西安地铁四号线南段大厚度湿陷性黄土浸水试验研究

结合西安地铁工程国家重点建设项目,在西安地铁四号线南段塬区进行了试坑浸水试验,揭示出该区域大厚度自重湿陷性黄土具有独特特点,室内试验上部Q3黄土不具自重湿陷性,而下部Q2黄土自重湿陷性较为强烈,现场试坑浸水试验结果各沉降标点均未发生明显沉降变形,反而略有抬升;根据TDR土壤水分计监测结果发现古土壤层具有明显的隔水作用,水分入渗至该层有径向扩大的趋势,浸水影响范围是以试坑直径为圆台顶面,浸水影响范围形状类似一个倒置的漏斗;当水体自上而下入渗时,垂直向渗透较快,但随深度及土层性质的变化,渗透速率随即减缓;土体中由于基质吸力存在,开始孔隙水压力为负值,随着注水量增加孔隙水压力也随之变化,孔隙水压力变化与坑内水头变化一致。     

浅薄层湿陷性黄土场地单桩承载特性试验

为了分析浅薄层湿陷性黄土场地荷载对桩基的影响规律,设计了单桩未浸水和浸水加载试验。结果表明:浸水后黄土湿陷对桩体产生了负摩阻力,在桩顶荷载条件下使桩体沉降,桩身轴力及桩侧摩阻力均发生了显著变化。较未浸水工况,浸水后的桩体沉降量明显增大,当接近设计极限荷载时,桩体的沉降量发生突变,残余沉降量增大。浸水后桩体的轴力最大值位置由桩顶转换至桩顶下湿陷性黄土层,且轴力的峰值大于桩顶的荷载,桩体中上部位置轴力普遍增大,轴力最大值位置与中性点位置相对应,浸水后桩侧摩阻力体现出双峰特征。由此可见,湿陷性黄土场地浸水后的荷载对桩体的变形和受力均有较大影响,应在桩体的设计中综合考虑安全和经济因素来对荷载进行取值。      

现场试坑浸水试验在湿陷性黄土地区地铁工程中的应用

大厚度湿陷性黄土地基处理是黄土地区地铁建设中所面临的主要技术难题,采用传统的室内试验评价湿陷性的方法具有一定的局限性。本文采用数值模拟方法分析了地铁工程基底湿陷性黄土应力特征,在此基础上,通过现场试坑浸水试验,准确判定了黄土场地湿陷类型及自重湿陷下限深度,研究了大厚度湿陷性黄土场地浸水过程中的自重湿陷变形特征、水分场的时空运移、土压力(竖向及侧向)、侧向位移的变化规律,查明了浸水影响范围及地面裂缝影响范围,确定了自重湿陷的地区土质修正系数β0,为湿陷性黄土地区地铁工程的地基处理提供依据。     

伊犁深厚湿陷性黄土浸水入渗及沉降变形特征分析

新疆伊犁黄土原位试验实测资料非常缺乏,为了研究其浸水入渗规律和自重沉降特征,开展了原状土和重塑土的现场浸水试验研究,并对表面沉降和水分进行观测。研究表明:浸水过程中,任一点的饱和度存在明显的暂态饱和区,封闭压缩气体上收缩膜承受的孔隙气压力、孔隙水压力和进气值的短暂力学平衡是其存在的主要原因;原状土因黄土结构性和地层结构性,其沉降特征具有明显的阶段性,其可用分段函数进行描述,重塑土因结构性破坏,其变形阶段性不明显;浸水21 d,湿润锋面到达8.8 m,重塑土(S4)的沉降量为120 cm,原状土(S5)的沉降量为78 cm,前者比后者大35%;鉴于软弱土层存在应力集中,湿润锋面以上相邻饱和土变形尚未稳定时,其下非饱和土不发生增湿变形,因此,原状土沉降变形为湿润锋面以上饱和土尚未变形稳定的沉降量,小于自重湿陷量的计算值85 cm。研究结果对伊犁黄土浸水变形机制和增湿变形计算奠定了基础。     

黄土单位沉降量及湿陷量简易估算方法

黄土在我国西北分布很广。黄土的状态具有两大特点:一是孔隙度高,一是含水量低。第一个特点决定着黄土的压缩性大。第二个特点决定着黄土浸水时具有湿陷性。在建筑工程中常常采用黄土做地基。在黄土中建筑建筑物时,决定建筑物稳定性的重要条件之一是黄土的沉降性及湿陷性。研究和预测在黄土上的建筑物可能发生的沉降性及湿陷性,一般是采取原状土通过渗压试验的方法来进行。这种做法往往受到设备及时间上的限制。     

砂井载荷浸水试验在深层黄土湿陷性评价中的应用

针对深层湿陷性黄土自重湿陷量室内试验结果不准确、测试黄土地基湿陷量的原位试验方法少等不足,基于已有的砂井浸水试验,提出了新的现场试验方法—砂井载荷浸水试验方法。其核心是井底地层在试验压力作用下沉降稳定后,利用井中砂砾石的强透水性,将水直接导入井底湿陷性黄土地层及砂井周围土体,使其快速浸水饱和,以此来测定砂井井底地层的湿陷量和砂井周围黄土的自重湿陷量。通过2组砂井载荷浸水试验,测试了不同压力和浸水条件下不同深度地层的湿陷变形,对比分析了砂井载荷浸水试验和临近场地大型试坑浸水试验,结果表明砂井载荷浸水试验的判定结果与试坑浸水试验一致,说明砂井载荷浸水试验是可行的。砂井载荷浸水试验具有周期短、费用低、场地条件要求低、用水量小等优点,适用于深层黄土湿陷性的研究,对黄土地区（尤其是深层黄土）工程的湿陷性评价有一定的参考意义。     

深厚黄土地基浸水湿陷变形及竖向土压力作用分析

黄土地基浸水后的湿陷变形对黄土地区的工程建设具有重大影响,但以往研究对深厚黄土地基土浸水过程的湿陷特性及其土压力变化规律研究不够充分。以中兰铁路兰州新区南站某场地为例,开展现场浸水试验,对深厚湿陷性黄土场地的地表位移及地基深层湿陷变形进行监测,同时埋设土压力盒,对浸水湿陷过程中地基土的竖向土压力的变化规律进行分析。研究...     

非饱和原状黄土弹塑性损伤流固耦合模型及其初步应用

非饱和原状黄土具有显著的结构性,结构性对其力学变形特征有着较大影响,但鲜有报道将结构性引入到非饱和黄土地基湿陷变形的多场耦合响应分析中,该领域亟待进一步深入。以已建立非饱和原状黄土弹塑性损伤本构模型为基础,将其纳入到非饱和土流固理论中,结合非饱和原状黄土水气运移规律,建立考虑结构性的非饱和原状黄土弹塑性损伤流固耦合模型。对新建流固耦合模型的控制方程在时间域和空间域上进行离散,得到单元模量矩阵各元素的具体表达式,并编写多场耦合分析有限元程序ULEDSC。利用新编程序对黄土地区的大型现场浸水试验(以兰州和平自重湿陷性黄土场地的浸水试验为例)进行数值计算,得到浸水和停水阶段的孔压场、位移场以及损伤场等关键变化特征,以初步揭示湿陷性黄土地基浸水沉降变形过程中的多场耦合响应机制。研究成果可为黄土地区的工程实践提供一定参考,新编程序也能为初步解决黄土地基的湿陷性问题提供可能。     

黄土地场自重湿陷量实测值与计算值差异的原因分析

在兰州和平镇做了一大型现场浸水试验,测定了场地自重湿陷量,并利用实验数据计算了其湿陷量。现场浸水试验时,必须考虑浸水时间和入渗深度的影响,当湿润峰未到达湿陷性土层底面时,则存在很大一部分剩余湿陷量,由此低估了实际湿陷量。该现场浸水试验湿陷土层深度24m,浸水61天,湿润峰深度达到12m左右。按平均下渗速率估算,达到湿陷土层底面,需要120天以上。在湿陷性土层完全浸水的情况下,兰州地区大厚度湿陷性黄土的实测值远大于计算值,二者的比值为2.0左右,大于规范给出的修正系数1.5。综上所述,在现场试验时,除确定试验场地地貌单元、湿陷土层厚度外,必须给定合理的浸水时间,以便使湿陷性土层充分湿陷,或浸水后,及时测定湿润峰深度,计算实际湿陷土层的湿陷量,以便得出更合理的修正系数。     

董志塬大厚度自重湿陷性黄土场地浸水试验研究

为探明庆阳董志塬地区大厚度自重湿陷性黄土场地的各项湿陷性评价指标,推动场地湿陷性评价体系的发展,在这一地区的代表性场地开展了原位大型浸水试验。采用直径20 m的圆形试坑,利用辐射状布置的机械式沉降观测标对浸水过程中地表和地下各深度土层的沉降进行了观测,利用全站仪对浸水试验前后整个场地的地面变形进行了测量。试验共历时177d,其中试坑注水过程93d,共注水44 119 m~3,浸水引起了试坑内外黄土不同程度的自重湿陷。基于监测数据分析并解释了距试坑中心不同距离处地表湿陷量的发展规律与差异,通过地面沉降等值线得出浸水影响半径为31 m,通过计算各土层原位实测自重湿陷系数获得该场地自重湿陷下限深度为13 m,远小于通过室内试验获得的17 m下限深度,用面积权重法计算得该场地的修正系数β0为1.02,小于规范推荐值1.2。给出了详细的试验设计方案,并在分析讨论的基础上提出了数据处理方式和结果呈现方法,对指导该地区未来的黄土地基勘察设计具有直接的应用价值。     

库水上升条件下不同土体类型岸坡渗流场特征

库水位与岸坡体内地下水渗流场的动态变化密切相关。传统的饱和土渗流分析方法无法准确描述水位上升过程中岸坡内渗流场的规律。从饱和-非饱和非稳定渗流理论出发,在室内实验得到基质吸力和体积含水量关系的基础上,通过对实验数据拟合,得出Van Genuchten模型中土水特征参数。以三峡库区典型岸坡为例,模拟库水匀速上升时,坡体为粉质黏土、粉土、砂土和砾石土4种岩土介质类型下的渗流特征,并监测坡面高程为165 m和155 m竖直剖面上的孔隙水压力变化。结果表明:库水位匀速上升过程中岸坡体内浸润线呈"V "字型,并且各时步" V"字型浸润线的拐点连线随渗透性的增大有逐渐与坡面平行的趋势;揭示了4种土体类型孔隙水压力随时间的变化规律。研究成果可为水库岸坡的防治提供较重要的借鉴与参考。      

基于EPS板减载的不同矢跨比高填黄土明洞土压力及影响因素离散元分析

利用离散元计算软件PFC2D模拟EPS板减载措施下不同矢跨比(0.4~0.9)拱形明洞的土压力变化状况,从微观角度对减载明洞上方垂直土压力、竖向位移、侧面水平土压力及颗粒间接触进行深入分析,明确内部土体的土压力变化规律。同时,对最佳矢跨比下的不同槽宽比和边坡坡角进行参数敏感性分析。结果表明:EPS减载下,明洞顶出现“土拱效应”,明洞顶垂直土压力沿水平方向呈“U”形变化,竖向位移呈“V”形减小,明洞侧面水平土压力沿竖向呈斜“S”形变化;在最佳矢跨比0.8下,颗粒间接触呈现接触力最小、配位数最小、孔隙率最大的良好状态。当槽宽比越大时,平均垂直土压力越大,竖向位移差和平均水平土压力越小,颗粒间接触状况越差;当边坡坡角越大时,平均垂直土压力越小,竖向位移差和平均水平土压力越大,颗粒间接触状况越好。研究成果可为沟谷地区高填减载明洞结构选型和施工提供参考。     

软土地区盾构掘进速度对地层扰动现场试验研究

针对上海软土地区盾构隧道工程,在盾构穿越监测断面全过程调整掘进速度,观察监测断面的水、土压力以及地层稳定性变化。根据实测并结合土体固结比、承压水等地层土性影响,运用土体扰动机制综合评定掘进速度改变的影响规律。分析表明,盾构在软土地区4倍直径(D=6.2 m)埋深地层中施工,在盾构土舱压力、注浆量等参数均不变的条件下,仅调整千斤顶推进速度变化对土体压力及变形的扰动效应有较大影响。盾构推进速度降低会使水、土压力的扰动空间范围减小、扰动所产生的压力增量减小,也使地表隆沉变化值更稳定。相应变化值由埋深和推速降低比例决定。试验为今后判断软土地区4D埋深盾构掘进速度扰动效应提供参考。     

土壤水分特征曲线在天然气水合物开采数值模拟中的应用探讨

在使用TOUGH+HYDRATE程序进行水合物开采数值模拟时常用van Genuchten模型计算毛管力,而毛管力大小直接影响水合物开采过程中的产气和产水,因此在数值模拟过程中正确选用模型参数尤为必要。我国某海域天然气水合物储层为未胶结泥质粉砂储层,常规的毛管力测定方法如压汞法、离心法等对该类岩心并不适用,如何测定该类岩心的毛管力并将其应用于van Genuchten模型参数选取具有重要意义。本文探讨了如何应用土壤水分特征曲线测定实验间接获取该类岩心的毛管力数据,为验证该方法的可行性,本文对参考文献[7]中公开的粉砂土壤水分特征曲线测定实验数据进行换算和拟合后得到T+H程序所需的van Genuchten模型参数,结果可为泥质粉砂储层水合物产能研究工作提供参考。     

基于孔压静力触探确定土体的渗透系数

近年来许多研究者致力于通过孔压静力触探(CPTU)确定土体的渗透系数,但是存在偏差大,而且不能从机制上清楚地解释孔压静力触探确定土体渗透系数的原因。为了应用孔压静力触探现场快速地确定土体的渗透系数,在总结前人对孔压静力触探确定土体渗透系数方法的研究基础上,提出孔压静力触探时锥头处呈球冠形孔隙水流动的计算模型,假定锥头处初始超孔隙水压力为负指数型分布,推导出土体渗透系数的表达式,并且结合现场实测数据,将所提出的方法与已有的方法进行对比分析。研究发现：所提出的方法扩大了现有方法的应用范围;渗透系数计算结果受锥头角度的影响较大,随着锥头角度的增大而增大;针对国际上通用的60°角的标准锥头,所提出的方法计算的渗透系数大于前人的方法,而且更接近室内外试验结果。     

神府矿区的水土流失特征和趋势

陕北神府矿区地处黄土高原上黄河中游地区,是我国本世纪重要的能源供应地。通过采用遥感影像、实地勘测等多种手段的调查与研究,对研究区进行了水土流失类型分区：东部以严重的水力侵蚀为主,西部以风力侵蚀为主,中部为水力风力侵蚀交织地带。在分析该区多年地质环境资料的基础上,根据其水土流失的演化规律对本地区的水土流失趋势进行预测,为矿区的水土流失治理提供了参考。     

盾构隧道施工引起的土体初始超孔隙水压力分布研究

盾构施工会对周围土体产生扰动,形成超孔隙水压力,引起工后固结沉降。运用应力释放理论推导与衬砌相邻的土体初始超孔隙水压力计算公式。假定扰动范围边界呈圆弧状,确定初始超孔隙水压力的分布范围;同时运用应力传递理论,推导分布范围内任一点土体的初始超孔隙水压力计算公式。通过对实测资料的分析可知,计算值与实测值吻合较好。算例分析表明,与衬砌相邻的土体初始超孔隙水压力呈近似圆形（顶部小、底部大）;随着到衬砌的径向距离增加,土体初始超孔隙水压力呈凹曲线形状;隧道底部的等值线最密,即变化最快;隧道顶部上方土体、不同深度处土体初始超孔隙水压力,以隧道轴线处为最大,呈现类似Peck曲线形状。     

Precursors of instability in a natural slope due to rainfall: a full-scale experiment

A full-scale landslide-triggering experiment was conducted on a natural sandy slope subjected to an artificial rainfall event, which resulted in mobilisation of 130 m³ of soil mass. Novel slope deformation sensors (SDSs) were applied to monitor the subsurface pre-failure movements and the precursors of the artificially triggered landslide. These fully automated sensors are more flexible than the conventional inclinometers by several orders of magnitude and therefore are able to detect fine movements (<?1 mm) of the soil mass reliably. Data from high-frequency measurements of the external bending work, indicating the transmitted energy from the surrounding soil to these sensors, pore water pressure at various depths, horizontal soil pressure and advanced surface monitoring techniques, contributed to an integrated analysis of the processes that led to triggering of the landslide. Precursors of movements were detected before the failure using the horizontal earth pressure measurements, as well as surface and subsurface movement records. The measurements showed accelerating increases of the horizontal earth pressure in the compression zone of the unstable area and external bending work applied to the slope deformation sensors. These data are compared to the pore water pressure and volumetric water content changes leading to failure.     

双参数冻融新模型在新疆喀什地区土壤水预测中的应用研究

土壤水的准确预测对区域旱情评估及水量分析计算十分重要。传统模式大都基于土壤水观测数据构建线性回归方程进行预测。本次研究结合一种新的双参数冻融模型,以新疆喀什为研究区域,综合考虑土壤物理特性和参数的非线性,对区域内的土壤水进行非线性预测,结果显示:喀什地区的土壤水预测结果和实测土壤水数据相比,新模型预测计算误差在6%~10%之间,明显优于传统自动监测仪器的误差值,预测精度大大提高,具有重要的参考和实用价值。     

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。