结构性黏土中球孔扩张不排水解析及其在静力触探中的应用

圆孔扩张理论被广泛用于静力触探(CPT)和静压沉桩等问题的贯入阻力或挤土位移分析预测中.目前结构性黏土中的圆柱孔扩张解答难以考虑扩孔过程中土体结构破坏或退化影响,一定程度上限制了该理论解答的工程适用范围.将锥尖或桩端贯入作为球形孔的扩张挤土过程,基于结构性黏土剑桥模型和塑性区大应变理论,将球孔扩张不排水问题归结为各有效应力分量的常微分方程组边值问题,以弹塑性边界上应力值为边值条件对该问题进行求解.结果表明,随着土体结构性增强,球孔周围的临界状态区和塑性区范围减小,扩孔应力增大,超固结土的应变软化特征和剪胀性更明显;对于初始应力相同的结构性黏土,各有效应力分量在孔壁附近均趋于对应重塑土中的应力分量,说明土体在扩孔扰动过程中发生了结构破坏或退化.最后将确定的扩孔应力用于CPT贯入阻力及孔隙水压力的理论计算中,与已有解答进行对比分析,发现考虑土体结构性影响后能得到与实测值更接近的预测结果.

湛江组结构性黏土触变性正交试验及其触变强度预测模型

触变性是分散体系流变学研究的一个热点,黏土的触变性是指黏土受扰动后强度降低,静置之后强度逐渐恢复的现象。为研究黏土的黏粒含量、含水率、孔隙比及灵敏度对黏土触变性的影响程度及规律,选取强、中、弱3种灵敏度的湛江组结构性黏土为研究对象,设计正交试验方案,开展不同养护时间的无侧限抗压强度试验。结果表明:触变强度随黏粒含量、含水率、孔隙比的增大而减小,存在幂函数关系,随灵敏度的增大而增大,存在对数关系,R2均大于0.95,具有良好的相关性;触变强度比率随黏粒含量、含水率、灵敏度的增大而增大,随孔隙比的增大而减小;对灵敏度相同的试样,影响因素对触变性作用强度为孔隙比>含水率>黏粒含量;采用最小二乘法开展多元回归拟合,建立了各因素与触变强度的多元回归预测模型。

上覆压力对湛江组结构性黏土触变性的影响机制

上覆压力对湛江组结构性黏土触变性具有显著的影响。上覆压力大小不同,导致湛江组结构性黏土触变性强弱不同,使得湛江组结构性黏土地基强度恢复程度存在差异。研究上覆压力对湛江组结构性黏土触变性的影响机制,有助于深入了解上覆压力造成地基强度恢复程度不同的本质原因。在不同上覆压力作用下对扰动后的湛江组结构性黏土在不同静置龄期进行直接剪切试验和扫描电镜试验,探究土体的触变强度比率随上覆压力变化规律以及土体的微观结构演变规律,从宏微观角度阐明上覆压力对湛江组结构性黏土触变性影响机制。结果表明:在相同上覆压力作用下,随着静置龄期增长,土体抗剪强度和触变强度比率增大,触变强度比率与静置龄期呈乘幂函数关系,土体的概率熵和颗粒分布分维数均下降,土颗粒往团聚化发展、排列定向性逐渐加强;静置龄期相同时,随着上覆压力的增大,土体抗剪强度增大,但随着静置龄期的增长,土体触变强度比率减小,触变强度比率与上覆压力呈一次函数关系,土体概率熵和颗粒分布分维数下降的幅度减小,土颗粒往团聚化发展和排列定向性增长的速率变慢。

基于SEM和MIP试验结构性黏土压缩过程中微观孔隙的变化规律

为探求土体在变形过程中微结构形态的演化规律,对湛江结构性黏土进行室内压缩试验,通过真空冷冻升华干燥法对天然土和压缩后土制样,进行扫描电子显微镜扫描试验和压汞试验,基于灰度计算土的三维孔隙率,分析压缩过程中微观孔隙的变化规律。结果表明,较二值化处理获得的二维孔隙率,三维孔隙率物理意义明确,求取方法简单,有较高准确性。湛江天然黏土孔径为1.0～0.1μm的小孔隙组占优,其孔隙体积占总孔隙体积的73%。压缩过程中,P>k前,各孔径组分变化甚微。P>k后,随压力的增大,小孔隙含量表现为先增加后降低。各孔隙组对外力的敏感度与孔隙体积含量正相关。由于压汞过程存在"瓶颈"效应,其结果可能会夸大小孔隙的分布密度而低估大孔隙的分布密度。结构性黏土压缩过程中微观结构形态的演化可分为结构微调、结构破损、结构固化3个阶段。该研究有助于深入了解土的变形机制,为结构性土的工程设计提供科学的依据。

不同固结压力下强结构性黏土孔隙分布试验研究

为探讨结构性土变形的微观机制，以湛江地区结构性黏土为研究对象，对原状土和压缩试验后土样进行压汞试验，分析不同固结压力下土的孔隙分布、孔径大小以及孔隙结构特征参数的变化规律，辅以SEM图像进行孔隙形态的定性分析，并从分形理论角度对此解释与验证。结果表明，湛江黏土各孔隙组对外力的敏感度与孔隙体积含量正相关。由于压汞过程存在瓶颈效应以及边-面-角的空间接触形式，其结果可能会夸大真实小孔隙的分布密度而低估大孔隙的分布密度。结构性对压缩过程中孔隙分布影响较大，当固结压力增大至结构屈服压力后，孔径为0.01～0.50μm的孔隙组变化明显，孔隙的连通性变差，孔径分布向小孔径范围移动，孤立式孔隙增多，大、中孔隙的界限变得不明显。湛江黏土孔隙具有多重分形特征，据此确定微裂隙、粒间孔隙和孤立孔隙孔径的分界点为0.01μm与0.50μm，同时给出了湛江黏土的孔径界定标准。

结构性黏土压缩和剪切特性试验研究

天然黏土一般都具有结构性,其变形过程必然伴随着结构的破坏。为了了解结构性黏土的力学行为,本文采用人工制备结构性黏土的方法,进行了一系列试验,研究了结构性黏土和重塑土不同速率下的压缩和剪切特性。

湛江组结构性黏土区域微观结构特性研究

形成于早更新世的湛江组地层广泛分布于雷州半岛地区,其最为典型的灰色黏土因具有强结构性,在实际工程中出现了一系列岩土工程问题,为众多学者所关注。根据地层学研究结果,雷州半岛各区域的湛江组灰色黏土具有不同沉积环境。由于地质成因的差异,灰色黏土在不同区域表现出不同的工程特性。工程实际中,灰色黏土工程特性的区域性,使得工程界及研究者对于该土层的工程力学效益更是难以掌握。利用X射线衍射试验及电镜扫描试验,研究了不同区域灰色黏土的矿物成分及含量、微结构等微观结构特性。结果表明:不同沉积环境灰色黏土矿物成分及含量存在区域性差异,各矿物成分按照不同比例组合,形成的土体微结构区域特性明显。灰色黏土具有强结构性微观机制的揭示及区域差异性的分析,有利于对该层黏土的全面认知和利用。

湛江组结构性黏土中桩基竖向承载性状模型试验

利用原位模型试验研究湛江组结构性黏土中桩基在竖向荷载作用下的承载性状。选取材质和桩径相同、入土深度不同的6组模型桩,采用慢速维持荷载法,在湛江组结构性黏土中进行单桩原位竖向承载模型试验,得到了单桩荷载-沉降曲线、单桩轴力沿桩身分布曲线、单桩侧摩阻力沿入土深度分布曲线。结果表明:在竖向荷载作用下,湛江组结构性黏土中模型单桩荷载-沉降曲线均存在显著陡降,极限状态拐点明显,竖向极限承载力随着长径比的增加而增大;在相同荷载作用下,随着长径比的增加,桩顶沉降逐渐减小且减小趋势逐渐变缓,在较大荷载作用下超长桩荷载-沉降曲线中桩顶沉降的减小速率几乎为零,存在有效桩长;在同级桩顶荷载作用下,单桩桩端阻力占总桩顶荷载的比例随着长径比的增加而逐渐变小,由最大29.8%减小为0.8%;不同入土深度的单桩在极限荷载作用下的桩侧极限摩阻力变化不大,均稳定在40 k Pa左右。

结构性黏土的二元介质渗流模型

在岩土破损力学理论的框架内,将结构性黏土看作由不同渗透性能的结构块和结构带组成的二元介质材料,建立了结构性黏土的二元介质渗流模型。进行了一维固结计算,结果说明该模型能与现有二元介质应力应变关系配套进行变形和渗流耦合分析,并能较好地描述结构性黏土的固结过程。

湛江组结构性黏土中开口桩土塞效应的模型试验研究

在土层中打入开口桩,土体进入桩内形成土塞,土塞效应对桩的承载能力和沉桩后的工作性状有重要影响。在湛江组结构性黏土中打入开、闭口模型桩,进行了17组现场模型桩试验。通过对实验数据分析,得到了开、闭口桩的承载力以及土塞高度的变化情况与不同桩径、壁厚之间的关系;探讨了土塞增量与桩打入深度之比(IFR)随桩长与内径之比的变化规律,线性拟合出土塞增量与桩打入深度增量之比(IFR)与土塞高度与桩打入深度之比(PLR)的经验公式。结果表明:基于湛江组结构性黏土的现场模型试验下,开口桩的承载力较同等规格的闭口桩承载力偏小,减小比例为20%~30%;土塞高度的增量随着桩径以及壁厚的增大而变大;随着管径的壁厚比越大,土塞相对高度越大;试验桩中土塞都是部分闭塞,但随着桩入土深度的继续增加,闭塞效果逐渐增强;而通过拟合得出的IFR与PLR之比基本成线性关系。

基于湛江组结构性黏土的桩土接触面模型及解析解

湛江组结构性黏土因其特有的结构特性而使该土层中桩基承载性状复杂,传统的桩基设计计算理论和方法应用于该土层中桩基承载力计算时其理论计算值与工程实测值或多或少存在一定误差而存在适用性问题。基于湛江组结构性黏土直剪试验及无侧限抗压强度试验,在剪切位移法的基础上,提出了桩土接触面软化模型,即桩土接触面处于弹性阶段时,桩侧摩阻力随位移线性增加;桩土接触面处于软化阶段时,桩侧摩阻力随位移线性减小,且减小速率与土体灵敏度、桩土接触面法向压力有关;桩土接触面处于滑移阶段时,桩侧摩阻力不随位移变化。依据该模型推导了湛江组结构性黏土中竖向荷载作用下单桩位移及轴力解析解,并比较了计算与试验结果,验证了所提模型的合理性。

湛江组结构性黏土中单桩水平承载性状试验研究

选取材质和桩径相同、桩长不同的3组模型桩,采用单向多循环加载法,在湛江组结构性黏土中进行单桩水平静载现场试验。通过对试验数据的处理,得到桩顶的水平荷载-时间-水平位移(H0-t-Y0)曲线、水平临界荷载Hcr、水平极限承载力Hu以及单桩的桩身弯矩、桩身剪力、桩侧土抗力沿桩入土深度的变化情况。分析结果表明,在水平荷载作用下,湛江组结构性黏土中具有相同材质、相同桩径的单桩,其水平临界荷载Hcr和极限承载力Hu与入土桩长呈正相关关系;桩身弯矩、剪力和桩侧土抗力的最大值均随着入土桩长的增加而增大;桩身弯矩和桩身剪力主要集中在桩身上部,最容易发生剪切破坏的部位在桩顶处;湛江组结构性黏土中单桩的桩侧土抗力沿入土深度呈不完整的S形分布,且其最大值出现在地平面附近。

基于触变效应的湛江组结构性黏土单桩模型试验

基于湛江某桩基工程的实际,利用自制的模型箱装置对湛江组结构性黏土中不同桩长、桩径的9组模型桩在不同休止龄期的承载性状进行研究,分别测定模型桩应变、沉降,同时对模型桩的桩周土进行十字板剪切试验以便测定其抗剪强度,探寻湛江组结构性黏土触变性与单桩时效性的量化关系。结果表明:不同桩长、桩径的模型桩极限承载力及桩周土的抗剪强度和触变强度比率随着休止龄期的增加均表现出增长的趋势,且前期增长快,后期增长慢;模型桩极限承载力增长幅度与桩周土强度恢复幅度呈正相关,土体的触变性越强,单桩的时效性越明显。

湛江组结构性黏土桩基群桩效应

利用自制的群桩模型装置,在湛江组结构性黏土中进行原位试验,获得不同桩间距、不同桩长情况下群桩效应系数实测值;对比分析了不同理论群桩效应系数公式计算值与实测值的误差;讨论了不同理论群桩效应系数公式的适用性。结果表明:承载力群桩效应系数实测数随桩间距增大而增大,在0.750~0.917变化;侧摩阻力群桩效应系数随桩间距增大而增大,在0.782~0.897变化;Converse-Labrre群桩效应系数计算值与实测数据比较吻合,相对误差在-1.9%~6%;考虑应力叠加的群桩效应系数计算值与实测值相差较大。

湛江组结构性黏土变形特性试验研究

天然软黏土普遍具有结构性。结构性黏土在我国湛江地区分布广泛,该区域黏土具有天然含水率高、孔隙比大、高压缩性和低渗透性等特点,其土体结构特征对其变形特性有较大影响。以湛江市东海岛地区灰色结构性黏土为研究对象,通过室内试验研究其在加载作用下的压缩特性,以及在卸载作用下的回弹特性。主要结论如下:1天然原状土与重塑土的压缩特性存在较大差异,以重塑土为试验对象测得的土体力学指标不能很好的代表实际工程中原状土的力学特性;2天然原状土在加载阶段和卸载阶段的变形规律有相同之处,但土体在卸载阶段产生的总回弹变形量远小于加载阶段产生的总压缩变形量;3天然原状土存在临界卸荷比R为0.25和0.75,当0<R≤0.25时,土样回弹变形量很小;当0.25<R<0.75时,土样发生回弹变形;当R≥0.75时,土体发生明显回弹变形,且此阶段回弹变形量占总回弹变形量比例最大。

静偏应力下湛江结构性黏土的动力特性

针对天然强结构性湛江黏土,通过开展不同静偏应力影响下的不排水循环加载三轴试验,对循环荷载作用下的动变形、动强度和动孔隙水压力特性以及与土结构性间的内在联系进行系统性的试验研究。结果表明,结构性黏土在循环荷载作用下的突然破坏,具有脆性破坏特征,静偏应力越大,土体破坏应变越小。湛江黏土的临界动应力随静偏应力呈先增大、后减小的变化规律,在静偏应力较小时存在峰值。分析认为,静偏应力对结构性黏土动力特性的影响存在分界值,小于该值时静偏应力对土体的压密作用提高了土体的临界动应力和动强度,抑制了土的变形发展;当静偏应力继续增大,则土体结构损伤,动荷载下的临界动应力和动强度均呈下降趋势。结构性土的动孔隙水压力低于一般黏土,静偏应力的存在导致孔压在土体破坏后出现负增长,初始剪应力使结构性土体产生剪胀势。

考虑结构性黏土应变软化效应的 桩靴竖向承载特性研究

为评估桩靴在结构性较强的黏土场地贯入时,土体的应变软化效应对桩靴竖向承载特性的影响,首先采用VUSDFLD子程序定义结构性黏土不排水抗剪强度s_(u)随累积绝对塑性剪应变ξ的变化关系,使现行的耦合欧拉-拉格朗日(coupled Eulerian-Lagrangian,简称CEL)数值分析方法能够模拟结构性黏土的应变软化效应。然后,基于改进后的CEL数值分析方法,分析土体灵敏度S_(t)、土体应变软化参数ξ_(95)及土体脆性参数β对桩靴上方土体回流及竖向承载特性的影响。结果表明:S_(t)、ξ_(95)及β均会对桩靴上方土体回流及桩靴竖向承载力产生影响,其中反映结构性黏土脆性特性的参数β影响最显著。与未考虑土体应变软化效应的情况相比,考虑结构性黏土应变软化效应的桩靴竖向承载力因子和极限孔穴高度明显偏低。此外,建立了桩靴在结构性较强的海洋黏土场地预压贯入时的归一化极限孔穴高度及桩靴深贯入竖向承载力预测公式,预测结果较合理。研究成果也可为实际工程中评估桩靴深贯入竖向承载力、预测桩靴最终贯入深度提供参考。

结构性黏土的原位刚度衰减规律及数学表征

湛江组黏土作为一种高强度、高灵敏度的结构性土,其力学特性易受取样扰动的影响。通过在典型结构性黏土地层中开展自钻旁压试验(SBPT)和地震扁铲试验(SDMT),获取了土体原位剪切模量−剪应变衰减曲线(G-γ曲线),并采用Stokoe模型表征其归一化刚度衰减性状。结果表明:通过SDMT测得的地震波波速Vs计算了小应变剪切模量G_(0),基于SBPT结果的非线性分析推导出土体的切线剪切模量G_(t),结合G_(0)和G_(t)进而获取了完整的原位刚度衰减曲线;不同深度处的土体原位剪切模量G随剪应变γ增加均呈双曲线形的衰减规律,证明结构性黏土的力学性能具有非线性特征;随着土层深度增加,结构性黏土的原位刚度参数在γ≤10^(−3)%条件下呈增大趋势,在γ>1%条件下几乎不变;归一化的原位G-γ曲线与Stokoe模型计算结果基本吻合,说明采用Stokoe模型能够准确、合理地描述土体原位刚度衰减特征。该研究可为湛江组黏土地层的岩土工程建设提供设计参数,也可为类似地层的刚度分析提供参考。

不同应力路径下K0固结结构性黏土微观结构特征试验研究

研究结构性黏土在不同应力路径下的微观结构变化可深入了解K0固结下结构性黏土结构性特性变化的内在机制。在对衡水地区天然黏土进行不同应力路径条件下三轴剪切试验的基础上,利用微观定量化技术,对比不同应力路径条件下土样的微观结构,从微观角度对结构性黏土的微观结构特征变化机制进行了解释。结果表明:在不同应力路径下土体的孔隙直径、颗粒和孔隙的定向排列变化较大,而颗粒和孔隙的形状特征变化较小。增大球应力使土颗粒变得密实,使孔隙压缩,土体体积减小;减小球应力使土颗粒变得松散,孔隙直径增大,土体体积膨胀。增大或减小偏应力对土体微观结构的影响相似,在土体结构破坏前使土骨架变形产生一定压缩,在土体结构破坏后使颗粒错动、翻滚并相互搭接,扩大了粒间孔隙,使土体出现剪胀。土颗粒形状的不规则性导致球应力和偏应力对体应变和剪应变的交叉影响。研究结果揭示了不同应力路径下结构性黏土应力-应变特性的微观机制。

沉桩方式及桩型对湛江组结构性黏土中单桩承载力时效性的影响

北部湾沿岸地区湛江组结构性黏土具有触变性,导致该土层中桩基时效性明显,不同沉桩方式及桩型的模型单桩对该土层中桩基承载力时效性影响显著。以湛江组结构性黏土为地基,设计不同沉桩方式、桩型的模型单桩进行桩基静载实验,并对1倍桩径范围内桩周土的孔隙水压力进行监测。结果显示:①湛江组结构性黏土中单桩竖向极限承载力均随休止时间的增加而逐渐增大,且增大的速率表现为前期增长快,后期增长慢;②孔隙水压力消散规律与单桩竖向极限承载力增长规律基本吻合;③湛江组结构性黏土中,不同沉桩方式、不同桩型的单桩承载力时效性应采用不同时效性系数下的经验公式表述,但现存经验公式有待完善;④当沉桩方式不同桩型相同时,静压桩的竖向极限承载力增大的速率和幅度比振动桩大;⑤当桩型不同沉入方式相同时,圆桩的竖向极限承载力增大的速率和幅度最大,管桩次之,方桩最小。