不同温度及排水条件下高温冻土孔隙水压力试验研究

在荷载的作用下孔隙水压力的消散是揭示冻土整体变形机理的关键,为了研究高温冻土中孔隙水压力变化规律,在不同温度、不同排水条件下,对高温冻土开展了压缩固结试验,并监测其在-1℃、-0.5℃和-0.3℃的条件下孔隙水压力及位移变化情况。结果表明：温度对孔压、变形有较大影响,温度越高,土体的变形速率越大,孔隙水压力峰值越大,消散速率也越快;而温度相同时,排水条件下的孔压峰值比不排水条件下的低,位移比不排水条件下的大;从试验结果中可以认识到,孔隙水压力在受骨架挤压增大的同时也在缓慢消散。     

周期温度边界条件下一维融化固结特性研究

在周期温度边界条件下,冻土呈现出与常温边界不同的融化固结特性. 基于融化固结理论提出了一种适用于周期温度边界条件下融化固结计算的数值模拟方法,并通过试验验证了该方法的有效性. 通过对比分析试验及数值结果表明,提出的数值方法能够很好地描述周期温度边界条件下冻土的融化固结特性. 同时,融化深度和变形均随时间呈现出阶梯型的变化趋势. 这是周期温度边界下土体融化固结行为最显著的特点. 随着冻融次数的增加,融化深度和变形均趋近于常温边界条件下的结果,这表明若干个冻融循环后周期温度边界对融化固结行为的影响将逐渐消失.     

连续排水边界下考虑变荷载的软土一维非线性固结分析

土体往往具有非线性压缩特性,不同压缩特性下土体的固结规律存在差异。综合考虑土体非线性特性、变荷载作用以及连续排水边界条件建立了一维固结方程。采用无条件稳定的有限差分法和半解析法对固结方程进行了求解,两种解答方法的可靠性通过连续排水边界条件退化以及两种解答结果对比得到验证。在有限差分法解答的基础上,详细分析了界面参数、荷载参数以及非线性参数对土体固结的影响。结果表明：连续排水边界的界面参数取值越大,则超静孔隙水消散速率及土体沉降速率越大,但界面参数取值对最终沉降量没有影响;超静孔隙水压力在加载阶段逐渐增大,在恒载阶段逐渐消散;加载速率越大,则超静孔隙水压力峰值越大,并且土体固结速率越快,说明延长施工周期有利于降低超静孔隙水压力的影响;工程中要准确预测土体固结速率绝非易事,采用固结理论预测时需保证土体模型、边界条件以及土体计算参数等因素的准确性。     

基于变固结系数的静压桩周土体力学特性研究

以静压沉桩后桩周土体的应力状态为初始条件,根据桩周土体孔隙比、渗透系数和有效应力之间的相关性,在考虑固结系数随固结时间变化的条件下改进了轴对称条件下的太沙基固结控制方程。随后,采用分离变量法和离散化分析推导得出了桩周超孔隙水压力消散的半解析半数值解,并将解答与实测数据进行对比验证。在此基础上,采用空间滑动面理论改进的修正剑桥模型（SMP-MCC）定义土体三维不排水抗剪强度,研究了静压桩周土体强度、剪切模量随固结时间的变化规律。研究结果表明：由于解答考虑了固结系数随固结时间的变化,因而与实测结果吻合良好;土体压缩指数与渗透指数之比对土体固结系数和孔压消散速率影响较大;当土体压缩指数与渗透指数之比为1时,土体固结系数保持不变,解答退化为经典的太沙基轴对称固结方程;土体强度和剪切模量随固结时间的增长而逐步增加,固结完成后其值超越了土体原位强度和原位剪切模量。     

软土主次固结划分及影响因素探讨

主、次固结的划分是正确预测和分析软土地基变形并采取有效工程措施的关键问题之一。利用单向固结仪和三轴剪切仪,对天津典型软土进行了一系列一维压缩次固结试验和三维次固结试验,得到荷载、孔隙比、孔隙水压力、体积应变和时间的关系曲线。试验结果表明:由孔隙水压力消散确定的主次固结划分时间滞后于体应变划分时间;所提出的采用应变速率和应变关系来划分主次固结的方法可以合理地适用于各种荷载条件;主固结时间随试样高度的增大而增大,随排水条件的加强而减小;随着荷载等级的增大,主固结时间延长;当荷载小于结构屈服应力时,加荷比对主次固结划分的影响较小,当荷载大于结构屈服应力时主固结时间随着加荷比的增大而延长;预压后土体的主固结应变与总应变的比值比无预压的情况增大30.7%,且该值随着预压荷载的增大而增大。     

融化压缩下水泥改良冻土的微观孔隙特征演变

水泥改良冻土在融化压缩下的微观孔隙演变特征研究,对了解水泥改良冻土的过程具有重要意义。将水泥改良后的冻土进行融化压缩实验,通过冷冻干燥法对试验后的土样进行电镜样品制取并获取其微观特征图像。对试验土样进行比重测试,得到土样真实的三维孔隙比。最后以真实孔隙比作参考,确定图像分割所选取的灰度值并提取其孔隙特征。结合融化压缩试验结果,对水泥改良冻土的孔隙数量、面积、定向角及丰度值随改良土压缩量的变化关系进行了分析。研究结果表明:经过水泥改良后的冻土,大孔隙结构强度增大明显;随着水泥掺量及养护龄期的增加,孔隙比与孔隙面积变大,压缩量变小;随着土体压缩量的增大,孔隙的定向角分布逐渐由均匀状向锯齿状发展;土样压缩过程中,丰度值大于0.5的孔隙发生压缩明显,孔隙逐渐趋于细长状,并且随着压缩量的增大,孔隙丰度值的分布越来越趋于正态分布。孔隙微观结构演变研究为阐释水泥改良冻土宏观力学特性增强的机制提供了科学依据。     

高温冻土区填土路基融化固结变形分析

基于修正拉格朗日（U.L）描述下的大变形固结理论和考虑相变作用的温度场得到大变形融化固结理论,对不同路堤高度下填土路基温度场和融沉变形进行研究. 结果表明：高温冻土区合理高度的路堤在5~10 a内使冻土上限略微抬升,但冻土有明显升温. 冻土上限在未来的5~10 a后会急剧下降,且路堤高度越小,下降量越大. 与小变形融化固结理论相比,大变形融化固结理论预测高含量冻土融沉变形的精度更高. 融沉量与路堤高度成正比,且随着时间的增长,融沉变形呈阶梯型发展,路堤越高,阶梯现象越显著. 定义融沉量与路堤高度之比为沉降比,研究发现路堤越低,其沉降比越大,且随时间线性增长. 沉降比是冻土融深增量的单值函数,与路堤高度无关,通过沉降比函数可以快速而实用的求出融沉变形量.     

不同荷载条件下冻土融化沉降过程试验研究

融沉是困扰多年冻土区工程建设与安全运营的关键因素之一。通过室内试验,针对两种初始干密度不同的青藏粉质黏土,在-8~24 ℃之间正弦波动的周期温度边界条件下,分别开展了无荷载、静荷载及动荷载作用下冻结饱和试样的融沉试验（试样的初始温度为-1 ℃）,研究了试样内部温度、变形、孔隙水压力的时间变化过程。结果表明：温度边界相同时,在不同荷载作用下试样内部温度响应过程差异显著,反映了荷载对冻土融化速率的影响。在无荷载作用下,试样的竖向变形呈线性发展趋势,每次冻融过程中的融沉变形变化不大。在静荷载和动荷载作用下,试样的竖向变形呈先快速增加后逐渐稳定的趋势,且融化沉降变形主要发生在前3~4个冻融循环过程。试验结束时,在静、动荷载作用下试样最终变形量大于无荷载作用下,且干密度较小时竖向变形较大。在动荷载作用下,试样内部孔隙水压力变化幅度大于静荷载,且在前3次冻融循环过程中,动荷载作用下试样内部孔隙水压力消散数值大于静荷载,之后随着冻融循环次数的增加两者差异逐渐减小。试样融沉变形过程与温度变化、孔隙水压力的积累和消散过程密切相关。试验结果可为复杂边界条件下融化固结理论研究和工程中地基土体的融沉变形预测提供依据。     

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。     

渠基土在冻融循环作用下的变形和应力变化特征

受季节性气候变化和昼夜交替的影响,处于寒区的地表浅层土体不可避免地会发生冻融循环作用。冻结过程引起土体的膨胀变形,融化过程引起土体的压缩沉降变形。同时冻融交替变化会诱发渠基土的结构与物理力学性质发生显著改变,从而危害工程设施的服役性。土体所处的应力环境是影响冻融过程中土体变形发展的关键因素。为了研究不同上覆荷载条件下冻融循环过程对寒区渠基土变形与冻胀应力发展特性的影响,开展了一系列冻融循环试验。结果表明：在上覆荷载为10 kPa时,冻融循环会使土体产生膨胀变形;当上覆荷载为50 kPa或100 kPa时,冻融循环会使土体产生非常明显的固结沉降,且上覆荷载越大,沉降量也会越大。随着冻融循环次数的增加,土体在其所处的应力环境下逐渐形成相对稳定的固结结构,单次冻融过程中产生的冻胀量与融化固结量趋于相等,即冻融稳定系数趋于1。在不同上覆荷载条件下固结稳定后,保持试样两端约束的位移不变,发现土体冻融过程中产生的最大竖向冻胀应力随冻融循环次数的增加不断衰减,且冻胀应力的发展与孔隙水压力的变化具有一致性。因此,通过对恒定上覆荷载条件下冻融过程中正冻与正融界面附近孔隙水压力分布的研究,可揭示冻融过程中土体变形发展的内应力机理。     

沉积泥砂非线性大变形固结沉降计算模型

沉积形成的水底黏性泥砂自重固结过程表现出显著非线性大变形固结特征,应采用大变形固结理论进行泥砂沉积固结计算。基于软黏土一维非线性大应变固结理论,应用有效应力、渗透系数与孔隙比间扩展幂次函数固结本构关系,由达西定律、有效应力原理、连续介质方程等建立大变形固结控制方程,根据固结单元孔隙水渗流、单元变形与泥砂沉积层固结沉降耦合关系形成黏性泥砂大变形自重固结数值模型。泥砂自重作为固结荷载,数值模型假定沉积泥砂各向同性且固结沉降应变、孔隙水渗流仅发生于竖直方向,为一维单向沉积固结过程;采用泥砂沉降柱试验确定泥砂非线性扩展幂次函数关系参数。模型应用中,划分竖向固结单元,由沉积泥砂固结本构关系确定各固结单元有效应力及超孔隙水应力,通过超孔隙水应力时间维度上的消散过程及各固结参数间的耦合关系计算泥砂固结沉降。数值模型计算结果表明,沉积黏性泥砂自重固结初期表现为有效应力调整过程,初始有效应力与孔隙比根据固结本构关系匹配调整为扩展幂次函数关系;沉积泥砂应变与应力固结度存在20%左右误差,泥砂固结沉降发展快于超孔隙水应力消散过程,证明沉积泥砂固结沉降变形的发展与超孔隙水应力消散并非同步耦合。计算模型应用于室内沉降柱试验模拟淤积黏性泥砂自重固结沉降预测中,模型输出与试验结果符合良好。     

考虑幂函数渗透压缩变化的双层砂井地基固结性状

采用Barron轴对称固结及大变形固结问题的某些简化与假定,推导建立了砂井地基大变形固结控制方程,利用建立的双层砂井地基大变形固结方程及编制的计算程序,通过引入软土渗透系数、有效应力与孔隙比之间的幂函数关系k =ced与e=a( )b,对瞬时加载下双层砂井地基固结性状进行算例计算。结果表明：（1）双层软土幂函数渗透关系及压缩关系中诸参数对双层砂井地基固结性状有重要影响：随着两层软土幂函数渗透关系中参数c1、c2的增加（渗透性增加）、或幂函数压缩关系中参数a1、a2的增加,各土层水平径向与竖向孔隙比减小更快,沉降发展速率与超静孔压消散速率也相应增加,且沉降发展速率快于孔压消散速率。（2）两层土在分界面处的孔隙比及平均超静孔压均出现明显的突变,将沿深度分布曲线分成形状不同的两段,表现出不同的固结性状。     

软黏土层一维有限应变固结的超静孔压消散研究

根据土力学固结理论计算分析软黏土层固结过程的超静孔隙水压力值,确定软黏土体固结过程的强度增长,对排水固结法处理软土地基至关重要。软黏土层固结过程中土体变形较大时,有限应变固结理论和小应变固结理论计算分析软黏土固结所得结果差异较大。利用非线性有限元法及程序,通过对软黏土层固结工程算例的计算结果分析,研究了有限应变固结理论和小应变固结理论计算分析软黏土层一维固结超静孔压值消散的差异;探讨了软黏土体一维固结过程中,几何非线性、土体渗透性变化和压缩性变化对超静孔隙水压力消散的影响。研究结果表明,当土体的变形较大时,有限应变固结理论计算出的超静孔压要比小应变固结理论得到的值消散的更快。考虑土体固结过程中渗透性的变化时,超静孔压消散变慢;可用软黏土渗透性变化指数ck 反映渗透性变化对超静孔压消散的影响,渗透性变化指数ck值越小、超静孔压消散越慢。固结过程中软黏土压缩性的大小及变化也影响超静孔压的消散,可用软黏土的压缩指数cc反映固结过程中压缩性的大小及变化对超静孔压消散的影响,软黏土的压缩指数cc越小,固结过程软黏土层中的超静孔压消散越快。     

考虑变渗透系数的饱和黏土一维流变固结分析

为进一步探讨饱和黏性土的弹黏塑性和变渗透性对一维固结进程的影响,引入考虑时间效应的统一硬化（UH）本构模型描述饱和黏土的弹黏塑性,并用Taylor的经验关系式表示其渗透系数与孔隙比的关系,修正了太沙基一维固结理论,并利用有限差分法对方程进行求解。通过与一维流变固结试验结果对比,验证本文计算方法的有效性以及UH模型的适用性。在此基础上,讨论了UH模型参数、压缩指数与渗透指数的比值以及荷载强度等对固结过程的影响。计算结果表明:饱和黏土的黏滞性使得在固结初期地基内部出现了孔压升高现象,并减缓了固结中后期地基孔压的整体消散,增大了地基的沉降量,并且这种现象随着初始超固结参数的增大而更明显;另外,随着压缩指数与渗透指数比值的减小,地基固结进程会加快,但地基最终沉降量不受影响;同时,在固结后期,当压缩指数不大于渗透指数时,较小荷载强度对应的地基内孔压消散较慢,然而,当压缩指数大于渗透指数时,荷载强度对孔压消散的影响则相对很小。     

软土地基电渗固结理论分析与数值模拟

电渗固结是加速软土固结、提高地基承载力的有效技术。传统的电渗固结理论假设土体的物理力学、水力学和电学特性均匀稳定,其理论解答与试验结果差别较大。针对电渗固结处理过程,对土体位移场、渗流场和电场的耦合特征进行了理论分析,根据电荷守恒原理、水流连续原理和Biot固结理论,建立了电渗固结过程的多场耦合控制方程;考虑土体相关特性参数的非线性关系,开发了有限元软件用于分析电渗过程中电场强度、土体位移以及超静孔隙水压力的变化特征。计算结果与理论数据吻合较好,能够反映土体相关特性参数非线性关系对结果的影响。软件能够为电渗固结系统设计提供参考依据。     

饱和软土大变形非线性自重固结模型

基于分段线性方法,建立了饱和软土一维自重固结模型（简称SWC模型）。该模型能考虑自重固结过程中土体的大变形效应和材料参数的非线性变化。将该模型的计算结果与相关解析解、现场试验及室内试验结果进行了对比验证,证明了SWC模型能准确计算出大变形和非线性条件下饱和软土的自重固结过程,包括沉降量、平均固结度、孔隙比分布和超孔隙水压力分布等参数随时间的变化过程。随后,以现场试验为基础,采用SWC模型对饱和软土自重固结的4个主要影响因素（即土体初始高度、边界排水条件、初始孔隙比和土粒相对密度）进行了参数分析。结果表明,上述4个参数对软土自重固结过程均具有重要影响：土体初始高度越高,则自重固结沉降量和最终平均应变值越大;边界排水条件对土体自重固结的速度有重要影响,但不影响自重固结的最终沉降量;初始孔隙比越大,则自重固结沉降量越大,其完成自重固结所需时间越短;土粒相对密度越大,则土体的最终沉降量越大,完成自重固结所需时间越短。     

非饱和土拟二维平面应变固结问题的解析计算方法

基于Fredlund非饱和土一维固结理论,建立了二维平面应变条件下的固结方程组,并得到了单层非饱和土平面应变条件下的解析解。基于相关理论,假设体变系数和渗透系数都为常量,同时考虑到瞬时加载条件下,沿着土体深度方向上产生均匀或者线性分布的初始超孔隙压力,建立了二阶二元偏微分方程组。求解时,引入函数方法来降低方程的阶数,然后通过分离变量法获得方程的通解。在此基础上,结合一个针对单面排水条件下二维平面应变问题案例,通过与数值解对比,验证了所提方法的正确性。并采用所提方法计算获得了二维平面下超孔隙水压力、气压力沿垂直和水平方向消散的等时线,通过计算对比,分析了不同线性分布情况下,初始超孔隙压力对固结消散过程的影响。研究结果表明：初始超孔隙压力的不同分布对超孔隙气压力消散的影响几乎可以忽略,而对超孔隙水压力消散的影响更大。