软土地基上道路桥头跳车缓解工法的设计与工程实践

针对软土地基上道路行车的“桥头跳车”现象,列举了在日本经常使用的几种桥头接坡过渡段地基处理的方法:(1)设钢筋混凝土连接搭板;(2)沥青混凝土路面的加铺维修;(3)切短桩头的办法重建构筑物。分析了这几种传统的桥头接坡处理方法的优缺点及经济性。在日本佐贺平原有明软粘土地基上的桥头接坡段地基处理工程实例的基础上,介绍了缓解桥头跳车现象的设计施工法——CA工法;给出了CA工法的设计内容及参数确定的方法,包括搅拌桩的长度与接坡段的处理范围;最后通过现场监测结果说明所提出的设计法的有效性。

深层搅拌桩周围粘土性质变化的发生机理(英文)

排土型桩如打入桩、砂桩、石灰桩以及深层搅拌桩等的施工都会引起桩周围土体的应力变化,因此周围土体的性质也将发生变化。施工完成后,周围土体的强度将经历下降、恢复和增长的过程。深层搅拌桩施工对周围土体的作用可以归纳为以下7个方面:(1)叶片的搅拌和固化剂的注入对周围土体的扰动作用;(2)软粘土的触变性;(3)施工期间周围土体的劈裂;(4)桩身水泥浆通过劈裂裂缝向周围土体中流入及由扩散作用渗入到土的孔隙中;(5)孔隙水中钙离子浓度增加引起的胶结作用;(6)超静孔隙水压力消散引起的固结作用;(7)水和作用和火山灰反应等化学作用产生的热作用。通过室内试验和理论分析来研究这些影响因素。室内试验主要研究土的触变性、土的劈裂和水泥浆扩散对软弱有明粘土的影响。理论分析则解释了土体的劈裂现象。室内试验可以直接观测到土体劈裂和水泥浆扩散现象。对于软弱有明粘土,试验结果显示周围土体的强度在70d内由触变性得到恢复。理论分析发现即使在很小的固化剂注入压力作用下,周围土体也会发生劈裂现象。

有明黏土中搅拌桩施工时的孔隙水压力

深层搅拌桩施工时,固化剂的注入与叶片的搅拌作用不可避免地会扰动周围土体,改变桩周土体中的应力状态,产生超静孔隙水压力。在高灵敏性的日本有明黏土中搅拌桩施工时对周围土体中的孔隙水压力进行了现场监测。监测结果表明周围土体中产生了很高的超静孔隙水压力,其量值较土体的初始上覆压力还要大,使土体中的有效应力为零,处于张拉状态,但是该超静孔隙水压力在初始阶段消散得非常快。为分析施工引起的超静孔隙水压力,将搅拌桩施工时和周围土体的相互作用采用受剪的孔穴扩张过程来模拟,提出一种简单的方法来计算搅拌桩施工时周围土体中的超静孔隙水压力,同时考虑了固化剂注入时的膨胀压力与旋转叶片在搅拌时所产生的剪切力的作用。超静孔隙水压力由土的不排水抗剪强度、剪切力、注浆压力和孔隙压力系数所确定。所提出的计算方法得到实测数据的验证。

不同水泥土混合桩周围土体的扰动与强度恢复

针对由深层搅拌法或高压旋喷法施工的水泥土混合桩周围土体的扰动与强度恢复的问题,采用两种常用的施工法:高压旋喷混合法(简称旋喷法)和水泥浆搅拌混合法(简称湿法),在日本有明黏土中施工以观测周围土体力学特性的变化。测试结果表明,水泥土混合桩周围土体的扰动程度与其施工方法有关;两种不同施工方法施工后周围土体的当日强度与原状土的强度之比分别是0.42(旋喷法)和0.68(湿法),施工30d后,旋喷法有44%,湿法有40%的初始强度得到恢复。结果亦表明周围土体模量恢复要慢于强度恢复的速度。

深层搅拌桩周围土体劈裂的研究与分析

现场测试结果表明:深层搅拌桩施工可以在周围土体中产生很高的超静孔隙水压力,其量值可能超过土体的静水劈裂压力。搅拌桩施工时和周围土体的相互作用可以用受剪的孔穴扩张过程来模拟。针对搅拌桩施工引起的周围土体的劈裂现象,提出了一种基于拉伸破坏原理的劈裂分析方法。分析结果表明:搅拌叶片的旋转对桩周围土体的劈裂起着很重要的作用。通过室内模型桩打设试验可以观测到搅拌桩周围土体的劈裂现象。分析现场搅拌桩施工时桩周土体中的孔隙水压力测试结果,表明现场施工可以引起劈裂。劈裂裂缝对于搅拌桩的性状有如下两方面的正面作用д其一,水泥浆体可以流入劈裂裂缝;其二,超静孔隙水压可以通过劈裂裂缝快速消散。这两者的作用加快了受扰动的周围土体的强度恢复。

海洋沉积环境中深层地下水溶性天然气开采引起的地面沉降

日本东京周围的关东地区的地层是由海洋环境经数十万乃至数百万年沉积而成。由于大量的海洋生物沉积于地下,经数十万乃至上百万年的地质作用,形成质量上乘的水溶性天然气与医药用碘。自20世纪二三十年代起在东京附近就有天然气的开采活动。自1956年起在东京东侧的日本千叶县房总半岛东部的九十九里平原地区,开始了大规模天然气与碘的开采活动。野外开采活动主要通过从地下500～2000m深处抽取地下水而获得。20世纪60年代在该地区发现有地面沉降,1969年起开始地面沉降的观测。在过去的35a中地面最大累积沉降达0.85m,发现沉降范围的面积近800km2。九十九里观光地的海岸线后退近20～50m。2002年的大范围的地面沉降达2cm。最后从日本关东地下水盆的向斜构成式构造出发,讨论分析减缓地面沉降的途径。

双圆盾构纠偏时隧道衬砌的内力分析

在双圆盾构隧道施工过程中,盾构机很容易发生侧向偏转,施工中必须不断地对双圆盾构进行纠偏。然而,纠偏过程往往会对周围环境以及衬砌内力产生一定的影响。针对该问题,应用有限元数值模拟的方法,分析双圆盾构施工时纠正偏转角引起的衬砌上的附加内力。并将计算结果与现有的计算模型得到的结果进行比较。结果表明:施工中纠偏所引起的内力比现有设计中不考虑纠偏计算得到的内力有比较大的变化。而且,随着偏转角的增加衬砌上有些点的内力增大(最大达5～6倍),有些点的内力减小甚至发生符号的反转。由此可知,可靠合理的隧道衬砌设计方法应考虑这种纠偏引起的内力重分布的作用。

上海地区地面沉降新特征的发生机制分析

近年来上海地区的地面沉降出现了第四承压含水层持续变形及滞后的新特征,传统土力学已不能完全解释其机理。针对上海地面沉降发展新变化,已有的研究从如下方面进行了探讨:针对沉降加剧现象,分析了城市化建设对地面沉降的影响;从砂土材料的蠕变性状出发,分析深部含水层过大变形的现象。上述两方面虽在一定程度上可解释沉降新特征,但还是不能完全阐明其发生机理。基于此,本文提出考虑含水层抽水后受力状态随空间与时间再分布的两种动态传力机理分析方法:(1)基于Cosserat力学体系的地面沉降模型考虑了水力梯度变化在砂土层中产生的剪应力,给出了考虑固结效应的Cosserat介质力学模型,可以很好地从含水层受力机理的角度解释含水层持续变形增大和变形滞后的发生机理;(2)水的渗透会对土骨架产生拖曳力,使粘性土的细颗粒在粗颗粒构成的孔隙中移动,发生内部侵蚀流动造成细颗粒流失,阐述了考虑细颗粒流失作用对地面沉降的影响及其地面沉降在含水层空间与时间重分布的发生机理。

分级施工河堤下高灵敏性黏土的强度增加

软黏土地基由于其含水量高、孔隙比大、强度低、渗透性差,因此,在灵敏度很高的软黏土地基上建造高度较高的路堤,其稳定性很难得到保证。一般采用分级加载的方法使软土地基在路堤荷载的作用下发生固结,强度获得增长。为加速固结,常采用塑料排水板处理地基,使之能在较短的时间内完成固结,加速地基强度增加。针对日本佐贺县高灵敏度的有明黏土地基上修建的分级加载的6.5m高河堤下软黏土的物理力学性质的变化,说明分级加荷的重要性。现场软土地基为结构性黏土,有很高的灵敏度。而且该软黏土地基的渗透系数极低。因此采用塑料排水板进行了加固处理,施工过程中对地基土的物理与力学性质随固结过程的变化进行了测试。分析了其发展规律,结果表明地基土的单轴强度在250d内增长了近1倍。

基于Cosserat力学理论的地面沉降研究

近年来上海及苏锡常地区的地面沉降出现了含水层砂土持续变形的新特征,现有的地面沉降理论无法完全解释与预测此现象。地下水长期开采会在含水层中形成水力漏斗,如果抽水井在一定范围内密集分布,就将在含水层中较长距离内形成水力梯度,从而产生无法忽视的剪应力,剪应力不断累积将导致含水层变形及地面沉降。含水层水位下降引起的土层中剪应力累积是造成含水层变形问题的重要原因,传统的Cauchy力学理论因为模拟单元较小,存在剪应力互等的假设而无法计算此部分剪应力;而Cosserat力学理论考虑了介质尺度的影响,可以计算连续体中的非对称剪应力分布,因而能够考虑由水位变化产生的剪应力引起的含水层变形。

水泥土搅拌桩的桩径分析

针对搅拌桩施工会引起周围土体的位移及产生很高的超静孔隙水压力的工程现象,首先分析了搅拌桩施工中固化剂的注入体积与膨胀压力、成桩直径的关系. 结果表明,5%～10%的注入浆液的体积可以对周围土体产生1.8～3.0倍不排水抗剪强度的膨胀压力,成桩直径比搅拌叶片的名义直径大5%～10%. 然后量测室内模型桩、现场搅拌桩的成桩直径,分析了注入浆液的体积与成桩直径的关系. 结果表明,对于深度不太大的水泥土搅拌桩,有约45%的注入体积会通过上浮隆起的土体损失掉;大约5%的注入体积通过劈裂裂缝渗入到周围土体中;大约50%的注入体积会转化为成桩直径,使桩体膨胀5%～10%,即实测桩径比搅拌叶片的名义直径大5%～10%.

海洋沉积环境中地下天然气开采引起地面沉降的计算分析

在日本中部的千叶县房总半岛由于在地下深处开采水溶性天然气与医药用碘的资源而大量抽取地下水,从而引起大面积的地面沉降。1969年开始进行地面沉降的水准测量,至2002年,在过去33 a中观测到的最大累积沉降为0.85 m。为了减少沉降量,需预测可开采量。针对日本关东地下水盆建立了三维有限元模型。该模型可以同时计算三维地下水渗流及土层的固结,利用该模型分析了房总半岛的深层地下水开采引起地下水渗流场的变化。模型中的计算参数由露头岩样的高压固结试验确定。计算结果表明,从1956年到2002年开采区地下水头下降达190 m。地下水的流向由高标处向海域流动变为从周围海域向开采区流动。这与关东地下水沉积盆地的向斜蓄水式构造相吻合。说明即使不停止开采地下水,只要将地下水的采取量控制在一定的范围,也可以大大减轻地面沉降。从1969年至今的地面沉降实测值与计算值也相吻合。

地下构筑物对地下水渗流的阻挡效应

针对地下构筑物改变了地下水渗流条件这一问题,建立三维有限元模型.该模型是地下水渗流与地面沉降计算的一体化模型,采用该模型分析地下构筑物对地下水渗流的阻挡效应.该方法在地下水渗流计算中考虑三维地下水渗流,在土体固结计算中采用基于Terzaghi固结理论的一维固结方法.结果表明,地下构筑物对地下水及地面沉降的影响程度与构筑物在含水层中的埋置深度及挡水宽度有关.地下构筑物的埋置深度越深,抽水侧水位降深及沉降量越大.构筑物对水流的阻挡宽度越大,对地表沉降的影响越大.

广州岩溶地区深基坑开挖对周围环境影响的研究

以广州地铁9号线在岩溶地区施工深基坑为例,研究岩溶地层基坑施工对周围环境的影响。该车站基坑长259.7 m,宽18.7 m,深15.8 m。基坑深度范围内包括溶洞和砂层,溶洞地层富水、稳定性差、物理力学性质差,砂层厚0~15 m,有较大的渗透性,基坑施工过程中对地下连续墙的侧向位移和地面沉降进行了监测。监测结果表明,基坑开挖结束时地下连续墙的最大侧向位移为12 mm,地面沉降的最大值为10.1 mm,基坑开挖过程中对周围环境的影响很小。研究成果可为今后类似工程施工提供经验借鉴。

基于地下水渗流方程的三维地面沉降模型

针对地下水抽取引起的大面积地面沉降的问题,提出了一种计算方法。该方法基于饱和与不饱和岩土介质中地下水渗流理论,计算出三维状态下的大面积地面沉降。提出的方法被结合到地下水渗流的三维有限元法分析中,计算时考虑了地层的可压缩性,并被用来分析软土的固结,将该法与太沙基理论及固结试验的结果进行比较,结果表明其误差小于2%。该法还被用来分析单井抽取承压地下水引起的周围地基的沉降及承压水层由于挡水板的阻断作用而引起的下游侧的地基的沉降。

基于圆形断面自由紊动射流理论的旋喷桩直径计算方法

基于圆形断面自由紊动射流理论,提出了一种新的高压旋喷桩直径计算方法。考虑高压旋喷技术的施工过程,旋喷桩直径主要与施工场地的土性条件以及施工时的旋喷参数有关。从高压旋喷技术机理来看,高压水或水泥浆对土体的切割作用会产生一个切割距离,考虑工程实际的需要,该切割距离可以认为基本等于旋喷桩半径,通过对圆形断面紊动射流和土体破坏的联合分析,建立了旋喷桩半径、土性条件以及旋喷施工参数之间的关系。最后通过与现场实测数据的对比验证了该计算方法的实用性。

考虑注浆压力的顶管施工引起土体变形计算方法

顶管施工引起周围地层变形的计算预测是顶管施工中必须加以重视的问题。地层的沉降变形与顶管施工的几个环节有密切的联系,如:①顶管姿态与开挖面土压;②顶进与换管;③注浆过程等。理论分析应考虑这几个施工中的关键因素。针对上述施工影响因素,提出了考虑注浆压力的顶管施工的地层移动的计算方法。用Mindlin的位移解分析模拟开挖面土压、顶进与换管过程中的侧面摩擦力的变化引起的位移;以Sagaseta的土体损失引起的土体位移模式分析姿态控制、土体损失等引起的变形;将圆孔扩张的Verruijt解拓展到三维,用于计算注浆压力引起的位移与变形。结果表明,考虑注浆压力的变化,可以得到更为合理的预测结果。

上海市城市化进程引起的地面沉降因素分析

20世纪90年代上海中心城区的地面沉降在地下水开采量没有增加的情况下出现了新一轮的增长。与此同时,上海进行了大规模的城市化建设。通过对中心城区地面沉降量与工程建设进行相关性分析发现,近年来中心城区的地面沉降量与工程建设具有相关性。目前城市化建设引起地面沉降的现象已受到关注,但尚缺乏对城市化进程引起地面沉降机制的系统研究。针对上海市城市化进程引起地面沉降的因素进行分析探讨,城市化进程引起的沉降包括建筑物荷载及交通荷载等外荷载引起的沉降,基坑开挖、降水及隧道施工等工程施工引起的土体压缩,以及隧道渗漏,周边地区对地下水补给量的减小,地下构筑物挡水效应等引起的地下水位持续下降而诱发的沉降。

基于数值模拟的富水砂砾地层深基坑降水方案优化

针对深厚的富水砂砾潜水含水层中的深基坑降水问题,本文以沈阳某地铁车站深基坑降水工程为依托,采用数值模拟方法,对比分析了富水砂砾地层中无挡水帷幕及不同挡水帷幕深度下深基坑降水至安全水位时的总抽水量、基坑内外水位及降水引起的坑外地表沉降。研究结果表明:挡水帷幕的存在可以很大程度地减少基坑总抽水量及坑外地表沉降;挡水帷幕的深度在一定值时,可以大大减少降水对环境的影响;综合考虑工程对环境的影响与抽水量,得到了最优化的基坑降水方案,即挡水帷幕深为35m、降水井深为32m。

平行顶管近接施工的室内试验研究

顶管工程中泥浆护套对顶进中的地层变形与土体劈裂有重要的影响。通过室内试验研究了近距离平行顶管的相互作用。在不同注浆条件下,将顶管顶入布置有两条既有顶管管道的试验箱内,通过测试系统获得不同注浆条件下顶管顶进时顶力的变化情况、土体的竖向变形和顶管顶进对既有顶管管道产生的影响。研究结果显示:顶管顶进过程中,顶力先增大后逐渐减小,土体出现隆起现象;新顶进顶管对既有顶管管道上方土体产生影响,但影响有限;注浆可以有效减小顶管顶进阻力,分布在顶管外壁和周围土体中的浆液使土体体积膨胀,这使得在注浆条件下土体表面产生的变形大于未注浆时土体表面变形。试验结果可以有效地指导近距离平行顶管的施工。