降雨对非饱和残积土中基坑受力变形影响的机理研究

花岗岩残积土在非饱和状态下的工程性质良好,但其极易受到降雨影响。厦门石鼓山西通道项目的实测数据表明,降雨入渗引起残积土中基坑围护桩变形显著增加。本文采用PLAXIS有限元软件建立数值模型,通过瞬态渗流分析,探究降雨入渗加剧非饱和残积土中基坑变形的机理。结果表明,降雨入渗会显著加剧非饱和残积土中基坑变形,降低基坑的稳定性,其原因是降雨入渗使基坑内外土体饱和度增加,基质吸力降低,进而导致土体抗剪强度减小,同时导致主动土压力增大。相比于低渗透性土,饱和渗透系数较高的残积土层中基坑持力层土体强度更易受到降雨的影响。墙后土体应力路径表明,降雨过程土体所受剪力基本保持不变,基坑变形增加较小,降雨后的清淤开挖使桩后土体达到临界抗剪强度,导致基坑变形急剧增加。     

基于Green-Ampt模型的饱和-非饱和黄土入渗改进模型及其参数研究

黄土中水分入渗理论分析对预测土体附加变形及强度弱化十分重要,但现有针对均质地基的Green-Ampt入渗分析模型运用于黄土区还有较多不足。基于黄土入渗饱和-非饱和分层假定,考虑入渗过程中土体实际渗透系数随深度的变化,对Green-Ampt模型进行修正,并用实例进行了验证;通过测量累积入渗量和含水率的时变规律,并结合Philip模型与Green-Ampt模型的相关关系及实际渗透系数随时间的变化关系获取模型参数。结果表明,相比于WGAM和Kostiakov模型,修正模型在黄土区的应用效果更好。在修正模型基础上,分析了饱和渗透系数、饱和含水率、初始含水率以及基质吸力对水分入渗深度的影响规律,并对参数的敏感指数进行了分析与对比。发现土体初始和饱和含水率变化对模型计算结果产生较大影响。该模型的建立对黄土地区水分入渗规律相关研究有一定的积极作用。     

黏弹性地基中基坑开挖对邻近桩基变形影响的时域解

目前就软土基坑开挖卸荷对邻近桩基变形影响的研究一般是基于瞬时开挖工况,很少考虑时间效应对桩-土相互作用的影响,但实际工程中软土在开挖情况下具有较为明显的流变效应。从地基黏弹性角度出发,采用两阶段法研究了黏弹性地基中基坑开挖与邻近桩基相互作用的时域问题。第1阶段基于Boltzmann黏弹性模型推导出Mindlin时域解,用于分析黏弹性地基中基坑开挖引起的邻近桩基处的土体附加应力;第2阶段采用Pasternak地基模型分析桩基与黏弹性土体之间的相互作用,并求得考虑流变效应的桩基水平变形的简化时域解。最后,采用大型有限差分软件对相关工况进行数值模拟,并将数值模拟结果与简化时域解进行对比分析,得到了较好的一致性。此外,也针对Boltzmann黏弹性模型参数(体积模量、剪切模量、黏性系数)、桩径、基坑开挖深度、桩与基坑间距和基坑开挖尺寸进行了影响因素分析。分析结果表明,所得出的简化时域解能较好地反映基坑开挖对邻近桩基水平变形的影响,以及桩基变形随时间的发展趋势,可为相关实际工程提供一定理论依据。     

深厚淤泥质土中基坑开挖对基桩影响的离心模型试验研究

为研究深厚淤泥质软土地基中开挖基坑时桩土间的作用机制,以江苏省长江沿岸某电厂锅炉房基坑开挖为背景,按1:50的相似比设计了室内离心模型试验,从桩身应变、桩身位移、桩顶位移、地表沉降和土体变形影响范围、桩身弯矩和孔隙水压力等方面,分析了基坑开挖对坑内已有基桩和周围土体的影响,并与现场基坑开挖出现的问题进行了对比分析。结果表明:对上部为淤泥质土,下伏较好土层的地基,当淤泥质土的抗剪强度相对较高时,开挖时基桩受力较大,容易出现断桩事故;开挖过程中基桩应变出现两处极值,深度分别在开挖深度附近和淤泥质土与下伏土层交界面附近;由于基桩的存在,靠近开挖面一侧的土体孔隙水压力变化平稳,而桩后土体孔隙水压力随着开挖的进行变化剧烈;基坑开挖后桩土之间的相互作用主要发生在开挖后的48h内,之后趋于稳定。试验结果与现场实测数据基本吻合,为深厚软土内基坑设计和施工过程提供了可借鉴依据。     

深厚淤泥质土中基坑开挖对基桩影响的离心模型试验研究

为研究深厚淤泥质软土地基中开挖基坑时桩土间的作用机制,以江苏省长江沿岸某电厂锅炉房基坑开挖为背景,按1:50的相似比设计了室内离心模型试验,从桩身应变、桩身位移、桩顶位移、地表沉降、土体变形影响范围、桩身弯矩和孔隙水压力等方面,分析了基坑开挖对坑内已有基桩和周围土体的影响,并与现场基坑开挖出现的问题进行了对比分析。结果表明:对上部为淤泥质土,下伏较好土层的地基,当淤泥质土的抗剪强度相对较高时,开挖时基桩受力较大,容易出现断桩事故;开挖过程中基桩应变出现两处极值,深度分别在开挖深度附近和淤泥质土与下伏土层交界面附近;由于基桩的存在,靠近开挖面一侧的土体孔隙水压力变化平稳,而桩后土体孔隙水压力随着开挖的进行变化剧烈;基坑开挖后桩土之间的相互作用主要发生在开挖后48h内,之后趋于稳定。试验结果与现场实测数据基本吻合,为深厚软土内基坑设计和施工过程提供了可借鉴的依据。     

三峡库区黄土坡滑坡降雨入渗模型研究

传统的入渗模型未考虑坡角和降雨强度对滑坡入渗过程的影响,为了更好地描述黄土坡滑坡降雨入渗过程,在Green- Ampt入渗模型的基础上推导了考虑坡体倾角和小降雨强度影响的降雨入渗模型。为了获取改进的入渗模型参数,在黄土坡滑坡1#崩滑体上进行了双环渗透试验与降雨、土的含水率和基质吸力现场监测。结果表明,黄土坡滑坡1#崩滑体饱和渗透系数为4.81×10-5 m/s;降雨时体积含水率增加,降雨停止后体积含水率降低,深部表现出一定的滞后特性;基质吸力变化趋势与体积含水率相反,降雨使其减小,降雨停止后逐渐增大。通过双环渗透试验与现场监测,获取了黄土坡滑坡降雨入渗模型参数值。将入渗模型计算值与现场监测数据进行对比,该模型计算值与现场监测数据吻合,说明该降雨入渗模型可用于黄土坡滑坡降雨入渗分析。     

确定渗析平衡时间的数值模拟方法

渗析法是一种测量非饱和土基质吸力的重要方法,而测量结果是否准确,控制渗析的时间非常重要。基于有限元数值分析软件SEEP/W,建立渗析法的数值模型,分析渗析的试验过程,研究溶液吸力、土样水力参数、初始重力含水率、初始干密度以及土样大小等因素对吸湿条件下非饱和黏土渗析平衡时间的影响。结果表明,随着渗析时间的增加,土样与溶液之间的吸力差逐渐变小,渗析过程变慢;试验用土样不宜过大,对于较小土样,多数条件下土样的渗析平衡时间约为1.5~8.0 d;当溶液吸力较大或土体饱和渗透系数较小时,渗析平衡时间大大增加;渗析平衡时间随土-水特征参数a、n、饱和渗透系数、初始含水率及干密度的增大而减小,随饱和体积含水率的增加而增加。     

强降雨条件下框架预应力锚杆柔性支护结构整体稳定性影响参数分析

为完善框架预应力锚杆柔性支护结构稳定性研究,针对该结构的稳定性分析和设计均未考虑降雨入渗影响的现状,基于GeoStudio软件,分析了黄土地区强降雨条件下的框架预应力锚杆柔性支护结构的整体稳定性影响参数,在分析中考虑了土体含水率变化对摩擦型灌浆锚杆极限抗拔承载力的影响。分析结果表明:降雨持时、降雨强度和地下水位对框架预应力锚杆柔性支护结构的整体稳定性有明显的影响; 土体饱和渗透系数的影响十分显著; 渗透各向异性的影响可以忽略; 降雨条件下框架预应力锚杆柔性支护结构的安全系数变化存在滞后效应:随着降雨持时和土体饱和渗透系数增大,滞后效应逐渐减弱; 降雨强度越大、初始地下水位越高,滞后效应越明显。本文的研究成果能为非饱和黄土地区框架预应力锚杆柔性支护结构考虑降雨影响的设计和施工提供指导。     

降雨型浅层土质滑坡非饱和土-水作用特征试验研究

非饱和土在不同含水率条件下的基质吸力及其抗剪强度对降雨型浅层土质滑坡的防治具有重要意义。以武陵山区湘西北慈利县陈溪峪滑坡为例,选取了滑坡不同位置的多组粉质黏土原状样,首先利用现场双环渗透试验测定其饱和渗透系数,通过室内土-水特征试验获取其水-力相互作用参数,并利用VG模型和Mualem模型分别得到试样的土-水特征(SWCC)曲线和渗透系数函数(HCF)曲线;进而开展非饱和土直剪试验,研究不同含水率条件下滑体粉质黏土的抗剪强度变化规律。试验结果表明:不同水力路径下,粉质黏土土-水特征曲线和渗透系数函数曲线具有明显滞后效应,干密度越小则滞后效应越明显,基质吸力对体积含水率的敏感性就越小;粉质黏土由饱和状态到非饱和状态,基质吸力增大提高了黏聚力,导致土体抗剪强度不断增大。研究结论可为降雨型浅层土质滑坡的防治提供科学依据。     

三峡库区黄土坡滑坡非饱和水力参数研究

非饱和水力参数在计算滑坡降雨入渗过程与稳定性时是至关重要的材料参数。在三峡库区黄土坡滑坡上进行双环渗透试验,获取黄土坡滑坡表土层的饱和渗透系数。对黄土坡滑坡表土层的含水率和基质吸力进行实时监测,采集了黄土坡滑坡表土层中含水率和基质吸力随时间的变化数据,采用van Genuchten土-水特征曲线模型拟合了4个实时监测剖面的土-水特征曲线及其拟合参数。将饱和渗透系数与土-水特征曲线拟合参数代入van Genuchten渗透系数函数模型,求出了黄土坡滑坡表土层在非饱和条件下的渗透系数函数,为黄土坡滑坡在降雨作用下的稳定性计算提供了可靠的水力参数     

非饱和土中端承桩水平振动特性研究

针对非饱和土中桩的水平稳态振动问题,采用三相多孔介质波动方程,考虑固、液、气三相材料间的惯性和黏性耦合效应以及基质吸力的影响,通过Helmholtz矢量分解及分离变量法解耦波动方程,并将基桩等效为能描述其剪切变形和转动惯性效应的铁摩辛柯（Timoshenko）梁模型,采用Novak三维连续介质模型对非饱和土中端承桩的稳态水平振动进行了理论推导,获得了桩顶水平频域响应解析解,讨论了饱和度对土层和桩顶阻抗的影响以及桩身位移、内力沿深度的分布规律。结果表明,随着土体饱和度的升高,土层复阻抗和桩顶动力阻抗增大,桩身位移和内力则相应地减小;饱和度,包括渗透系数在内的影响仅在土体接近准饱和时才得以发挥;频率较低时,短桩拥有较大的刚度因子。桩长越长,阻抗因子越大,而共振频率越低。当长径比超过10时,桩顶阻抗不再随长径比的增加而改变。     

开挖卸荷对既有群桩竖向承载性状的影响分析

既有建筑下增层开挖对已有桩基础的影响不同于基坑开挖对坑内桩基的影响。基于工程实例验证的有限元参数,用硬化土弹塑性模型模拟土体,用接触面单元模拟桩土相互作用,建立了桩筏基础-地基-增层开挖三维有限元模型,对增层开挖后群桩基础的竖向承载性状进行研究。分析了桩顶刚度、桩身轴力、桩侧摩阻力、桩端阻比以及土体回弹的变化规律,并研究了不同桩端土体刚度和增层开挖深度对这些参数的影响。结果表明,增层开挖后群桩中不同基桩表现出不同的承载性状,增大桩端土体刚度可明显提高单桩承载力和端阻比临界值;随着增层开挖深度的增加,侧阻和端阻的发挥程度也随之提高。研究结果有望为地下室增层开挖施工中的结构托换变形控制和补桩设计提供依据。     

非饱和黄土地基降雨入渗离心模型试验及多物理量联合监测

对非饱和土降雨入渗过程及其致灾机制的深入认识有赖于室内外试验及多物理量联合监测。基于离心机超重力环境下土体响应监测技术,开展了非饱和黄土地基降雨入渗离心模型试验,测试研究了超重力环境对新研制的微型TDR探针及张力计测量的影响规律,并利用TDR、张力计及弯曲元对降雨入渗过程中土体响应进行多物理量联合监测。研究结果表明:在不同离心加速度下微型TDR探针与给定含水率土体实测原始波形重合,说明超重力环境对TDR测试没有影响,含水率的测试误差在2%以内。在离心机加速过程中,张力计所测吸力下降约2.0~2.9 kPa,当离心加速度稳定在40g时,所测吸力在10min内上升并接近常重力下土体初始吸力。在降雨入渗过程中,埋设在同一深度的TDR探针、张力计和弯曲元对湿润锋响应的时间点基本一致,降雨入渗导致土体含水率增加,基质吸力降低,剪切波速降低。这些多物理量监测数据有助于建立非饱和土含水率-吸力-剪切模量之间的关系。     

考虑竖向附加应力作用的一维垂直土柱仪研制与应用

渗透系数是研究实际工程渗水问题的关键参数之一。以往对于非饱和土渗透系数的试验研究中,增湿工况较为单一,极少考虑竖向附加应力的影响。基于此,开发了一套一维垂直土柱试验装置以弥补这一缺陷。该装置主要由试验台架、土柱筒、竖向加载装置、供水装置、水分传感器、张力传感器以及数据采集系统等组成,可模拟竖向附加应力作用下降雨、积水入渗、毛细上升工况,可测定增湿过程中水的入渗量与浸润峰时程线、土柱竖向变形以及不同截面的体积含水率与基质吸力的时程曲线,基于瞬态剖面法可获得不同截面处增湿时土的非饱和渗透系数与吸力关系。最后,以兰州Q3非饱和粉质黄土为例,初步开展了不同竖向附加应力作用下土柱积水入渗试验,分析入渗量、湿润锋、体积含水率、吸力及竖向变形时程线变化规律,获取渗透系数与吸力关系的渗透函数变化规律,通过对比类似试验结果,表明试验结果符合渗水规律,验证了研制土柱仪的有效性,但其可靠性还需进一步研究。本试验装置为不同工况下非饱和土体变形、水分迁移规律及渗透特性研究奠定基础,并获得相应试验参数。     

降雨条件下土坡饱和-非饱和渗流及稳定性分析

基于非饱和土力学理论,利用有限元法对降雨条件下边坡的饱和-非饱和渗流及稳定性进行了探讨。数值分析表明,雨水入渗使边坡非饱和区土体的基质吸力减小,是导致边坡稳定性降低的主要因素。进而考察了基质吸力的不同取值及裂隙的不同位置对边坡稳定性的影响,结果表明：在降雨初期基质吸力取值越大,得到的边坡安全系数越高,但经过长时间降雨即边坡土体基本达到饱和后,基质吸力的取值不同对边坡安全系数基本上没有影响;裂隙的存在为雨水入渗提供了良好的通道,因而导致边坡稳定性相对于无裂隙状态来说有所降低。降雨初期下游裂隙使边坡稳定性降低较快,但随着降雨历时的增加,即下游土体逐渐变为饱和状态后,边坡的稳定性变化则主要由上游裂隙控制。     

降雨条件下考虑饱和渗透系数变异性的边坡可靠度分析

土体饱和渗透系数表现为天然的变异性,为此基于Green-Ampt模型建立了考虑饱和渗透系数变异性的降雨入渗物理模型,并藉此模型确定了坡体湿润锋深度和含水率分布。然后结合无限长非饱和土边坡稳定模型得到解析形式的反映边坡稳定性的极限状态函数。采用Monte Carlo法对饱和渗透系数进行随机抽样并最终建立降雨条件下考虑饱和渗透系数变异性的边坡概率分析框架。针对一假想边坡,探讨了饱和渗透系数的变异系数、降雨持时和降雨强度对边坡破坏概率以及破坏发生时间概率分布的影响,结果表明：在降雨初期,边坡的破坏概率随饱和渗透系数变异性的增强而逐渐增加,但随着降雨的持续,破坏概率开始随变异性的增强而显著降低;滑坡最可能发生时间的大小并不受饱和渗透系数变异性的影响,而是直接取决于降雨强度;滑坡最可能发生时间所对应的概率却随变异性的增强而逐渐减小。     

非饱和黄土基质吸力的滤纸法测试

黄土属于非饱和土,具有明显的大孔隙、垂直节理发育、湿陷性等特征,使得黄土地区工程地质灾害问题频发。由于黄土具有水敏性,因此水的因素成为诱发地质灾害的主要因素。基质吸力的变化是土体边坡稳定的重要因素。利用滤纸法对非饱和黄土的基质吸力进行试验研究,得出随着含水率的增加基质吸力逐渐减小;在土体含水率较小时基质吸力的变化比较敏感,含水率越高,其变化越小;在含水率达到饱和时基质吸力消失为零;并且随含水率的增加土体的抗剪强度逐渐减小。研究认为,滤纸法对操作过程中空气条件要求相对严格,是一种能够快速、简便测试非饱和土体基质吸力的方法。      

基坑开挖对单桩及群桩回弹位移的影响分析

基坑开挖后坑底土体回弹,将会带动坑内基桩回弹,并在桩侧产生侧摩阻力。为了分析基坑开挖条件下单桩及群桩的受力变形特性,采用三维有限元方法对单桩及群桩在基坑开挖条件下的回弹位移进行了分析。分析结果表明,基桩在基坑开挖条件下的回弹位移分为桩侧土体回弹而引起的基桩回弹和下卧层回弹导致的基桩回弹两部分。由于群桩外侧桩的遮帘效应,中心桩的回弹位移小于外侧桩,中心桩桩侧摩阻力的发挥量也小于外侧桩。随下卧层相对刚度E_b/E_c变大,5×5群桩回弹位移相对减小量W_r变大,且W_r的变化与桩位置有关。3种不同构形群桩的对比分析结果表明:群桩桩数越多,遮帘效应越明显;W_r受桩数的影响大于受桩间距的影响。     

基坑全过程开挖及邻近地铁隧道变形实测分析

根据邻近已运营地铁隧道的基坑工程监测数据,对基坑开挖全阶段施工过程的深层土体侧向位移与邻近地铁隧道变形之间的规律展开研究,探讨基坑开挖的施工危险节点与重点影响区域。研究发现,基坑开挖前期围护结构施工和降水均对地层和邻近地铁产生了不容忽视的初始位移影响,围护结构长时间无支撑暴露是基坑侧移快速增长的危险时段;基坑开挖具有空间效应,中部侧向变形要大于边角,且单向开挖易造成后挖区土体的位移场和应力场叠加,引起邻近隧道的最大变形向后挖区偏移;基坑开挖深度与邻近地铁埋深相近时,隧道结构产生显著的水平位移和“横鸭蛋”式收敛变形,竖向位移波动不大;深层土体侧移曲线表现为“阶梯鼓肚形”,土体最大水平位移与隧道变形在小范围内呈线性关系,但随着侧移量的增大,隧道变形发生偏离拟合曲线的超线性增长,在工程中应值得关注。     

滑坡对降雨响应的多指标监测及综合预警探析:以赣南罗坳滑坡为例

降雨量和位移是当前降雨型滑坡监测预警最常用的指标。然而,降雨量和位移监测结果只能反映降雨作用下滑坡的变形情况,不能揭示滑坡内在物理力学性状对降雨的响应。因此,除降雨量和位移监测之外,建立包括体积含水率、基质吸力等反映滑坡动态演化过程的关键指标监测体系必将成为今后更真实地把握滑坡内在演化趋势、更准确地建立滑坡综合预警判据的最有效手段。笔者对赣南地区典型降雨型滑坡进行了多指标监测及综合预警示范研究。结果表明:(1)在降雨条件下滑坡土体内部体积含水率、基质吸力和温度等多指标均产生有规律的动态响应;(2)随着降雨的持续,滑体体积含水率与基质吸力的变化均具有显著的滞后现象;(3)体积含水率和基质吸力变化速率与滑体位移具有显著的正相关性;(4)滑体温度分布变化规律受大气温度和体积含水率的共同影响。以实测数据的滑坡稳定性分析为基准,在考虑实际降雨入渗深度与滑坡稳定性的关联度上,建立了包括日降雨量、体积含水率增加速率、基质吸力减小速率以及位移速度多元指标预警方法体系,提出了基于关键指标综合预警体系及确定方法,旨在为降雨滑坡准确预警提供新模式。