体相互作用的核心问题。为探明砂土-混凝土接触面剪切带变形特征,利用大型直剪仪开展砂土-混凝土接触面直剪试验,采用灌砂变形标记法实测砂土变形,依据标记线剪应变沿竖向的变化特征对砂土变形区域进行划分。在此基础上,研究粗糙度、法向应力和密实度对砂土-混凝土接触面剪切带细观变形特征的影响规律。研究结果表明:1)砂土可分为非剪切区、过渡区和应变集中区,应变集中区仅存在剪切面之上。2)规则型接触面的上剪切带厚度均值为33D_(50),远大于下剪切带9D_(50)和“光滑”接触面剪切带厚度20.4D_(50)。3)密实度对剪切带及其过渡区厚度的影响微弱,而粗糙度对其影响显著;法向应力、密实度对应变集中区厚度影响有限,应变集中区厚度随粗糙度的增大近似线性增大;应变集中区长度随粗糙度的增大先增大后减小,随密实度的增大近似线性增大,随法向应力增大而减小。4)随剪切位移增大,上剪切带厚度不断增大而下剪切带厚度先增大后保持基本不变,应变集中区的长度增大,但剪切位移对应变集中区厚度的影响有限。5)获得归一化剪切带厚度取值h_(t)/D_(50)与D_(50)的关系,在有限元模拟规则型结构与砂土的相互作用时,建议砂土体细化网格单元的范围不小于最大剪切带厚度37D_(50)。研究成果深化了砂土-规则型接触面剪切带变形特征的认识,可为大粗糙度、带肋桩的承载变形特性的精细化有限元模拟分析提供重要参考和依据。

纳米硅溶胶改良辽宁台安砂土的抗液化性能研究

辽宁台安砂土属于易液化砂,提升其抗液化性能具有重要的工程意义。文章针对纳米硅溶胶(CS)对辽宁台安砂土抗液化性能的改良效果进行探究,通过不排水动三轴试验,对纯砂样和改良砂样的液化特性进行对比研究,分析CS浓度和固化时间两个参量对改良砂样动力特性的影响。研究结果表明:(1)CS能够显著提升台安砂土的抗液化性能,在动载作用下改良砂样均未发生液化破坏。(2)随CS浓度和固化时间的增加,试样动孔压u_(d)、动应变ε_(d)呈现先迅速下降后趋于平缓的发展规律;当CS浓度增至4%、固化时间达到3周后,试样抗液化性能的提升效果不再明显。(3)改良砂样的滞回曲线变得更加稳定。随CS浓度增加,阻尼先降低后趋于稳定,动弹性模量逐渐增大并趋于平缓,但伴随有一定的波动;随固化时间增大,阻尼呈减小趋势,动弹性模量呈增大趋势。研究成果可为辽宁台安地区砂土液化治理提供参考依据。

由石蜡基相变材料和煤渣改良的粉砂土的冻融性能

【目的】针对季节冻土区渠道的衬砌结构因冻融作用而受损的现状,同时为了解决石蜡基相变材料(phase change materials, PCM)的泄露,并满足煤渣的再利用需求,研究石蜡基PCM和煤渣对土体冻融性能的影响。【方法】以粉砂土为研究对象,选取石蜡基PCM和煤渣作为改良剂,制备石蜡基PCM改良土和石蜡基PCM-煤渣改良土;通过冻融循环作用下的体积变化率试验、无侧限抗压强度试验,微观结构及潜热研究土体的体积和无侧限抗压强度的变化。【结果】石蜡基PCM能抑制粉砂土的冻融变形,质量分数为8%时2种改良土的体积变化率最小;随着冻融循环次数的增加,土体的无侧限抗压强度均降低,降低速率先大后小;循环次数相同时,加入煤渣的改良土的无侧限抗压强度均大于未加入煤渣的;冻融循环9次后,石蜡基PCM质量分数为10%的石蜡基PCM改良土的无侧限抗压强度最低;2种改良土的结构比粉砂土更密实、稳定;潜热的吸收或释放延缓了土体冻融过程。【结论】将石蜡基PCM和煤渣共同掺入粉砂土,能控制土体的冻融变形且效果稳定,改善土体的冻融性能,减轻季节冻土区输水渠道衬砌结构的冻害,提高煤渣的利用率。

盾尾密封失效诱发砂土地基盾构管片环失稳坍塌研究

盾构管片环失稳坍塌案例时有发生,探究其失稳坍塌发生条件对于预防重大安全事故发生具有重要意义。基于Midas GTS建立30环考虑环缝螺栓作用的荷载−结构计算模型,从盾尾管片环地基掏空和盾尾姿态突变2个方面探讨盾构管片环结构失稳破坏过程及失稳坍塌的发生条件。结果表明:盾尾渗漏使盾尾壳体失去了周围地基的有效约束作用,盾尾发生前仰后俯的姿态变化,隧道结构发生横向“横鸭蛋”和纵向挠曲变形,最终导致部分管片环坍塌。盾尾下沉位移是诱发管片环失稳坍塌的主要因素,盾尾下沉导致隧道纵向变形快速发展,快于盾尾渗漏引起管片环周围地基掏空所导致的隧道纵向变形。当盾尾下沉位移大于0.50 m且掏空范围大于5环、盾尾下沉位移大于0.45 m且掏空范围大于10环、盾尾下沉位移大于0.40 m且掏空范围大于11环时,环缝最大张开量超过单根螺栓极限应力时的环缝张开量47.43 mm,部分纵向螺栓被拉断,管片外水土发生喷射,加快管片环外砂土快速流失。当盾尾下沉位移大于0.5 m且掏空范围大于9环时,环缝最大张开量超过65.2 mm,管片环椭圆率超过46.1‰,最终诱发多环管片环失稳坍塌。研究结果可为盾尾渗漏诱发的重大安全风险评判提供参考。

基于离散元方法的混合砂土剪切特性细观分析

目的为研究不同成分的砂土剪切破坏时的抗剪强度和体积变形差异。方法采用室内试验与离散元模拟结合的方法,通过建立剪切带PFC2D模型,对剪切过程中单一质砂土和混合砂土细观参数的变化规律进行了研究。结果发现粗砂、细砂、标准砂与混合砂土的剪切带形态、体积应变率等细观参数存在明显差异。结论研究表明:砂土剪切应力大小受颗粒组成影响,表现为砂土剪切应力随粗颗粒含量的增加而增大,混合砂土剪切应力高于与其成分相同的单一质砂土;砂土中颗粒运动以上跨和下跨式为主,颗粒粒径越大运动位移越大,表现为体积应变率越大。砂土剪切时体积应变率受颗粒组成影响,表现为粗砂体积应变率高于标准砂和细砂;混合砂土体积应变率高于与其成分相同的单一质砂土。研究结果可为此类砂土地质结构破坏问题提供理论借鉴。

泡沫轻质土和砂土回填管道沟槽动力响应数值模拟对比分析

市政道路下覆管道回填区采用砂土等散体材料回填时,控制压实度是施工的关键技术难题之一。引入泡沫轻质土作为管道沟槽回填区材料能较好地解决回填压实度低的问题。为了研究回填管道沟槽泡沫轻质土的动力特性,结合某市政道路回填段行车激励现场试验,沿行车线路横向路面布设8个监测点,建立管道-回填区-路基路面三维动力模型,并施加不同工况下的三轴货车行车荷载激励,数值模拟结果与现场监测点实测数据对比验证了模型的可行性。运用此模型对泡沫轻质土、砂土回填区段的路基路面、管道外壁动力响应及路基工作区深度展开对比分析。结果表明:1)泡沫轻质土回填区沿深度方向动应力峰值衰减率、振动加速度衰减率分别为砂土回填区段的1.63~1.93倍及2.13~3.7倍。2)车重由空载变为满载时,泡沫轻质土回填区和砂土回填区管顶动应力峰值分别增加18.03 kPa和17.86 kPa,说明在回填区上行驶重型车辆时会导致埋地管道振动显著增加。3)泡沫轻质土、砂土回填区管顶和靠近行车一侧动位移峰值比例分别为1.31、1.96,泡沫轻质土回填区管道外壁动位移峰值分布较砂土回填区更加均匀。4)采用泡沫轻质土回填时路基动敏感区和动影响区深度分别为砂土回填的0.68~0.78倍、0.77~0.79倍,对路基稳定性有利。研究结果可为泡沫轻质土在市政道路管道沟槽回填中的相关应用提供参考。

河流冲积平原饱和砂土区地下管线渗漏诱发地面塌陷机制研究

河流冲积平原区是我国城市建设的主要区域,地层以松散冲洪积物为主,该地区地下管网破损带走松散地层极易形成隐蔽性很高的地下空洞,进而诱发地面塌陷,威胁人身财产和基础设施安全。以安庆市长风路地面塌陷为例,建立渗流、应力多场可控的等比实体模型箱,开展城市地面塌陷仿真实验,分析带水管线破损后地层中孔洞发育过程及孔洞周边各个方向应力变化特征,旨在揭示地面塌陷形成机制。结果表明:(1)安庆市长风路地面塌陷从孕育到塌陷,经历了小孔、竖直孔洞、塌陷坑三种形态,可将地下异常孔洞当作前兆进行预警;(2)河流冲积平原区城市地面塌陷的孕灾环境是地层的高渗透性地层和地下水位,诱发因子是管道的破损,尤其是污水排水管道破损;(3)城市地面塌陷危害大小主要受控于管道及地下水位相对埋深,且可以根据地层性质对塌陷坑的大小进行计算评估。该成果可为城市地面塌陷风险评价、防治区划等提供理论基础。

基于颗粒特征与预设变形的人工砂土变形图像生成方法及应用

图像变形分析方法是当前土力学与岩土工程领域的一种重要变形测试技术,散斑图像作为其发展、应用和可靠性评价的常用工具,是否反映真实土体图像特征和变形分析可靠性尚有待解答。以福建标准砂为样本,基于土体图像特征分析及与散斑图像对比,提出了一种描述砂土图像和变形特征的人工图像生成方法,利用建立的4种变形坐标解析公式和生成序列变形图像,对国际代表性RG-DIC和PIVlab法可靠性进行评价。结果表明:散斑图像与真实砂土图像在纹理、圆度、色值等方面存在显著差异,提出的人工图像生成方法能有效控制土颗粒组分、圆度、色值等分布参数,反映了真实土体图像特征;生成的序列变形图像增加了时间变量和任意变形函数功能,为动态和复杂变形分析可靠性评价建立条件。散斑图像明显低估了RG-DIC和PIVlab法对土体变形的分析误差,原因为黑色背景、白色亮斑构成的纹理特征更具辨识性;RG-DIC法的分析准确性与稳定性明显优于PIVlab法,而不同变形条件下两种方法分析误差呈一致趋势,当剪应变≤10^(-3)时误差快速上升。研究方法与成果,为土体图像变形分析方法发展、应用和可靠性评价提供了重要支撑和参考。

考虑饱和砂土液化阶段性特征的触变性流体本构模型

合理评价循环荷载作用下饱和砂土的液化过程及性质演变规律,是解决液化砂土大变形问题的关键。通过饱和砂土不排水循环三轴试验,分析了饱和中密南京细砂液化阶段性特征,引入Gompertz函数来描述表观黏度与孔压比之间的关系,提出了一种修正的孔压触变性流体模型,并验证了模型的合理性。①饱和砂土液化过程具有明显的阶段性特征,根据孔压比增长速率可分为固态土体阶段、固液相变阶段、触变性流体阶段和稳定性流体阶段,并基于其他学者的试验结果验证了四阶段特性及阶段划分方法的适用性。②采用Gompertz函数代替线性函数来描述表观黏度与孔压比之间的关系,并利用不同的破坏速率参数c来表征循环荷载作用下饱和砂土的不同阶段,提出了考虑液化阶段性特征的修正孔压触变性流体模型,为解决地震液化问题提供了一种新的统一方法。

非挤土桩对于砂土地层地震液化的影响机制研究

如何通过工程措施实现地基抗液化能力的有效提升,是岩土工程领域近年来研究的热点问题之一。非挤土桩作为地基处理的常用措施,其加固后地层的抗液化能力能否得到提升,在学术界还存在着一定争议,主要原因是其对于砂层地震液化的影响机制尚未明确。针对该问题,本文开展了干砂及饱和砂土原状场地与非挤土桩加固场地的超重力模型试验,通过对比不同试验中地层的动力响应与超静孔隙水压力的发生发展规律,首次发现非挤土桩对于地层的作用机制并非仅有“刚度效应”,还有因振动过程中桩-土变形不协调而产生的附加作用力,该作用力将显著提升浅层土体的应力及应变水平,加大其液化的可能性,且随着埋深增加,该附加作用力逐渐变小,“刚度效应”将逐渐占据主导地位,相关研究成果可为进一步揭示非挤土桩抗震加固机理、评估其加固效果提供一定的基础和支撑。

地下水位变化对砂土地层地铁隧道沉降影响试验研究

为考察地铁运营后列车载荷和地下水对隧道造成的影响,对某砂性土地层城市中某一地铁盾构隧道区段运营6年间的沉降变形进行实测观察;根据实测所得沉降规律,设计并开展缩尺模型试验,研究车致振动条件下因地下水位变化产生的隧道沉降规律。结果表明:随着时间推移,隧道各测点所得数据呈现一定的周期性上升与下降变化趋势,前2年隧道总体上浮,之后略有沉降,第3年后虽有波动但基本未发生进一步沉降,第6年后隧道最大沉降不超过3 mm;砂性土地层中,地下水位变化会造成重塑土层内部应力变化,且振动荷载会导致土体颗粒结构重新调整至密实,易导致隧道发生沉降,因此不能忽视地铁周围施工降水给隧道带来的不利影响;土体振密及因地下水产生的浮力共同作用,导致隧道的上浮及沉降。相比于软土地层,砂性土地层中盾构隧道的沉降速率明显更低且沉降基本稳定时间更短,2种地层下的沉降规律、影响因素完全不同,各地层下的沉降分析理论亦无法相互适用。

冲击荷载下含夹层饱和砂土孔压变化规律分析

砂土中夹层的性状会影响饱和砂土孔压发展,从而影响砂土层变形。为研究夹层位置、厚度和种类等不同夹层状态下砂土液化过程中的孔压变化规律,设计了冲击荷载作用下层状砂液化试验,建立了含夹层饱和砂土理论模型,并将试验结果与理论分析进行对比。结果表明:含夹层饱和砂土的孔压发展呈现3个阶段,即快速上升、快速消散、缓慢消散阶段。高渗透性夹层高度越高,其下方土层孔压快速消散时长越短,越快趋于稳定值,但消散总时长无明显影响;低渗透性夹层高度或厚度的增大,均会使夹层上方孔压快速消散阶段速率加快,孔压消散稳定阶段延长,孔压消散总时长随之线性增长;同时,孔隙水会在低渗透性夹层下方形成水膜,夹层高度或厚度的增加均会使水膜持续时间增长,但水膜形态主要受夹层厚度影响。试验结果与理论分析较为一致,说明了试验的可靠性。

含弱渗透夹层饱和砂土液化后水膜形成的数值模拟

针对含弱渗透夹层饱和砂土液化产生水膜对砂土强度和变形指标分布产生的影响,建立了一维饱和砂土液化水膜的有限差分模型,对含弱渗透细砂夹层的饱和砂土液化过程中水膜形成的机制及其发展、消散过程进行模拟,分析土层尤其是夹层的特性参数与水膜变化之间的关系.结果表明:超孔隙水压力消散过程中会出现明显的平台阶段,其起、止点时刻正好与水膜最大厚度形成和水膜消失时刻具有较好的对应关系;水膜的形成和发展与高孔压的持续时间密切相关,含弱渗透夹层中,其下方会产生水膜,且饱和砂土中高孔压作用的时长较无夹层明显延长,从而对土体变形产生不利影响;通过与已有试验结果的对比分析,验证了该模型的合理性.

循环剪切作用下含可燃冰砂土-开采井界面强度弱化细观机制

含可燃冰砂土呈现埋藏浅、未成岩和强度低的特性。波浪循环荷载作用下含可燃冰砂土-开采井界面弱化特征显著,直接影响井口稳定。采用离散元方法,通过设置波浪循环荷载引起的井筒运动,研究含可燃冰砂土-开采井界面循环剪切力学特性,并从细观角度揭示界面宏观弱化机制。结果表明:可燃冰赋存导致含可燃冰砂土-开采井界面呈显著的强度弱化及剪胀体变特征,且可燃冰饱和度越高,弱化及剪胀越显著;原因在于近井区域含可燃冰砂土在循环剪切作用下形成胶结失效区域,大部分颗粒失去胶结约束,同时少部分胶结未失效的可燃冰颗粒与邻近颗粒形成较大粒径团簇,这些颗粒和团簇翻滚错动且无法充分传递荷载,导致界面产生强度弱化和剪胀体变;法向应力与剪切振幅的增大均会加剧界面试样可燃冰颗粒的胶结失效发展,强度弱化现象更为严重。

砂土介质注浆扩散规律试验研究

为研究超细水泥浆液在砂土中的扩散规律,以赵固一矿西翼进风巷围岩加固为研究背景,设计了一套砂土注浆试验装置,运用正交设计法开展了多组砂土注浆试验,分析了单位时间流量、水灰比、砂土渗透系数等因素对浆液扩散体积和注浆量的敏感性及影响,系统讨论了不同渗透系数条件下,随注浆流量和水灰比变化浆液结石体形状的变化规律。研究结果表明:浆液扩散范围的影响因素主次排序为单位时间流量、水灰比、渗透系数,影响注浆量因素的主次顺序与浆液扩散体积的影响因素一致。发现单位时间流量、水灰比和渗透系数对浆液扩散体积和注浆量的影响并非呈线性关系,而是呈多元幂函数关系,构建了对应的浆液扩散体积和注浆量求解式,并对影响浆液扩散体积和注浆量的参数进行了回归分析。在渗透系数较大的砂土中,浆液以渗透注浆为主,结石体形状呈规则的圆球状,注浆流量和水灰比增大对结石体积影响显著。随着砂土渗透系数减小,结石体形状沿薄弱面发展,即由沿四周的均匀渗透扩散向沿薄弱面发展的劈裂注浆,注浆流量增大和水灰比减小对劈裂注浆有积极作用。研究结果可为松散砂土环境下地下工程注浆设计和施工提供参考。

饱和砂土液化Finn模型的关键参数

以闽江中细砂层为对象,开展三因素三水平正交设计的小型振动台试验,定性探讨闽江砂土液化特性;同时基于Finn模型,在FLAC3D数值平台上对典型试验过程开展动力时程数值模拟。结果表明:Finn模型可有效模拟地震动作用下饱和砂土孔压的增长与有效应力的降低,能较为准确地反映饱和砂土的液化效应,Finn模型中的关键参数C_(1)、C_(2)对计算结果影响显著。以超孔压比峰值及超孔压比稳定值为指标,通过大量数值模拟结果与试验结果的对比,对上述关键参数进行标定,建议闽江饱和砂土液化Finn模型的关键参数取值为C_(1)=1.30、C_(2)=0.31。饱和砂土激振过程中呈现出轻微剪胀趋势,大致与液化现象同步出现。

基于粒间接触关系的饱和砂土液化特性研究

为了研究饱和砂土的液化机理,通过等体积加载的方式建立了循环荷载下饱和砂土动力响应的颗粒流计算模型,研究了饱和砂土在不同围压和加载幅值下的动力响应,探讨了颗粒间力链的发展特性,并从Shannon熵、Boltzmann熵以及Clausius熵的基本关系入手,建立基于粒间接触力链的饱和砂土颗粒熵计算方法,分析了颗粒熵发展特性。结果表明:饱和砂土初始总力链主要受围压的影响,围压越大,初始总力链越多;循环荷载下饱和砂土颗粒间力链总数逐渐降低,且强力链持续向中、弱力链转换;循环荷载下饱和砂土颗粒熵表现出先升高后降低的二阶段特性,围压和加载幅值对颗粒熵峰值无明显影响,各工况的颗粒熵峰值均为0.92;定义颗粒熵峰值为相变颗粒熵,相变颗粒熵时的饱和砂土表现出固液临界态的力学特征,指示了饱和砂土由固态向往返液化状态转变的临界点。