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.

渤海某区块浅层气对工程影响的评估

以渤海某区块项目为例,采用保压取样方法获取待评估区域海底土层样品并对所含气体开展组分测定,定性判断浅层气成因。采用静力触探孔压消散试验方法获取地层中超孔隙水压力,定量评估对含浅层气地层承载力的折减效应。结果表明,内浅层气主要组分为甲烷和二氧化碳,气体含量较低。内地层中的浅层气可能属于生物成因气。含浅层气地层的超孔隙水压力相对上覆有效压力比值约3%,承载力折减因数为1.0%~1.1%。所采取的方法能够有效评估浅层气对海上基础设施和生产安全的影响程度,具有推广价值。

软黏土地层盾构隧道底部注浆抬升量计算方法

下部地层注浆是盾构隧道过大沉降的常用治理措施。结构性软黏土地层中注浆引起的超孔压在注浆后持续消散,导致隧道抬升后因地层固结而发生沉降,进而降低隧道抬升效率。为预测下方地层注浆引起的盾构隧道纵向变形,提出了考虑土体结构性的盾构隧道底部注浆抬升量—沉降量两阶段计算方法。应用于宁波地铁2号线注浆抬升案例,隧道抬升效率计算值约51%,与同为软黏土地层的上海地铁2号线某区间盾构隧道实测抬升效率非常接近。此外,针对注浆参数、地层参数与隧道参数开展了参数分析,结果表明:隧道最终抬升量及抬升效率与土体基床系数、注浆体积呈正相关,与地层屈服应力成负相关;随埋深比增大,注浆区域隧道最终抬升量减小,而抬升效率变化甚微。计算方法可以为软黏土地层运营盾构隧道注浆抬升设计提供理论支撑。

高水压对岩石动态能量耗散和破坏特性的影响

地下工程岩体普遍处于水压力和地应力环境中,极易引发涌突水等事故,严重影响地下工程的安全稳定性。为研究水压力与地应力对岩石能量耗散和破坏特性的影响,笔者利用自主研发的高水压高地应力岩石动力学试验系统,设置多组水压力和轴向静应力用于模拟地下水压力和地应力环境,对岩石进行冲击试验。基于试验得到的入射波、反射波与透射波计算岩石的耗散能,研究岩石能量耗散率与水压力与轴向静应力的关系。对冲击后的岩石试件进行筛分,计算其质量分形维数,用于表征岩石试件的破坏程度,研究水压力和轴向静应力对岩石分形维数的影响规律。改进孔隙裂纹扩展模型,研究岩石微裂纹扩展的变化规律,探索水压力与轴向静应力对岩石破坏特性的影响机理。结果表明,岩石能量耗散率随水压力的增大呈现先上升后下降的变化趋势,表明水压力对岩石能量吸收起到先促进后抑制的作用。能量耗散率随轴向静应力的增大持续增加,表明轴向静应力有利于增强岩石的能量利用率。相同轴向静应力工况下,岩石的质量分形维数随水压力的增加逐渐减小,即其破坏程度不断降低;相同水压力情况下,质量分形维数随轴向静应力的增加逐渐增大,即其破坏程度逐渐提高。改进的孔隙裂纹扩展模型可以直观表征水压力对微裂纹扩展的影响;水压力的增加抑制岩石动态微裂纹的扩展,降低岩石的宏观破坏程度。

循环荷载下黄土孔隙水压力与能量耗散演化

采用动力三轴仪器测试了压实黄土的动力强度和累积塑性应变发展规律,并分析了不同应力状态下(循环应力比和固结应力比)孔隙水压力与累积能量耗散关系的演化特征。深入了解频率、土体含水率以及压实度对其动力性能的影响机理,旨在揭示不同应力加载条件下,压实黄土能量耗散的差异,特别关注高含水率状态下黄土试样的能量耗散率,以提供对路基性能劣化的有效预测和控制方法。结果表明:频率和土体含水率的增大均引起动力性能劣化,提高压实度对动力性能的优化效果显著。黏滞累积能量耗散以及塑性能量耗散均会影响黄土孔隙水压黄土的增长型式,其中循环应力比(CSR)较小时,黏滞累积能量耗散的影响更显著,而CSR达到0.28时,总累积塑性能量耗散更为凸显;固结应力比(K_(c))下则表现孔隙水压力始终依赖总累积塑性能量耗散的变化;通过参数引入和归一化分析,构建了不同CSR和K_(c)影响下的压实黄土孔隙水压力增长的能量预测模型。不同固结应力比引起压实黄土的能量耗散差异显著,且高含水率状态的黄土试样表现出更大的能量耗散率。因此,有必要对压实黄土的含水率进行控制,避免行车动载作用下超静孔隙水压力过大导致的路基性能劣化,所建立的能量预测模型能够有效地描述压实黄土的变形破坏特征。

循环三轴荷载作用下砂土孔隙水压的发展规律

地震荷载在土体中诱导产生的超孔隙水压发展会导致砂土液化和破坏。准确合理地表征超孔隙水压在循环荷载作用下的发展规律对液化分析至关重要。采用净砂和细粒含量为10%的含粉粒砂土开展了一系列不排水循环三轴试验,基于两种超孔隙水压模型(均匀循环应力模型和能量耗散模型)对数据进行了分析,提出了一个能更好表征孔隙水压发展的均匀循环应力模型并标定了模型参数,同时对一个单参数能量耗散模型进行了参数标定和分析。数据表明,均匀循环应力模型参数主要受到应力循环幅值的影响,且表现出一定的土体特异性;能量耗散模型的参数则主要受到土体密实度的影响和土体类型的影响。

复杂荷载作用下饱和钙质砂孔压特性及损耗能试验研究

钙质砂是一种由海洋生物残骸沉积而成的特殊岩土体,为我国南海岛礁主要的吹填材料,研究其动力特性意义重大。通过一系列不排水循环剪切三轴试验,分析饱和钙质砂孔压特性发展规律;引入能量法,建立钙质砂孔压和损耗能的内在联系。结果表明,饱和钙质砂的极限残余孔压比随固结应力比呈先增大后减小的变化趋势,循环加载过程所累积的损耗能与试样初始静剪应力比及相对密实度有关,受循环应力比影响极小,可通过构建的能量模型较好地预测不同试验条件下饱和钙质砂的损耗能。研究成果能为钙质砂地基的稳定性分析提供理论依据和技术支撑。

基于耗散能量的饱和黄土动孔压模型

通过一系列不排水动三轴试验探究了饱和黄土振动液化过程中孔隙水压力和累积耗散能量的演化模式,并讨论了围压、动应力幅值和固结应力比对其演化过程的影响。结果表明:饱和黄土的孔隙水压力和耗散能量随着循环荷载作用逐渐累积。固结围压抑制孔隙水压力增长而消耗更多能量;更大的动应力幅值使得孔隙水压力增长更快而消耗能量更少;等压固结下,孔隙水压力增长至围压从而触发初始液化,而偏压固结下,通常先达到振动液化应变标准而孔隙水压力并没有增长至围压水平,并且固结应力比越大,液化时孔隙水压力越小,消耗能量也更少。归一化孔隙水压力u/σ0’与累积耗散能量W/Wf之间关系受围压、循环应力比和固结应力比影响较小,可统一用双曲线模型表示。

真空堆载联合预压加固软基中孔隙水压力消散规律研究

通过实测资料分析了真空堆载联合预压中不同深度的孔隙水压力、超孔隙水压力、相对超孔隙水压力随时间的变化规律,并对孔压变化的原因进行了微观解释。结果表明:(1)处理区外侧,孔压变化主要由地下水位下降引起,受真空影响较小;(2)在处理区内,孔压变化受真空负压、土体渗透性和堆载荷载的影响。真空作用下的渗流是孔压消散的主要方式,土体渗透性的强弱影响着孔压消散的速度,消散的孔压转化成有效应力,促使土颗粒移动,对孔隙水产生挤压,这使孔压消散呈脉动性特征。

饱和粘性土体中孔隙水压力对地铁振动荷载响应特征分析

以上海地铁二号线某区间隧道附近的饱和粘性土体为研究对象,在地铁振动荷载作用下,通过对不同位置、不同深度土体中预埋孔压计振动频率的连续监测,研究饱和粘性土体中孔隙水压力对振动荷载的响应特征,得出了饱和粘性土中孔隙水压力增长和消散的变化规律,并用土动力学及能量损失原理对其机理进行了分析。

循环加、卸载孔隙水压力对砂岩变形特性影响实验研究

利用MTS815岩石力学实验系统对饱和砂岩进行三轴等围压情况下的循环加、卸载孔隙水压力实验。结果表明:压密阶段的加、卸载曲线中出现了很多"Z"状的波动,这些小波的出现没有规律性,初始残余变形比较大,还没有形成明显的滞回曲线。在弹性耦合阶段稳定滞回曲线加载时,应变呈上凹"Z"状波动,在到达上限值前出现拐点,应变达最大值;卸载时,应变呈下凸"Z"状波动,在到达下限值前出现拐点,应变达最小值,该阶段形成稳定的滞回曲线,表现形式由疏变密,稳定滞回曲线包含弹性变形向塑性变形演化。在孔隙水压力的不同上限值和不同幅值区间的耗散能构成不对称"X"形。在加载段,随着孔隙水压力增大,耗散能逐渐减小;卸载段,随着孔隙水压力减小,耗散能逐渐减小。"X"形的交点出现的位置和夹角与不同上限值和不同幅值区间有关。在循环加、卸载孔隙水压力作用下,残余应变与循环次数的关系符合乘幂负指数关系。

脉动孔隙水压下三轴加压对煤岩损伤变形的影响

为研究脉动孔隙水压作用下低透性松软煤岩在不同三轴加压条件下的损伤变形规律,采用RLW-2000M煤岩流变仪进行了不同轴压和围压系列下的试验研究。结果表明:煤岩破坏的应变曲线具有先疏后密再疏的变化规律,且累积应变和残余应变随着围压的增加而减小,而随着轴压的增加而增大;平均单次耗散能随着围压的增加而减小,随着轴压的增加而增加,其关系符合指数函数变化特征;采用累积耗散能计算了煤岩破坏过程中的损伤变化特征,并采用Logistic方程逆函数对其进行了拟合分析,得到了煤岩损伤演化模型,为预测煤岩破坏周期提供了依据。研究结果为具有不同地应力条件下的低透气性松软煤层施工脉动水力压裂提供了一定的理论依据。

盾构施工引起土体超孔隙水压力消散问题的研究

基于Terzaghi-Rendulic二维固结理论,将土体视为饱和弹性介质,采用保角变换的方法将含有圆环(隧道)的半无限空间区域映射为圆环域,建立衬砌在不透水的情况下隧道周围土体超孔隙水压力分布的控制方程。采用分离变量法对该控制方程进行求解,得到处于饱和弹性土体中隧道周围土体超孔隙水压力消散的解析解。结合算例分析不同隧道埋深的情况下隧道顶部及水平向超孔隙水压力随时间变化的情况,以及埋深一定时隧道上方土体超孔隙水压力的变化规律。研究结果表明:隧道埋深越深,周围土体中超孔隙水压力的消散速度越慢;在开始阶段超孔隙水压力消散速度较快,随着时间的推移消散速度逐渐减慢;隧道周围土体水平向超孔隙水压力的消散速度要比竖向的消散速度快;隧道上方土体距离隧道越近,超孔隙水压力的消散速度越快。

基于孔压消散改进模型的土体孔隙水压力预测

固结系数在评估土体工程特性方面具有重要作用,孔隙水压力是孔压静力触探技术中评价土体水平固结系数的重要指标。目前,基于孔压静力触探试验计算固结系数的方法比较费时,为了提高孔压静力触探技术在低渗透黏土中的工作效率,本文基于不完全孔隙水压力试验数据,结合早期与后期双曲线拟合法,建立孔压消散改进模型。以上海浦东新区黏土场地为例,计算得到的孔隙水压力与时间曲线截距与斜率分别为0.943和0.003,通过比较孔隙水压力计算值与试验值得到其相关系数均大于0.99。此外,对消散时间小于消除50%孔隙水压力所需时间的数据进行预测,预测结果相关系数为0.9967,表明本文提出的孔压消散改进模型预测孔隙水压力的精确度较高,能够节约大量工程勘察时间,能有效拓展孔压静力触探试验在岩土工程勘察中的应用。

瀑布沟堆石坝砾石土心墙施工期孔隙水压力特征与分析

土石坝施工期孔隙水压力长消过程十分复杂,以瀑布沟心墙监测资料为基础,分析施工期砾石土心墙的孔隙水压力特征及其形成机制,并与小浪底坝和鲁布革坝监测资料进行对比分析。研究结果表明:瀑布沟心墙施工期孔隙水压力长消主要有4种模式,即滞后响应型、即时响应型I、即时响应型II、不响应型;即时响应型II是最主要的长消模式;渗压计响应滞后的实质是渗压计周围土料从非饱和状态过渡到饱和状态的过程;渗透系数是影响渗压计是否滞后的决定性因素;即时响应型I长消模式是心墙局部含水量偏高的结果,施工过程中应尽量使心墙含水量均匀,避免产生即时响应型I长消模式;填筑速率对滞后响应型和即时响应型II孔隙水压力的长消影响显著,而对即时响应型I孔隙水压力长消影响不显著。因此,设计和研究砾石土心墙坝应高度重视砾石土的不均质性。

真空排水预压加固软基中的孔隙水压力消散规律

真空排水预压加固软基是通过孔隙水压力的消散来增强土体的强度。本文通过浃里陈大桥试验段实测资料,分析了在真空排水预压过程中孔隙水压力在淤泥及砂井和塑料排水板中的消散规律。试验结果表明,地基中的孔隙水压力消散值可分为两个部分:一为真空度的直接传递导致的孔隙水压力下降值;二为抽真空引起水位线下降进而引起的孔隙水压力消散值。淤泥地基中孔隙水压力消散主要是由于地下水位线的下降引起的,砂井和塑料排水板中的孔隙水压力消散大部分由真空度直接引起,孔隙水压力的消散程度沿深度方向基本不变。真空排水预压塑料排水板中孔隙水压力影响深度可达塑排板下4～5m。塑料排水的真空排水预压效果优于砂井。

循环荷载下砂质混合土孔隙水压力特性研究

通过对各种细颗粒含量的土实施从小到大应变水平的动力循环荷载试验,采用累积损失能量的观点,分别考察了土的细颗粒成分含量、围压、加载频率、加载形式及荷载的不规则性对孔压的影响,提出了孔隙水压力和累积损失能量的归一化方法,建立了砂质混合土的孔隙水压力上升模型,并探讨了模型参数和土的细颗粒成分含量的关系。

基于衬砌长期渗漏水影响的隧道施工扰动诱发超孔隙水压消散及地层固结沉降解

基于Terzaghi-Rendulic固结理论,采用保角映射和分离变量法,计算得到隧道衬砌半渗透漏水边界条件下,盾构施工扰动引起的隧道周围土体超孔隙水压力消散解和地表土体固结沉降,通过工程实例进行验证,发现理论方法与实测数据趋势一致;此外,利用参数分析获得了土体固结沉降和超孔隙水压力的分布影响规律。结果表明:衬砌与土体的相对渗透比越大,固结沉降的初始速率越大,但不影响最终收敛值;土体弹性模量越小,最终固结沉降量越大;土体中超孔隙水压力随着时间增加,在隧道开挖后较短时间里以较大幅度逐渐消散,消散到约为初始值的1/10时减幅放缓;距离衬砌外壁越远,土体初始超孔隙水压力越小,其消散速度也越慢。

开孔管桩动孔压消散特性的理论研究

可液化地基在遇到地震作用或任何其他突变应力条件下,土体会迅速丧失强度和刚度,发生液化,从而失去承载能力。传统的抗液化措施主要集中在地基处理层面,而开孔管桩则兼具抗液化性能和承载能力。在假设开孔管桩孔洞内液体流动满足Poiseuille方程且等应变假设成立的前提下,结合开孔管桩复合地基的应力集中现象,推导出地基在时变荷载作用下的径竖向组合孔压解析解。考虑到循环荷载作用下的孔压积累现象,进一步利用孔压发展的经验模型改进该解析解。在此解析解的基础上,分析、对比开孔管桩、碎石桩、不排水桩以及天然地基的孔压发展情况,得出开孔管桩具有最好的孔压消散能力。桩-土模量比、井径比等因素对孔压的发展都有重要的影响,桩-土模量比越大、井径比越小,孔压消散速率越快。桩本身开孔系数对孔压发展的影响不明显。荷载频率只影响初始孔压峰值,并不影响孔压振荡衰减的速率。

一种现场测定地基固结系数与渗透系数的方法

地基固结系数及渗透系数是地基计算及设计中的关键参数。本文利用IFCOBAT系统测试地基原位水平固结系数和渗透系数,采用考虑塑性区内外孔压系数不同的圆柱形孔洞扩张理论和一维径向固结方程模拟滤头周围的初始超静孔隙水压力分布及其消散过程,在渗透系数分析中,同时考虑了针头对流经水的阻力和滤头及容器内水柱的影响。现场测试结果与薄壁土样的室内试验结果的比较分析表明,现场测定的固结系数和渗透系数与室内试验结果接近。另外,还讨论了两种测试结果之间差别的原因及其合理性。