离心模型试验中微型土压力盒土压力测定

土压力作为离心模型试验中重要的测试参数,受土压力盒的性能、离心机数据采集系统稳定性及外部环境等诸多因素的影响,准确地测量土压力较为困难。土压力盒作为土压力测试元件,其性能对土压力测量准确性有直接影响。为获得较为准确的土压力测试数据,结合离心机数据采集系统,选择两种常见的电阻应变式土压力盒。通过标定试验得出两种土压力盒砂标系数均小于出厂标定系数,Ⅰ型偏小64.75%,Ⅱ型偏小18.77%,Ⅱ型土压力盒与出厂数据的重合度比Ⅰ型好;在研究墙高10～30 m类扶壁式挡墙侧向土压力分布的离心模型试验中,与Ⅱ型土压力盒相比,Ⅰ型存在按出厂系数测得数据失真、灵敏度低和稳定性差的缺点。标定试验和离心试验结果表明,接入自行组建的数据采集系统的Ⅱ型土压力盒比接入静态应变数据采集系统的Ⅰ型土压力盒性能更佳。     

大断面深埋高水压地铁盾构隧道周边土压力作用模式评价

以南京某大直径地铁盾构隧道为背景,对盾构管片衬砌所受荷载及结构内力进行现场测试,分析了深埋高水压粉细砂地层中盾构隧道管片土压力大小及分布特征。采用3种不同竖向荷载组合（即有效上覆土压力+水压力,太沙基松动土压力+水压力,只有水压力）计算管片内力并与实测内力进行比较,评价了作用在盾构隧道管片上的土压力模式。结果表明：（1）作用在盾构隧道衬砌上的水压力大小基本等于静止水压力;（2）盾构隧道隧顶实测土压力约为太沙基松动土压力的80%,实测隧顶土压力更接近于太沙基松动土压力,隧道上方存在土拱;（3）现场实测管片弯矩较3种荷载作用下计算弯矩小,而实测管片轴力约为理论计算轴力的2倍。此外,分析了水平地基抗力系数对隧道管片内力的影响。研究成果可为大直径深埋盾构隧道设计提供参考。     

离心模型试验中微型土压力盒土压力测定

土压力作为离心模型试验中重要测试参数,受土压力盒的性能、离心机数据采集系统稳定性及外部环境等多种因素的影响,准确的测量土压力较为困难。土压力盒作为土压力测试元件,其性能对土压力测量准确性有直接影响。为获得较为准确的土压力测试数据,结合离心机数据采集系统,选择两种常见的电阻应变式土压力盒。通过标定试验得两种土压力盒砂标系数均小于出厂标定系数,Ⅰ型偏小64.75%,Ⅱ型偏小18.77%,Ⅱ型土压力盒同出厂数据的重合度比Ⅰ型好;在研究墙高10m～30m类扶壁式挡墙侧向土压力分布的离心模型试验中,同Ⅱ型土压力盒相比,Ⅰ型存在按出厂系数测得数据失真、灵敏度低和稳定性差的缺点。标定试验和离心试验结果表明,接入自行组建的数据采集系统的Ⅱ型土压力盒比接入静态应变数据采集系统的Ⅰ型土压力盒性能更佳。     

离心模型试验中微型土压力盒土压力测定

土压力作为离心模型试验中重要测试参数,受土压力盒的性能、离心机数据采集系统稳定性及外部环境等多种因素的影响,准确的测量土压力较为困难。土压力盒作为土压力测试元件,其性能对土压力测量准确性有直接影响。为获得较为准确的土压力测试数据,结合离心机数据采集系统,选择两种常见的电阻应变式土压力盒。通过标定试验得两种土压力盒砂标系数均小于出厂标定系数,Ⅰ型偏小64.75%,Ⅱ型偏小18.77%,Ⅱ型土压力盒同出厂数据的重合度比Ⅰ型好;在研究墙高10m～30m类扶壁式挡墙侧向土压力分布的离心模型试验中,同Ⅱ型土压力盒相比,Ⅰ型存在按出厂系数测得数据失真、灵敏度低和稳定性差的缺点。标定试验和离心试验结果表明,接入自行组建的数据采集系统的Ⅱ型土压力盒比接入静态应变数据采集系统的Ⅰ型土压力盒性能更佳。     

离心模型挡土墙试验设备的研制

土压力问题是土力学和岩土工程领域的基本研究课题。土压力离心模型试验是验证土压力计算方法和研究土压力形成物理机制的有力工具。笔者研制开发的土压力离心模型试验设备,可用于刚性挡墙的静止土压力和平动模式下主动侧土压力的研究。该设备采用电机作为驱动系统,使得挡墙能够缓慢均匀地位移;配备有控制挡墙位移的自动控制系统,使得挡墙在离心加速度增大的过程能够保持静止状态。针对填土面水平、墙后填土为砂土的情况进行了离心模型试验,测量了墙背土压力及填土位移场随挡墙位移量的变化。试验结果规律好,验证了设备的有效性。     

黏性土中静力沉桩过程桩土界面土压力模型试验

为探讨静压桩贯入过程中桩土界面土压力的变化特性,开展了室内饱和黏性土中静压桩沉桩模型试验。采用双壁模型管桩分离内外摩阻力,在桩身安装微型土压力传感器,监测桩-土界面土压力,分析了沉桩过程中压桩力与桩端阻力的变化规律,探讨了静压桩沉桩过程中桩土界面土压力的分布特征,明确了桩土界面土压力在沉桩过程中存在明显的退化效应,揭示了饱和黏性土中静压桩沉桩过程桩土界面土压力的变化机理。试验结果表明：压桩力随贯入深度的增加近似呈线性增长,在贯入后期闭口桩的压桩力明显大于开口桩的压桩力;桩端阻力基本呈现出线性增长,在沉桩过程中桩端阻力占压桩力的比例较大,占比为62.3%;在静压桩贯入初期,桩土界面土压力的增长速度较低,随着静压桩的逐渐贯入,桩土界面土压力呈现出线性增长且增长速率较快;在同一深度处,随着静压桩的逐渐贯入桩土界面土压力出现明显的土压力退化现象,在深度20、30、40、50、60、70 cm处,土压力依次平均退化14.6%、13.8%、13.2%、9.2%、7.2%、6.1%。     

一种三维土压力盒的工作原理及其应用

基于应力理论,设计了一种能测量土中三维应力状态的三维土压力盒,由一个开槽的十二面体基座和6个常规土压力盒组成。根据任一方向上正应力与常规应力表示方法6个分量之间的关系,建立了三维土压力盒测试数据与常规应力表示方法之间的转换矩阵,给出了由测试数据到常规应力状态的计算方法,并进行了误差分析。考虑基座加工便利性和测试过程的便利性要求,着重阐述了等菱形十二面体三维土压力盒的工作原理、制作过程、测试方法和数据处理等关键环节。对某不饱和重塑土进行了一维压缩,并用测试装置测量了土中6个方向的正应力,推演出了对应的常规应力表达值。结果表明,常规应力表示方法中的两个水平应力基本相等且小于竖向应力,同时水平面和两个竖直面上的剪应力很小,与一维压缩的力学特点吻合,测试装置的设计合理。     

非饱和土层一维固结特性分析

在Fredlund非饱和土的一维固结理论的基础上进行假设,由得出的液相及气相的控制方程、Darcy定律及Fick定律,采用Laplace 变换、逆变换等数学方法得到了大面积均布瞬时加载下表面为透水透气面、底面为不透水和不透气面的非饱和土层一维固结时间域内的超孔隙水压力、超孔隙气压力及土层沉降的解析解;应用典型算例,分析了不同气、水渗透系数比情况下土体超孔隙水压力、超孔隙气压力消散及土层沉降随时间的变化规律以及不同时间超孔隙水压力、超孔隙气压力消散随深度的变化规律。将得出的结果退化成相应的饱和土的解与太沙基饱和土固结理论结果比较,验证了其正确性。     

介绍几种用于岩土工程的压力计

一、几种压力计的名称及用途 (1)双膜土压力盒用于测定地下各构筑物的接触压力和各类松散介质(包括比较坚硬的土层)的各向压力;进行静态或动态的测试。 (2)双膜碎石压力盒除同土压力盒的上述用途外,还可用于测定比较破碎的、松散的岩层压力和一些结构物的集中荷载. (3)微型压力盒用于室内试验和模拟试验。     

挡土墙主动土压力分布与侧压力系数

采用库仑土压力理论的假设：挡土墙土压力是由墙后填土在极限平衡状态下出现的滑动楔体产生,在该滑动楔体上沿竖向取水平薄层作为微分单元体,通过作用在单元体上的水平力、竖向力和力矩平衡条件,建立挡土墙上土压力强度的一阶微分方程式,给出了土侧压力系数、土压力强度、土压力合力和土压力合力作用点高度的理论公式,并分析了填土内摩擦角和墙背摩擦角对土侧压力系数、土压力强度、土压力合力、土压力合力作用点和墙底抗倾稳定性的影响。     

Passive earth pressure of overconsolidated collapsible soil subjected to inundation

ABSTRACT

Backfills behind retaining walls are often made of collapsible soils, which are subjected to wetting by surface running water or by rising the groundwater table. Collapsible soil shows considerable strength when it is dry or at a relatively low degree of saturation and experiences excessive and sudden settlement when it is inundated. This paper presents an experimental investigation on walls retaining overconsolidated collapsible soil subjected to passive earth pressure. A prototype model of a vertical wall, retaining horizontal backfill was developed. Collapsible soil was prepared in the laboratory by mixing kaolin clay with fine sand. The model was instrumented to measure the total passive earth force on the wall, the passive earth pressure at strategic locations on the wall, and the overconsolidation ratio of the soil in the testing tank. The state of passive pressure was developed by pushing the wall horizontally toward the backfill without any rotation. Tests were conducted on walls retaining overconsolidated collapsible soil at the dry and at full saturation conditions. Results showed that for the dry state, the passive earth pressure increases with the increase of the collapse potential and overconsolidation ratio, and was significantly dropped at full saturation.     

考虑土拱效应的黏性填土排桩桩后土压力研究

研究了考虑土拱效应的黏性填土排桩桩后总土压力的计算方法。以黏性填土的单排支护桩为研究对象,将考虑土拱效应的桩后总土压力分为直接土压力和间接土压力。首先,针对已有土压力计算方法的不足,借鉴并改进了挡土墙的主应力旋转理论,认为主应力旋转后大小会发生改变,通过对土拱单元的应力分析和平衡微分方程的求解,推导出了黏性填土排桩桩后直接土压力的解析式,并将计算结果与前人的解析解和试验数据进行对比,表明改进后的方法与实测数据更加吻合。然后,将改进后的方法应用在黏性土间接土压力的分析中,通过将间接土压力看作是由桩间土体滑裂面上的剪应力沿滑裂面的积分,推导出考虑水平土拱效应的桩后间接土压力和总土压力解析式。最后,探究了总土压力随黏聚力和桩土摩擦角的变化规律,结果表明,土拱效应主要影响桩体H/3深度以下部分,使该部分土压力减小,且越靠近桩底,减小速率越大。该研究可为排桩结构的合理设计提供依据。     

刚性挡墙后非饱和土破坏模式及主动土压力计算

目前主动土压力计算方法多仅针对土体处于饱和或干燥状态,忽略了其从非饱和到局部饱和,或饱和到非饱和的渐变过程,进而导致计算结果失真。鉴于此,首先开展了一系列刚性挡墙非饱和砂土主动土压力模型试验,揭示了墙后土体的破坏规律：（1）墙后土体顶部出现了近似竖直裂缝,且其发展深度随墙面粗糙度和含水率的增加而变大;（2）墙土界面摩擦对塑性区形状影响较小,且在挡墙移动过程中,墙后土体塑性区形状始终近似保持为平面。在试验基础上,引入广义有效应力原理,基于极限平衡分析建立了考虑吸应力效应的非饱和土主动土压力计算方法,理论与试验实测值表明,所提方法相比其他方法,更接近于试验值。分析了各主要因素对非饱和土压力分布规律的影响,结果表明：主动土压力随有效内摩擦角值增加而减少,而界面摩擦角对其分布影响较小;相比于无吸力情况,考虑吸力时主动土压力更小;随着进气值增加,吸应力对主动土压力的贡献减少,最终趋于恒定。     

黏性土填料下考虑土拱效应的挡土墙被动土压力计算

为解释挡土墙后填土被动土压力的非线性分布现象,在考虑土拱形状为圆弧,滑裂面采用朗肯滑裂面的基础上,给出考虑土拱效应的被动土压力系数Kawn,进而基于应力状态法及土楔形体静力平衡两种思想求解了竖向平均应力 公式,在该基础上,给出黏性土填料下的挡土墙被动土压力分布公式、合力公式及作用点高度计算公式。通过与试验与其他方法对比,文中提出的方法得到验证。最后,研究了黏性土填料下的挡土墙被动土压力变化规律,即考虑土拱效应求得的黏性土填料的被动土压力分布呈现上小下大的指数型分布。此外,随着δ/φ（δ为墙土摩擦角,φ为内摩擦角）的增大,土拱效应逐渐增强,土压力合力点逐渐降低。     

离心力场中微型土压力传感器非线性响应分析

为掌握离心力场环境下微型土压力传感器与土介质相互作用引起的匹配误差特性,结合匹配误差理论,通过液体标定试验和离心力场中土介质标定试验,讨论了微型土压力传感器在模量相对较大土介质中的非线性响应特征及其主要影响因素。试验分析表明：在液压条件下微型土压力传感器具有良好的线性响应特性;在离心力场环境中微型土压力传感器表现出的显著非线性响应特性是由加载过程中土介质模量的改变引起;基于建立的匹配误差随土介质模量变化的关系曲线对测试数据进行非线性修正,可明显提高微型土压力传感器在模量相对较大土介质中的测试精度。     

A theory of loosening earth pressure above a shallow tunnel in unsaturated ground

A theory is proposed to evaluate the loosening earth pressure (vertical earth pressure after excavation) acting on a shallow tunnel in unsaturated ground with an arbitrary groundwater level. The theory is developed based on the limit equilibrium theory, combining soil–water characteristic curves, Mohr–Coulomb failure criteria, and effective stress for unsaturated soils. The proposed theory is applied to predict the vertical distribution of loosening earth pressure in unsaturated ground, which shows a significant difference from that in saturated ground. In unsaturated ground, suction contributes to the increase in effective loosening earth pressure and shear resistance. The remarkable effects of groundwater depth, soil type, and scale of overburden height and trapdoor width on loosening earth pressure are also revealed. Based on the soil–water characteristic curve, the degree of saturation decreases, which causes wet density to decrease and the total and effective loosening earth pressures to have contrary tendencies. Moreover, effective loosening earth pressures vary with soil type as the degree of saturation varies. The total loosening earth pressures are, however, very similar regardless of soil type, because wet density and shear resistance have similar tendencies. The proposed theory provides a valid model for loosening earth pressure in unsaturated ground that will be useful for shallow tunnel excavations.     

深井降水对支护结构土压力的影响

在目前深基坑开挖过程中,一般要采用降水措施以保证基坑干燥,便于施工。基坑降水会引起基坑内外地下水渗流,地下水状态随之改变,同时也会引起土的物理、力学性质的改变,直接影响作用于支护结构上土压力的大小。传统的水土合算和水土分算是两种极端的处理方式,在基坑降水过程中,根据具体土层选择适当的降水模型,并考虑渗流的影响,对挡土结构的设计具有重要意义。     

考虑挡墙位移效应的被动侧土压力计算方法

挡土结构上土压力的计算是土力学和岩土工程领域的基本研究课题之一。实际工程中的土压力通常是介于主动土压力和被动土压力之间的某一值,墙后填土由于碾压具有较高的密实度。经典的朗肯和库仑土压力理论只能计算极限状态下的土压力,没有考虑挡墙的位移以及剪切过程中密砂的强度从峰值强度降低到残余强度这一强度变化特性对于土压力的影响。给出了考虑挡墙位移效应的被动侧土压力计算方法,该方法能够同时考虑剪切过程中密砂的强度从峰值强度降低为残余强度这一强度变化特性对被动土压力的影响。通过土压力模型试验结果对计算方法进行了初步验证,计算结果和试验结果吻合较好,表明了该方法的有效性。