考虑非达西渗流的双层软土地基大变形非线性固结分析

现有的双层软土地基大变形固结理论均假定土中渗流遵循达西定律,但软黏土中渗流在低水力坡降下会出现偏离达西定律的现象已逐渐为人们认识。综合考虑双层软黏土中的非达西渗流、软土的非线性压缩渗透特性及实际中的变荷载作用,在拉格朗日坐标系中建立以超静孔压为变量的软土大变形非线性固结模型,并给出其有限差分解。在此基础上,通过与已有的非达西定律下单层地基大变形固结数值解计算结果相对比,以验证其差分解的可靠性。最后着重分析上、下层非达西渗流参数m_1、i_(11)及m_2、i_(12)对固结性状的影响,并分析了在大、小变形不同几何假定下对双层地基超静孔压消散及固结沉降影响的异同。结果表明:上层土参数m_1、i_(11)对固结性状的影响要比下层土参数m_2、i_(12)显著;m_2、i_(12)的增大会引起上层土超静孔压消散速率的加快,但双层地基的固结速率会减慢;大变形假定下双层软土地基的固结速率要比小变形假定下快,但两种几何假定下双层地基的最终沉降量是相等的。     

砂-黏土双层地基极限承载力的数值研究

在实际工程中,常见天然的或通过人工换填形成的上部砂土、下部黏土的层状地基,目前关于这种双层地基极限承载力和破坏机制研究还不够深入。通过有限差分法建立双层地基数值模型,分析基底粗糙程度、砂土剪胀角和超载对地基破坏模式及极限承载力的影响,并根据有限差分法计算结果对强度加权平均法、应力扩散法和冲剪破坏法等现有实用计算方法的估算正确性进行评价。研究结果表明,基底粗糙程度对极限承载力的影响随着砂土内摩擦角的增大而减小;当剪胀角较小时,剪胀角变化对承载力的影响更为明显;当下层黏土强度较小时,超载的作用更明显。强度加权平均法由于低估破坏面影响深度导致砂土层权重较大,计算结果偏大;应力扩散法忽略了砂土剪切强度,在砂土层较厚时出现低估;冲剪破坏法由于可较为精确地计算砂土破坏面上抗剪强度和被动土压力,是3种实用方法中计算最准确的,当砂土厚度和黏土强度较大时,建议按太沙基经验公式对下卧黏土进行局部剪切破坏修正后确定极限承载力。     

复合加载情况下双层地基极限承载力研究

在复合加载情况下精确求解层状非均质地基的极限承载力,具有很强的工程实用与理论参考价值。基于土体极限平衡理论与通用有限元软件ABAQUS,针对复合加载情况下上硬下软的双层不排水饱和软黏土地基的极限承载力,进行了大量的数值计算,得出了上层土临界深度Hcr的计算公式、竖向极限承载力Pv的计算公式以及复合加载情况下地基破坏时的破坏包络面方程。研究结果表明：上层土临界深度Hcr取决于土层间强度比Su1/Su2;竖向极限承载力Pv与破坏包络面取决于土层间强度比Su1/Su2、上层土深度H1与基础型式。     

循环荷载下人工结构性土变形与强度特性试验研究

针对长期动载作用下天然沉积结构性黏土地基强度和刚度循环软化问题,分别以水泥和食糖为模拟粒间胶结和大孔隙的材料,制备了不同胶结强度和初始孔隙比的人工结构性土,开展了人工结构性土与相应重塑土的动三轴试验,分析了土体胶结强度、初始孔隙比、围压和动应力幅值对累积变形和动强度的影响规律。试验结果表明：累积应变-振动次数曲线以临界循环应力为界分为：塑性安定型、临界型和破坏型;临界循环应力随胶结强度增大、初始孔隙比减小而增大;土体胶结强度越高,脆性破坏越明显,累积应变曲线转折点对应的应变越小。动强度的应变破坏标准采用转折点应变值更符合土性变化规律;动强度随胶结强度增大、初始孔隙比减小而增大;动黏聚力cd随破坏振次增大而降低,而动内摩擦角?d基本不变。试验结果可为软弱土地基动力灾变控制提供有益参考。     

不同荷载模式作用下双层软黏土地基压缩特性研究

天津滨海吹填场区典型的“上软下硬”的双层软黏土地基具有复杂的物理性质和工程特性,其在不同荷载作用模式下的变形特性有所不同,在工程实践中往往会产生较大的工后沉降和不均匀沉降,从而导致修建于其上的建筑物出现诸多工程问题。现阶段对于不同荷载作用下吹填场区形成的“上软下硬”双层软黏土地基的变形特性及机理研究甚少,导致理论研究远远落后于工程实践,制约了吹填场区经济建设的快速发展,因此对此类地基的变形特性展开研究显得尤为重要。基于此,本文针对吹填场区“上软下硬”的双层软黏土地基,开展了反复荷载和恒定荷载作用下的一维固结试验和扫描电镜试验(SEM),得到了不同荷载模式作用下的压缩特性及其微观机理,为吹填场区双层软黏土地基变形模型建立及长期工后沉降预测提供理论依据。研究表明:双层软黏土地基的压缩系数和固结系数在反复荷载作用初期明显减小,而后缓慢减小直至趋于稳定; 与反复荷载相比,恒定荷载作用下试样的压缩系数初期值增加,固结系数初期值减小,其变化量均在40% ~50%的范围内; 当荷载等级一定时,反复荷载作用引起双层软黏土地基产生的沉降量相比于恒定荷载作用多30% ~45%; 随着荷载等级的增加,土样内部大孔隙受到挤压而减少,孔隙的圆度和定向性加强,土体结构更密实,均一化程度提高; 相比于恒定荷载模式,反复荷载作用下土样内部孔隙形状更接近于圆形,孔隙定向性更好,土体内部结构强化程度大,但有序性相对较差。     

圆形浅基础承载力计算新模型及验证

通过假定地基发生整体剪切破坏,给出滑动破坏面,考虑地基土的塑性平衡区随着基础埋置深度的不同而扩展到最大可能的程度,并且计及基础两侧土的抗剪强度对承载力的影响,采用极限平衡法,理论上推导出了圆形浅基础承载力。结合工程实例．并利用有限元程序（ADINA）进行数值模拟,进一步验证了浅基础破坏模式的正确性,以及理论推导的可靠性。     

加荷条件下软黏土的孔隙演化特征

开展上海软黏土的宏微观三轴剪切试验,研究软黏土受荷状态下孔隙的演化特征。结果表明：局部变形在加荷初期就开始发生。随着荷载的增加,细碎团聚体增多,孔隙不断地扩展,生成大的贯通孔隙,孔隙定向排列明显,剪切带形成。微观结构参数与剪应力比呈非线性正相关关系,最大孔隙面积、孔隙比、孔隙各向异性率及分布分维数在受荷初期缓慢地增大,后期快速增大。应变为8%时,最大各向异性率达到0.68,最大孔隙比为1.96。剪切带附近的微观结构参数都大于带外值。在受荷过程中,土的微观结构发生劣化,软黏土变形过程分为损伤开始、损伤发展剪切带形成和土体破坏3阶段,微观结构的劣化与土的宏观力学特性紧密相联系。     

吹填场区双层软黏土地基超载比与卸载控制试验研究

对于围海造陆工程所开展的超载预压处理方法,地基处理效果通常采用后续变形大小来评价,其大小与超载比和卸载控制时间密切相关。针对天津滨海地区围海造陆工程所形成的典型的上软、下硬的双层软黏土地基,采用改装的固结仪进行了多种超载比和卸载控制时间的试验研究,提出了适宜的超载比和最佳超载作用时间。试验表明：双层软黏土地基超载比大于0.375,超载作用时间超过主固结时间时,超载卸除后地基变形以回弹变形为主,后续的工后沉降将明显减小,减小幅度可高达70%以上;超载卸除后的土体次固结系数明显减小,减小的幅度随超载比的增大、超载作用时间的增加而减小;不同于均质地基和上硬下软的双层地基,上软、下硬双层地基的工后沉降以上部软土层沉降为主,约占总沉降量的73%以上。根据不同超载比和超载作用时间下土体的变形时程曲线,建议适宜天津滨海地区围海造陆工程软黏土地基的超载比控制在0.5以下,超载作用时间控制在1～3倍的主固结时间内。     

软黏土强度非均质性对复合加载模式下桶形基础破坏包络面的作用分析

针对非均质软黏土地基上复合加载模式下桶形基础的破坏包络面,运用大型有限元分析软件ABAQUS进行了三维非线性数值分析。通过比较系统的数值计算与分析,考察了软黏土非均质性对复合加载模式下桶形基础破坏包络面形状的作用及影响。结果表明：软黏土地基的不排水抗剪强度对于力矩为0的平面内,其应力归一化的破坏包络面影响不大,而在水平荷载与竖向荷载为0的平面内,其应力归一化的破坏包络面具有一定影响。通过与有关模型试验的对比分析,在一定程度上验证了有限元计算模型与数值分析结果的合理性。     

天然椰壳纤维加固红黏土地基模型试验

由于造价低、抗震性能好、施工简便等优点,加筋法成为一种常见的地基加固方法,天然环保的加筋材料选取是地基加固方法面临的难题之一。采用天然椰壳纤维对红黏土地基进行加固,通过载荷试验研究椰壳纤维加筋深度对红黏土地基承载变形能力的影响,并分析了土压力沿深度的分布规律。结果表明:随着加筋深度的增加,承载比均有较为明显的增大,但随着沉降量与基础宽度的比值从0.1增加到0.6,承载比大体上表现为先减小后稳定的趋势,且加筋深度越大,减小的幅度也越大。加筋深度为2 cm时,不同深度处的土压力均明显小于所施加荷载。加筋深度为4 cm时,埋深5 cm处土压力/荷载稳定在约0.6,其他深度处的土压力/荷载在荷载/最大荷载达到0.3时趋于稳定。加筋深度为6 cm时,埋深5 cm处土压力与荷载基本接近,其他深度处的土压力/荷载基本稳定,但均明显小于施加的荷载。由于应力集中,靠近加筋范围或在加筋范围内的土压力与所施加的荷载大小接近,远离加筋范围的土压力明显减小,当土压力计埋置深度达到2倍基础宽度左右时,土压力/荷载基本不变,说明荷载主要影响范围约为基础宽度的2倍。研究成果为地基加固的材料选择和海南地区地基加固提供参考。      

基于空心圆柱仪试验的各向异性软黏土基坑抗隆起稳定分析

已有研究表明,天然黏土的强度表现出明显的各向异性,但其规律未能经过严格的试验验证。基于空心圆柱仪（HCA）的杭州原状软黏土试验结果,对 法进行修正,提出大主应力方向为任意方向剪切时土体的强度公式。假定基坑开挖引起的土体滑动破坏模式为Prandtl模式,利用上述强度公式,得到基坑抗隆起稳定的塑性上限解。结合算例,讨论了土体强度各向异性比、挡墙入土深度比、墙底下卧硬土层深度、挡墙粗糙度等因素对基坑坑底抗隆起稳定的影响。采用该方法分析杭州某失稳基坑实例,通过与已有方法的结果对比,验证了所提方法的合理性。研究表明,不考虑土体强度各向异性和基于 各向异性公式的抗隆起分析都将高估杭州软黏土基坑的抗隆起稳定性。     

软黏土中张紧式吸力锚循环承载力简化计算方法

张紧式吸力锚是一种重要的深水浮式平台基础。深水环境中,海底浅层沉积物多为饱和软黏土。软黏土中平均荷载与循环荷载共同作用下吸力锚的循环承载力对其设计至关重要。根据最佳系泊点受倾斜荷载作用下吸力锚的破坏模式,假设不同破坏区土体具有相同的平均剪应力,且平均剪应力与循环剪切强度比等于吸力锚所受静荷载与静荷载和循环荷载之和的比值。结合室内土性试验获得的饱和软黏土样不固结不排水归一化循环剪切强度随归一化平均剪应力的变化关系曲线,建立了破坏区土体不排水循环剪切强度的确定方法。对不同破坏区土体阻力进行分析,按照水平应力具有连续性这一特点,构建了上部滑动楔体破坏区与深部平面流动破坏区交界深度的计算方法,进而提出了计算吸力锚循环承载力的简化极限平衡方法。采用该方法对竖向和水平破坏模式吸力锚循环承载力模型试验结果进行了预测,预测与试验结果基本吻合,最小和最大偏差分别为0.79 %和16.08 %,平均偏差为5.74 %,可较好地反映吸力锚循环承载力随循环破坏次数增加而减小的变化关系,验证了该方法的可行性。     

Experimental Studies on Behaviour of Stone Columns in Layered Soils

Stone columns are found to be effective and economical ground improvement technique in soft grounds. Understanding its behaviour when they are installed in stratified soils, in particular when the upper layer consists of weak soil, will be of great practical significance. This paper presents results from a series of laboratory plate load tests carried out in unit cell tanks to investigate the behaviour of stone columns in layered soils, consisting of weak soft clay overlying a relatively stronger silty soil, for various thicknesses of the top layer. Tests were carried out with two types of loading (1) the entire area in the unit cell tank loaded, to estimate the stiffness of improved ground and (2) only the stone column loaded, to estimate the limiting axial capacity. Laboratory tests were carried out on a column of 90 mm diameter surrounded by layered soil, for an area ratio of 15%. It is found that the depth of top weak layer thickness has a significant influence on the stiffness, load bearing capacity and bulging behavior of stone columns.     

复合加载下软基上半圆堤结构稳定性分析

半圆堤是适用于软土地基的一种轻型重力式的新型防波堤结构,复合加载模式下软基上半圆堤的稳定性计算和结构破坏模式尚需建立合理的分析和计算方法。将加载模式与软基上大型海岸结构稳定性分析的有限元模拟方法相结合,同时考虑半圆堤在不同荷载组合时可能发生沿底板或抛石基床底部的滑动破坏及地基竖向承载力破坏,建立了复合加载模式下软基上半圆堤的稳定性分析方法,得出了结构的稳定性破坏模式和破坏包络线（面）,并分析了箱内填砂量、抛石基床宽度及地基加固深度对半圆堤稳定性的影响。计算结果表明：半圆堤结构在复合荷载作用的破坏包络线（面）均由一定区域的结构滑移破坏面和地基承载力破坏线（面）组成,并将整个荷载组合区分成4个区域：稳定区、只发生滑移破坏区、只发生地基承载力破坏区和同时发生滑移和地基承载力破坏区;荷载与位移组合加载模式得到的地基承载力破坏包络线位于Swipe加载方式得到的破坏包络线之外,但对每种加载方式得到的地基承载力破坏包络线变化趋势基本一致;随着箱内填砂高度的增加沿沉箱底部和抛石基床底部的抗滑安全系数均增加,但地基承载力安全系数减小;随着抛石基床宽度或地基加固深度的增加,地基承载力安全系数明显增大。     

软弱夹层的极限荷载分析

岩土体中的软弱夹层是一种广泛存在的地质体,由于其力学性质较差,容易给工程建设带来安全隐患,对其稳定性的研究逐步引起重视。根据塑性极限平衡分析方法,针对软弱夹层的承载稳定问题,将软弱夹层上下土层当作准刚性层,基于修正Prandtl挤压理论解答对软弱夹层的极限荷载进行了计算。分析过程中认为,准刚性层间的软弱夹层在极限状态下发生塑性挤出破坏,考虑到Prandtl挤压理论的剪应力解答在x方向上的不足,结合不同的边界应力条件,对软弱夹层中的应力分量和夹层表面的极限荷载进行了重新求解。推导的极限荷载实用计算式能综合考虑软弱夹层面的摩擦条件、土层自重及夹层周围的受力状态等因素,并与其他理论计算式的结果进行了对比分析。计算结果分析表明,不考虑土重时,该方法计算的夹层极限荷载随厚度变化规律与Prandtl方法基本一致;考虑土重影响时,该方法计算结果与规范法相似,但在夹层较厚时能更明确地反映宽度对极限荷载的影响。此外,夹层上下边界的摩擦条件对极限荷载的影响程度随夹层宽厚比的不同而变化,对于一定厚度的夹层存在几乎不受摩擦条件影响的临界宽度。其研究结果可为软弱夹层的承载稳定分析提供参考。     

双层地基中气体聚集与土体变形机制的试验研究

采用层状硅酸镁锂（magnesium lithium phyllosilicate,简称MLPS）透明土构建了上硬下软的双层地基模型,通过针孔注气来模拟沉积层中产生的气源,基于图像识别技术开展了地层气体聚集过程中气囊形态变化以及上层土体隆起变形的试验研究。结果表明：（1）气体在聚集过程中呈现出不同的气囊形态,上层土体的强度和高度决定了气囊突破的时间以及突破时的形态。（2）气囊形态、体积和压力的变化大致可分为两个阶段,第一阶段气囊体积、宽度基本呈线性增大,而气囊高度则由于底部收缩而逐渐减小,气压缓慢增大;第二阶段气囊宽度增加放慢,气囊体积膨胀速度加快,而气囊高度开始显著增加,气囊气压由最高点迅速降低。上层土体隆起的高度和宽度在第二阶段才开始明显增大。（3）气囊突破前的宽度、体积以及上层土体隆起宽度和高度与上层透明土的屈服强度、高度具有良好的拟合关系。（4）薄板理论可较合理地解释气体聚集引起的上层土体变形的机制,而中厚板理论则并不适用。     

外加剂对桂林含有机质水泥红黏土力学性质影响的试验研究

红黏土是碳酸盐岩在湿热环境下经过风化作用形成的一种特殊性土,孔隙大、含水量高,而其结构性强且存在上硬下软的成层分布特征,上部为坚硬、硬塑状态,下部为软塑、流塑状态。水泥搅拌法因其有加固效果好、造价低、工期短、污染小等特点被广泛应用在处理软弱红黏土。近年来环境和工程地质条件不断恶化,造成大面积红黏土被有机质污染,严重影响地基的强度,但是研究表明合理使用外加剂可以改善被有机质污染红黏土的物理力学性质。本文从外加剂掺量和类型对抗剪强度、压缩系数、无侧限抗压强度等方面进行室内试验研究,得出外掺剂种类和掺量与它们之间的关系。结果表明:其间的相关性较好。