开孔管桩动孔压消散特性的理论研究

可液化地基在遇到地震作用或任何其他突变应力条件下,土体会迅速丧失强度和刚度,发生液化,从而失去承载能力。传统的抗液化措施主要集中在地基处理层面,而开孔管桩则兼具抗液化性能和承载能力。在假设开孔管桩孔洞内液体流动满足Poiseuille方程且等应变假设成立的前提下,结合开孔管桩复合地基的应力集中现象,推导出地基在时变荷载作用下的径竖向组合孔压解析解。考虑到循环荷载作用下的孔压积累现象,进一步利用孔压发展的经验模型改进该解析解。在此解析解的基础上,分析、对比开孔管桩、碎石桩、不排水桩以及天然地基的孔压发展情况,得出开孔管桩具有最好的孔压消散能力。桩-土模量比、井径比等因素对孔压的发展都有重要的影响,桩-土模量比越大、井径比越小,孔压消散速率越快。桩本身开孔系数对孔压发展的影响不明显。荷载频率只影响初始孔压峰值,并不影响孔压振荡衰减的速率。     

饱和软土成层地基一维非线性固结解析解

假定土体在固结过程中压缩性和渗透性的变化成正比,基于 - 及 - 关系,推导出饱和软土成层地基一维非线性固结解析解,分别给出了按沉降定义和按有效应力定义的每层土平均固结度及整个土层总固结度的计算公式。采用Fortran语言编制了相应的计算程序,将计算得到的结果与已有双层地基一维非线性固结解析解计算结果进行比较,验证该解析解的正确性。利用该程序分析成层地基一维非线性固结性状,分别讨论了初始竖向渗透系数、初始体积压缩系数、荷载值及土层厚度对地基固结性状的影响。分析结果表明：在成层地基一维非线性固结过程中,初始竖向渗透系数对超静孔压的影响较为复杂,对上下层地基固结速率影响不同;初始体积压缩系数增大,超静孔压增大,固结速率变小;所加荷载值越大,超静孔压消散越慢,固结发展越慢;超静孔压消散速率不仅取决于土层厚度,同时取决于各层土渗透性的相对大小。     

有孔管桩单桩承载性状试验及分析

有孔管桩能够有效地加速超静孔隙水压力时空消散,减轻沉桩效应对周围环境的不利影响,但桩身开孔引起的应力集中现象会削弱桩体承载力。为探讨桩身开孔对管桩承载性状的影响,采用室内模型试验方法,在软土地基中开展无孔管桩和3种不同布孔方式的有孔管桩单桩静载荷试验,对竖向荷载下引起桩顶沉降及桩身不同位置的应变进行了监测和分析,获得了各种管桩的Q-s曲线、桩身轴力及桩侧摩阻力的分布规律。对比分析可知,星状开孔有孔管桩的桩身轴力削弱情况最小,双向对穿有孔管桩的桩侧摩阻力最大。     

透水桩与不透水桩组合型复合地基固结解析分析

在深厚软土地基处理中,联合使用透水与不透水桩,既可以加速地基固结,又能较大地提高地基的承载力,具有广泛的应用价值。基于轴对称固结模型,并考虑透水桩的体积压缩,建立了透水与不透水桩组合型复合地基的固结微分方程,利用边界条件和初始条件,得到了外部荷载瞬时施加情况下的地基固结解析解,并将该解与现有解析解进行对比分析,验证其合理性;同时,对桩的扰动效应、井阻效应、压缩模量等影响因素进行了分析,探讨了该复合地基的固结特性。结果表明:不考虑透水桩体积变化将高估组合型复合地基的固结速率;减小透水桩的井阻效应和施工扰动效应,增大置换率及桩体模量,将加快组合型复合地基的固结速率,实际工程中可以从这些方面减少地基的工后沉降。     

变荷载下长排水体-短不排水桩复合地基固结解析解

基于向内径向渗流的轴对称固结模型,给出了变荷载下长排水体-短不排水桩组合型复合地基的固结方程,在单面排水条件下推导出组合型复合地基的固结解析解,包括排水体和排水体周边土体中的超静孔隙水压力解答和组合型复合地基整体平均固结度解答。将组合型复合地基固结度解析解与三维有限元数值解进行了比较,证明了解析解的合理性。利用固结度解析解对影响组合型复合地基固结速率的主要因素进行了分析,研究了组合型复合地基的固结特性。结果表明：组合型复合地基的固结速率随着短不排水桩贯入比的增加而逐渐增大,随排水体的井阻和其周边涂抹区厚度的增加而减小。短不排水桩刚度和置换率的变化对组合型复合地基固结速率的影响较小。     

考虑土体非线性的CCSG桩复合地基固结解

混凝土芯砂石桩（CCSG）桩复合地基是一种新型多元复合地基。通过引入地基土体的e-lgσ和e-lgk对数模型,考虑地基土体固结过程中压缩模量和渗透系数非线性变化的特征,推导出基于等应变假设的CCSG桩复合地基非线性固结解析解,且现有的考虑土体非线性的砂井固结解和碎石桩复合地基固结解均是文中解的特例。根据该解析解得到桩土模量比、土体压缩指数与渗透指数比、荷载增量等无量纲参数变化时,CCSG桩复合地基的固结度曲线。分析结果表明,按应力和按变形定义的两种固结度不相等,通常按变形定义的固结速度较快;土体压缩模量和渗透系数的非线性变化对固结影响较大。最后通过和由实测数据获得的固结度曲线对比,验证了解析解的正确性。     

不同厚度褥垫层刚性桩复合地基工作特性研究

对刚性桩复合地基褥垫层的工作机理进行了分析。并据此设计了桩竖向刚度很大的刚性桩复合地基模型试验。进行了桩顶进入不同厚度褥垫层的复合地基试验,研究了刚性桩复合地基褥垫层在竖直荷载作用下的工作性状。结果表明：竖向刚度很大的桩即使在100 mm厚褥垫层情况下也很难充分发挥其承载力,桩顶下设置一定厚度的褥垫层有助于提高桩的荷载分担比,减小刺入量。     

双向渗流下考虑应力时空效应的组合桩复合地基固结理论研究

碎石桩和不排水桩联合使用的组合型复合地基,既可以提高地基承载力,又可以加快土体固结,对处理饱和软黏土地基有很高的应用价值。基于双向渗流的轴对称固结计算模型,考虑中心及外围碎石桩的体积压缩、桩体施工的扰动效应,建立了组合碎石桩-不排水桩复合地基固结微分方程,采用解析法推导了附加应力随时间和深度变化下的组合桩复合地基固结解析解,包括碎石桩、桩间土的平均超静孔隙水压力解和复合地基整体平均固结度解。进行退化研究,并与已有解分析对比;验证了此解的正确性,且通过参数分析研究了复合地基的固结性状。结果表明：复合地基底部附加应力越小、碎石桩与不排水桩布置越密集,固结越快;碎石桩施工的扰动效应对复合地基影响大于不排水桩;忽略碎石桩体积压缩的影响会高估复合地基固结速率,且桩径比越小,误差越大;理论解预测的复合地基固结度与实测值拟合性较好。     

刚性基础下现浇X形桩复合地基桩-土应力比分析

桩土应力比是反映复合地基承载特性的重要参数之一,可反映复合地基的荷载传递和变形机制。做为一种新型桩,目前尚未得出统一的计算X形桩复合地基桩土应力比的公式。沉淀池、滤池等构筑物是典型的具有混凝土底板（刚性基础）的结构,刚性基础下桩复合地基的承载性能有别于柔性基础。故结合南京桥北污水处理厂地基处理工程做现场静载荷试验,应用有限元软件ABAQUS建立刚性荷载板下现浇X形混凝土桩复合地基的模型,模拟不同桩身弹性模量、桩周土压缩模量、桩长、褥垫层厚度和压缩模量等参数下现浇X形混凝土桩复合地基的桩土应力比,结果表明,桩身或褥垫层模量增大、桩周土体模量减小、褥垫层厚度减小、桩长等增加都能使桩土应力比增大;现浇X形桩复合地基桩土应力比理想值为20～25,此时桩身模量取10～20 GPa,碎石褥垫层的厚度为20～40 cm,模量为30～45 MPa。     

双层散体材料桩复合地基固结理论

研究了考虑涂抹效应和应力集中效应的双层散体材料桩复合地基固结解析解及其工程应用,分不同情况讨论了特征根的可能变化规律,也讨论了解析解转化为双层竖井地基以及双层天然地基的普遍适用性。研究发现,固结速率随井径比的减小、水平向渗透系数比的增大和桩体刚度的增大而增加;底面排水条件对双层散体材料桩复合地基的固结影响,在井径比不是很大的情况下影响不大;是否考虑应力集中效应对计算结果影响较大。     

变荷载下不排水桩复合地基桩间土和下卧层土固结分析

基于悬浮不排水桩复合地基超静孔隙水压力解答,建立了变荷载条件下复合地基桩间土和下卧层土平均固结度的解析解。通过与有限元解答的对比,证明了解析解的正确性和有效性。利用解析解对桩间土和下卧层土的固结性状进行了分析。研究发现,桩间土的固结速率远大于下卧层土,并随置换率和桩土模量比的增加而增大。在工程设计采用的置换率范围内,桩的贯入比较小时,下卧层土的固结速率受置换率和桩土模量比的影响很小;桩的贯入比较大时,下卧层土的固结速率随置换率和桩土模量比的增加而增大。桩间土和下卧层土的固结存在临界置换率和临界桩土模量比,超过临界值后,桩间土和下卧层土的固结速率不随桩土模量比和置换率的增加而增大。桩间土和下卧层土的固结速率随加荷速率的增加而增大。     

饱和黏土中单桩桩周土空间轴对称固结解

通过分析单桩成桩后桩周土体固结的边界条件和初始条件,建立了饱和黏土中单桩桩周横观各向同性土体的空间轴对称固结问题的定解条件,应用数学物理方法求得该问题的级数解答。通过土体固结与桩承载力的时效性之间的关系,利用承载力的实测资料换算得到的等效固结度,验证了解答的合理性和适用性。同样,应用级数解答求得的桩周土体的固结度可用于桩的承载力的时效分析。     

排水刚性桩群桩抗液化性能的振动台试验研究

排水刚性桩是一种将竖向排水体与刚性桩相结合的新型抗液化处理措施。为研究排水刚性桩群桩的抗液化作用效果,开展了桩顶竖向荷载作用下排水刚性桩处理可液化地基的振动台试验研究,分析了地基土体的超孔压响应、加速度响应及桩顶结构的水平位移响应,并与未设置排水体的普通桩群桩工况进行对比。结果表明：加载开始后,排水桩桩身排水通道有大量超孔隙水排出,普通桩桩身没有排水现象。采用排水桩时超孔压比峰值比普通桩中减小12%,孔压消散稳定后超孔压比减小13%左右,排水桩桩身的排水通道对超孔压的消散作用集中在振动作用的前期。排水桩桩顶的侧向永久位移较普通桩桩顶侧向永久位移减小约27%。试样土体液化前,剪应力-应变滞回圈包络面积较大,土体呈现一定的剪胀特性。液化后,排水桩的剪应力-应变滞回圈的割线模量更大。上述试验结果均表明了排水刚性桩在抗液化方面的有效作用。     

考虑固结的透水管桩沉桩全过程有限元模拟

运用透水管桩技术加快沉桩后桩周土体内超静孔隙水释放,进而消除沉桩施工中超静孔压的不利影响。基于有限元数值计算法,利用ABAQUS有限元软件建立透水管桩模型,实现透水管桩贯入过程以及桩周土体固结过程模拟。对比CEM圆柱孔扩张理论验证数值计算结果;阐述透水管桩贯入过程中位移场以及超静孔压场变化规律;对比分析静压桩和透水管桩桩周土体固结性状,结果表明透水管桩能加速超静孔压消散,短期内实现桩基承载力的快速提升。     

修正等应变假定下刚性桩复合地基固结特性分析

刚性桩复合地基固结特性是影响工程进度的重要因素。为研究外荷载作用下刚性桩复合地基固结特性，结合刚性桩和桩间土应力?应变特点对等应变假定进行修正。在此基础之上，考虑涂抹效应、桩间土和下卧层土体固结特性的影响，推导得到桩间土和下卧层土体固结微分方程。基于双层地基固结理论，考虑单级匀速施加荷载和附加应力沿深度变化等边界条件，推导得到其固结度解析解。最后，利用数值模拟方法对解析解进行验证，并对影响刚性桩复合地基固结特性的因素进行分析。结果表明：理论计算与数值模拟结果较为吻合；刚性桩复合地基固结速率受到贯入比影响较大，当贯入比较小时，与天然地基相比，其固结速率较小，贯入比较大且桩端阻力系数较小时，复合地基固结速率大于天然地基；随着贯入比、桩?土相对刚度和垫层?土体相对刚度的增大，复合地基整体固结速率加快；随着置换率的增大，复合地基整体固结速率降低。     

Radial consolidation with variable compressibility and permeability following pile installation

The excess pore pressure generated by pile installation gradually dissipates following installation, which mainly dominates the increase of pile capacity with time. The dissipation of the excess pore pressure following pile installation has been widely investigated by experimental and theoretical studies. However, in most research, the consolidation coefficients were assumed to be constant for simplification, which may lead to errors. In the present study, the dissipation of the excess pore pressure is analyzed by radial consolidation theory with a variable consolidation coefficient based on the linear responses of e − ln(p^′) and e − log(k). The governing equation of the radial consolidation considering variable compressibility and permeability are solved by the variable separation method. Bessel functions are used to solve the differential functions for the time independent part. The excess pore pressure immediately after pile installation is obtained from cavity expansion theory and is used as the initial condition of the consolidation process. Moreover, the influences of variable compressibility and permeability on the variation of consolidation coefficient and excess pore pressure dissipation are analyzed.     

静压桩承载力时间效应的研究进展

由于静压桩沉桩后桩周土重塑,静压桩承载力表现出随着休止期的延长而增长的特性。本文从静压桩沉桩后桩周土体内孔隙水消散固结的角度出发,对静压桩承载力时间效应的理论和试验分别进行归纳,结合孔隙水消散路径及固结模型,对桩周土体初始超静孔隙水压力大小及其分布特征进行总结,分析承载力各种测试方法的优缺点,对静压桩承载力的时效性进行深化研究,并探讨了不同地质条件、不同桩的类型对休止期内静压桩承载力的影响,进一步对基于实测数据得出的经验公式进行总结。讨论了基于不同本构关系模型的应力场及位移场解答和沉桩后孔隙水压力消散解答,在此基础上总结了桩基极限承载力理论公式;探讨了黏性土、砂土条件下,考虑超固结比、不排水抗剪强度和塑性指数比对桩基极限承载力系数A的影响,在此基础上归纳了桩基极限承载力经验公式。建议在经验公式基础上设置多重参数,以提升经验公式的精确度,并完善对不同桩、土类型的参数解答;利用BP神经网络,导入静压桩承载力相关参数,以得到针对不同地质条件、桩型、休止期的承载力最优解。     

An analytical solution for the consolidation around a driven pile

Field studies have shown that the driving of a displacement pile into cohesive soil generates large excess pore pressures in the vicinity of the pile. These pore pressures are often larger than the effective overburden pressure and facilitate the installation of the pile. The subsequent increase in bearing capacity of the pile is largely controlled by the dissipation of the excess pore pressures and a consequent increase in the effective stresses acting on the pile. The paper presents a closed formanalytical solution for the radial consolidation of the soil around a driven pile, assuming that the soil skeleton deforms elastically. This assumption is examined in the light of the predicted effective stress changes in the soil and is shown to lead to, a realistic model for the decay of pore pressure near the pile with time after driving. Although the solution may be applied to any initial distribution of excess pore pressure, attention is focussed on that due to the expansion of a cylindrical cavity in an ideal elastic, perfectly plastic soil. The resulting logarithmic variation of excess pore pressure with radius is considered to be close to that generated around a pile as a result of driving. In addition to giving estimates of the time needed for a driven pile to achieve its maximum strength, the solution may also be used in the analysis of pressuremeter tests to provide in-situ measurements of the coefficient of consolidation of the soil.     

基于接力排水的强夯法在滨海回填区地基处理中的试验研究

本文对山东半岛海岸带滨海杂填土、饱和粉细砂、淤泥质土等特殊复杂地层地基处理方法进行了研究。以经济高效的强夯法为基础,提出复杂地层整体排水概念,设计了浅层、深层竖向排水和水平排水的接力排水系统,并进行了现场试验研究。监测数据表明,强夯荷载作用下,接力排水系统整体协同排水,可快速排出各个地层中地下水、消散超孔隙水压力。7 h左右可基本消除强夯引起的地下水上升及孔隙水压力消散。持续降水,地表沉降为上部土体厚度的0.7%～2.0%。强夯动力荷载作用下,表层土体压缩为上部土体厚度的8.7%～10.9%。埋深3～7 m土体沉降约为土体厚度的5‰、3‰,埋深7～10 m土体沉降为土体厚度的2‰。检测数据表明,在强夯有效影响深度内地基处理效果明显,土体工程性状改善明显。表层承载力及变形模量满足设计要求,4 m以下淤泥承载力平均值略低于设计要求,下部淤泥质土计算平均固结度为77%。夯后1个月监测数据表明,地表沉降量在25 mm以内,已逐步趋于稳定,分层沉降、孔隙水压力数值整体稳定略有下降。