等应变条件下增压式真空预压固结解析解

从注气增压对土体作用效果的角度出发,建立增压式真空预压固结解析理论模型。提出基于注气增压压力等效的受力简化模型;引入新参数——径向渗透系数增大系数η,反映注气过程对土体渗透性质的改变。根据Barron等应变假定和达西定律,考虑排水板涂抹效应与井阻作用、土体径-竖向渗流以及上部堆载,推导增压式真空预压固结控制方程及其解析解,并利用弹性力学方法推导等效注气增压压力p(t)的计算公式。针对瞬时增压和线性增压两种特例给出具体解析解公式,并通过与工程案例对比分析,验证了解析解及等效力计算方法的合理性。通过对固结性状的分析得出如下结论:注气增压方法可增大土体负孔隙水压力值,加速土体排水固结;“参数η”对固结速率的影响较大,分析模型中考虑注气过程对径向渗透系数的改变会更加合理;井阻作用会导致土体固结速率减慢,径-竖向渗流时孔压能够消散完成,而只有径向渗流时孔压无法消散完成。

砂性地层中植物胶改性泥浆性质及渗透成膜试验研究

目前广泛使用高分子材料和膨润土制作的泥浆存在降解难度大、容易造成环境污染问题,选取琼胶、瓜尔胶天然增稠剂代替传统高分子材料制作新型泥浆,探究新型泥浆在砂性地层中成膜效果。研究结果表明,琼胶、瓜尔胶具有较好的增稠效果、降滤失效果、胶体率更易提升至100%,与传统增稠剂CMC相比瓜尔胶增稠效果更强;琼胶、瓜尔胶可使泥浆从未成膜转变为形成渗透带型泥膜、促进泥浆在地层中成膜,降低泥浆在地层渗透成膜过程中的前期滤失量和泥膜的渗透系数,进而降低在地层中的总滤失量,可以作为一种新型天然泥浆添加剂使用。

黏土地层盾构隧道开挖面失稳离心试验及数值模拟

通过开展离心模型试验和数值模拟,对黏土地层中盾构隧道开挖面的失稳破坏特征进行了研究.通过开挖面支护力-开挖面板后退位移关系曲线,获得了开挖面支护力呈快、缓和稳的3阶段变化特征,开挖面支护力-位移曲线中未呈现支护力反弹现象,比对应砂土地层更慢达到极限值,极限支护力值为5%~7%初始竖向土压力.地表沉降在开挖面失稳过程持续增加;埋深比为1.0时,横向地表沉降槽形状变化明显.在隧道中心轴线高度处,纵向土压力沿纵向随远离隧道截面距离逐渐增大,纵向土拱率值逐渐增大,且远小于对应竖向土拱率值.根据盾构开挖面失稳过程中竖向土压力沿深度变化曲线、纵向土压力沿掘进方向变化曲线,以及横向土压力沿横向变化曲线的拐点可得到失稳松动区和扰动区的范围.埋深比为1.0时,在隧道中心轴线水平面内隧道截面前方0.5D以外区域,纵向土压力和横向土压力的变化比竖向土压力更加显著.相比传统开挖面失稳分析中仅对竖向土压力变化规律进行的研究,提出应同时研究三向土压力的时空变化规律.

多因素影响下黏土比热容变化规律及预测模型

在“双碳”目标背景下,土体比热容作为重要的热物理性质参数之一,在能源地下结构、地铁通风计算、地埋管线、核废料处置、冻结法施工、农耕灌溉等众多领域有着重要的意义。对不同初始干密度、初始含水率的黏土试样,在不同温度条件下开展了比热容测试分析,探讨了其变化规律及机制。试验结果表明:黏土比热容随初始干密度、初始含水率的增加而线性增加,且与温度的三次方呈正比。比热容变化机制与黏土三相比例变化、固相晶格振动、水冰相变等因素有关。建立了考虑多因素的黏土比热容预测模型,与反向传播神经网络(BP-ANN)预测模型、简化理论预测模型、其他经验预测模型的交叉验证结果显示,该模型在适用范围、预测性能等方面都具有较优的表现,可为理论计算、数值仿真、工程实践中黏土比热容的取值和计算提供可靠参考。

气态水补给条件下不同类型土水分迁移规律及冻胀特性研究

使用自主研发的水分迁移和冻胀试验设备,对比分析砂土、粉质黏土、人工制备75%砂土+25%粉质黏土、25%砂土+75%粉质黏土在水汽补给条件下水分迁移规律及冻胀特性,研究了不同类型土试样冻结时间与含水率、温度场、冻胀量、冻胀力之间的变化规律,建立了不同类型土试样冻胀量和冻胀力的拟合公式。研究表明:土性对水分迁移影响较为显著,冻结7 d后,砂土试样峰值含水率达到22.1%;75%砂土+25%粉质黏土试样峰值含水率为17.1%,25%砂土+75%粉质黏土试样峰值含水率为10.1%,粉质黏土峰值含水率变化幅度不大。随着土中细粒含量的增加,试样温度场达到稳定所需的时间越长,冻结7d后不同类型土试样温度场均趋于基本稳定。冻结7 d后,不同类型土冻胀量和冻胀力差别较大,砂土试样冻胀量达到0.71 mm,75%砂土+25%粉质黏土试样冻胀量为0.55 mm,25%砂土+75%粉质黏土试样冻胀量为0.36 mm,粉质黏土试样冻胀量变化不大;不同类型土冻胀力随冻结时间的增加呈正相关线性关系,相同高度处试样冻胀力随着土中细粒含量的增加有所减小。

碱激发地质聚合物固化软土的研究进展

软土地基处理是工程界公认的有较高风险的工程领域,传统软土固化中大量使用硅酸盐水泥,不仅消耗自然资源,还会对环境产生不良影响,使用环境友好型碱激发地质聚合物替代传统硅酸盐水泥越来越受到国内外学者的重视。论文基于国内外已有研究成果,从碱激发地质聚合物固化土发展历史、碱激发地质聚合物种类、碱激发地质聚合物反应机理、碱激发地质聚合物固化土力学特性和各类性能等方面进行研究进展的综述分析,重点谈论地质聚合物处理软土的力学特性,并对不同碱激发地质聚合物在软土地基加固中抗渗性能、抗冻融性能、抗腐蚀性能等进行分析,对碱激发地质聚合物在软土地基加固中的应用进行系统梳理和展望,以期引导和提升碱激发地质聚合物在软土地基加固中的应用,实现我国地基加固可持续发展。

软土区管廊基坑柔性支护下基坑变形控制标准

软土区柔性支护管廊基坑工程变形控制难度大、造价高,变形控制标准亟待优化。针对广州南沙柔性支护的典型管廊基坑开展了有限元分析,总结了基坑变形规律。基坑开挖到底时,围护结构桩身变形由“悬臂式”变为“内凸形”,坑外地表沉降影响范围达到4~5倍基坑开挖深度,明显大于其他刚度较大的支护结构,坑底隆起变形呈“中间大两边小”的形态。在此基础上,研究了6个不同基坑断面在临界失稳状态与稳定性满足规范两种条件下,围护结构变形最大值与基坑开挖深度的比值,建议将计算结果的平均值作为控制值的参考值。基坑临界失稳状态下,设计安全等级为二级和三级的基坑围护结构水平变形控制参考值分别为2.62%H、3.24%H(H为基坑深度)。基坑稳定性满足规范要求时,设计安全等级为二级和三级的基坑围护结构水平变形控制参考值分别为0.8%H、0.93%H。

黏土结构性对孔压静力触探结果的影响分析

针对目前黏土结构性对孔压静力触探结果的影响及其机理尚不是很清楚的问题,首先在ABAQUS软件中对结构性剑桥模型进行了程序实现,然后建立了孔压静力触探贯入结构性黏土的数值模型,通过数值计算分析了黏土结构性对孔压静力触探结果的影响。数值计算结果表明:(1)黏土的结构性会导致锥尖周围土体的偏应力增大,由于锥尖附近土体的结构性损伤,最大偏应力出现在距锥尖一定距离的右下方;(2)表征结构性强度的参数——初始结构屈服应力p’_(yi)越大,锥尖阻力qc越大,而表征结构性损伤速度的参数——结构性对流动法则影响参数ω越大,q_(c)值越小;(3)p’_(yi)值越大,贯入停止时的超静孔隙水压力u越大,而ω值越大,贯入停止时的u值越小;(4)经验圆锥系数N_(kt)随p’_(yi)增大明显减小,随ω的增大略有减小。因此,黏土的结构性强度及其损伤会明显影响孔压静力触探的测量结果,基于锥尖阻力q_(c)估算结构性黏土的不排水抗剪强度su时应采用考虑结构性影响的经验圆锥系数N_(kt),否则将会低估结构性黏土的s_(u)。研究结果可为孔压静力触探结果的分析和应用提供参考。

近接既有隧道盾构开挖面三维稳定性分析

针对近接既有隧道条件下的盾构施工开挖面稳定性问题,采用数值模拟和三维理论分析方法进行深入研究。通过数值模拟手段获取了近接既有隧道的盾构开挖面破坏模式,据此提出了改进的三维旋转破坏理论模型。研究结果表明,近接既有隧道的盾构开挖面破坏模式主要受开挖面与既有隧道的相对水平距离(s/D)影响,当-1<s/D<0.5时,开挖面破坏模式呈截面为椭圆的对数螺旋体。提出的对数螺旋体+椭圆柱的三维破坏模型可以反映开挖面失稳扩展沿隧道纵向和横向的非均匀性,因而能够更准确地分析开挖面稳定性。参数分析表明,盾构隧道开挖面极限支护力对土体强度最为敏感,其次是隧道埋深和近接距离。在一定埋深和近接距离范围内(C/D=2.0~3.0和d/D=0.5~1.0),当土体黏聚力不变时,开挖面极限支护力随土体内摩擦角增加呈现先增后减的趋势,内摩擦角临界值约为11°~13°。

地铁行车荷载作用下地层和重叠隧道变形数值模拟研究

地铁列车运行时产生的行车荷载对地层和重叠隧道有显著影响。然而,现有研究很少聚焦重叠隧道变形响应,且缺乏行车荷载施加位置的影响。选取天津某重叠隧道工程,采用激振力函数确定行车荷载,开展地铁行车荷载作用下地层及重叠隧道变形数值模拟。结果表明:地铁行车荷载的施加位置会对地层位移和隧道变形产生明显影响。Smax值和i值均与数据提取位置相关。距隧道中心1.5D为地铁行车荷载引起地层水平位移的临界影响范围。三种工况作用下,隧道纵向变形均表现为整体下沉。行车荷载仅施加于上或下隧道时,施加荷载的隧道横向变形较大;同时施加于两隧道时,两隧道均在底部产生变形。

超氯盐渍土的工程特性指标研究

以探讨超氯盐渍土的含盐量与工程特性指标间关系为目的 ,采用室内土工试验与数学分析相结合的方法 ,深入研究了含盐量对塑性指标、抗剪强度的影响以及盐渍土渗透系数与干重度、含水量之间的关系。研究发现 :超氯盐渍土洗盐前后可塑性变化幅度较大 ;抗剪强度随含盐量增加而增大 ;在干重度、含水量与渗透系数三者相互关系中存在界限含水量和界限干重度。所得结论对深入研究盐渍土的工程特性。

交通荷载作用下结构性软土动应力-动应变关系试验研究

通过对天津滨海新区典型结构性软土进行室内循环三轴试验,研究在交通荷载长期作用下,结构性淤泥质粉质黏土的动应变发展情况;考虑不同的振动波型、动应力频率、动应力比以及固结状态对动应力–动应变关系的影响,得到淤泥质粉质黏土的临界动应力比和动应力–动应变关系随加载频率、围压及固结状态而变化的规律。试验结果表明,结构性淤泥质粉质黏土存在一个临界动应力比和一个振动频率门槛值;同时,在半正弦波型条件下动弹性模量和动剪切模量随固结压力值的变化存在一个转折点。

考虑软土结构强度的次固结特性试验研究

常规的次固结系数Ca计算方法并没有考虑土体结构性的影响。对原状土和人工结构性土进行了一系列的次固结压缩试验,研究了结构强度q对软土次固结系数Ca的影响。研究表明所提出的先期固结压力pc计算方法有效地降低了Casagrande法的误差;人工结构性土能够很好地反映结构性对土体固结特性的影响;结构性的存在能够减小土体进入次固结阶段所需时间;当荷载接近或超过土体的结构屈服应力σk时,土体残余的结构性有利于次固结变形的发展;软土的次固结系数Ca随着结构强度q的增加呈较好的线性增长关系;所提出的次固结系数Ca计算方法引入了结构强度q,为预测结构性软土的次固结变形提供依据。

管桩挤土效应的现场试验和数值模拟

以PHC管桩加固某物流加工二期标准仓库、厂房项目为依托,进行了吹填土地区PHC管桩的挤土效应研究。利用预先埋设的孔压计和测斜计,借助沉桩过程的现场测试手段,研究了PHC管桩在沉桩过程中桩周孔压变化和土体位移分布特征,发现沉桩过程中超孔隙水压力随距桩心距离的增加而近似呈线性规律衰减,影响范围约为10倍桩径,土体水平位移不仅与地基土性质有关,而且其分布特征也与深度有很大关系,表现为0.2～0.4倍桩长处土体水平位移较大。采用数值模拟有效地模拟了现场测试结果,进而将结果推广,得到了沉桩引起的桩周土体位移随深度和距桩心距离的变化规律。数值模拟结果表明:桩-土界面摩擦特性和桩径对土体位移场的影响较大。

建筑垃圾堆山工程中软土地基稳定性评价探讨

利用建筑垃圾进行堆山工程,一方面给垃圾的处理、堆放提供了一条废弃资源再生利用的新途径; 另一方面也产生了一些与软土地基有关的工程问题,尤其是地基的稳定性问题。基于软土地基 BIOT 固结有限元构式及程序的基础,对建筑垃圾堆山工程分级加荷施工过程中,软土地基的固结变形、孔隙水压力分布等进行了弹塑性有限元计算分析,分别从应力和位移两个角度,采用侧向位移速率法、有效应力途径法以及安全图法进行地基稳定性评价。结果得出:在工期允许的条件下,采用合理的断面形式以及加荷方案,利用堆载预压是一种以时间换取金钱的最经济合理的处理方案。本文的计算方法和结论,对类似工程的施工设计可借鉴和参考。

交通荷载作用下结构性软土动本构关系的试验研究

基于大量动三轴试验,针对滨海新区结构性软土,研究了其动应力-应变、动模量和阻尼比变化规律,并对振动波型、加荷频率以及固结应力比等影响因素进行了深入的研究,得出了如下的结论:振动波型对于结构性软土的动应力-应变类型影响不大,但是最大动弹模量Edmax和动剪切模量Gdmax的相差可达2.5倍左右;结构性软土具有明显的频率效应和门槛振动频率;半正弦波型条件下,当围压小于结构屈服压力时,最大动弹模量Ed随固结比的增加而递减,超过某一应变幅值时,最大动弹模量Ed将随着固结比的增加而减小;偏压状态下,低应变条件下固结比越大,阻尼比越大,当应变值超过0.004以后,随应变值的不断增大,固结比越大,阻尼比反而越小。所得出的结论对工程应用具有一定的指导意义。

吹填超软土浅层真空预压加固处理前后的固结特性

超软土固结特性在吹填土地基处理设计中至关重要,针对"浅层真空预压加固处理"前后的超软土开展室内分级加载固结试验,研究了不同状态、不同方向下超软土的固结特性以及固结系数随固结荷载的变化规律。试验结果表明,超软土在低应力水平下,固结系数维持在一个较低的水平;随着固结压力的增加,固结系数虽有所增加,但增量比逐渐减小;与正常沉积土不同,超软土的径向与竖向结构屈服应力的比值明显大于正常沉积土;当固结压力超过结构屈服应力时,超软土的径向固结系数与竖向固结系数相差不大,这一特点与正常沉积土有较大的差别。

振动荷载作用下软土加速蠕变的微观机制研究

研究软土加速蠕变过程中的微观结构变化可深入了解加速蠕变特性的内在机制。在对天津滨海地区软土进行多种条件下的三轴蠕变试验的基础上,利用微观定量化技术,对比静、动荷载蠕变条件下土样的微观结构,从微观角度对加速蠕变机制进行了解释。研究表明,土样产生加速蠕变后,结构单元体的丰度和复杂度降低;结构单元体形状趋向扁圆形,边缘趋于圆滑;土体颗粒在自然状态下无明显定向性,加速蠕变后其定向性显著增强。振动荷载使得蠕变程度增大,也使得土体蠕变的速率加快。研究结果揭示了土体的加速蠕变实际上是在动荷载作用下土体的内部结构不断自我调整再造的过程。

软土主次固结划分及影响因素探讨

主、次固结的划分是正确预测和分析软土地基变形并采取有效工程措施的关键问题之一。利用单向固结仪和三轴剪切仪,对天津典型软土进行了一系列一维压缩次固结试验和三维次固结试验,得到荷载、孔隙比、孔隙水压力、体积应变和时间的关系曲线。试验结果表明:由孔隙水压力消散确定的主次固结划分时间滞后于体应变划分时间;所提出的采用应变速率和应变关系来划分主次固结的方法可以合理地适用于各种荷载条件;主固结时间随试样高度的增大而增大,随排水条件的加强而减小;随着荷载等级的增大,主固结时间延长;当荷载小于结构屈服应力时,加荷比对主次固结划分的影响较小,当荷载大于结构屈服应力时主固结时间随着加荷比的增大而延长;预压后土体的主固结应变与总应变的比值比无预压的情况增大30.7%,且该值随着预压荷载的增大而增大。

滨海软土非线性蠕变特性的试验研究

合理描述滨海软土的蠕变规律对于软土地区各类建(构)筑物的长期稳定性和运行安全性是十分重要的。利用单向固结仪和改进的直剪蠕变仪,开展不同加荷方式下滨海软土的蠕变试验,获得应变与应力和时间的关系,分析其蠕变性状的结构性效应和影响因素,建立相应的蠕变模型。试验结果表明,天津滨海软土具有明显的非线性蠕变特性,其蠕变变形演化特征受其结构性制约和影响。在低应力水平条件下,软土蠕变量非常低,双对数应变–时间关系曲线存在明显的转折点;在高应力水平条件下,蠕变速率较高且产生很大的瞬时蠕变量;实施预压荷载作用不仅降低了软土最终的蠕变量,同时也影响到主、次固结的分界特性。采用修正的对数型表达式能较好地拟合滨海软土的瞬时弹性应变、衰减蠕变和稳定蠕变阶段。滨海软土的剪切蠕变变形在低应力水平下呈现出折线特性,而高应力条件下可近似为线性特性,其剪切模量随时间呈现减小趋势,随应力呈现先增大后减小的趋势,而黏滞系数随时间和应力呈现线性增大趋势。