孔隙变化对吹填土地基真空预压固结的影响

吹填地基真空加固过程中,吹填土由液体泥浆变为固态土体,其孔隙降低非常大。由于土体的渗透性和压缩性是孔隙比的函数,因此,吹填土在固结过程中固结系数变化很大,而现行设计方法中固结系数取为常数,这导致预测结果和实际结果差异较大。为考虑固结过程中孔隙变化对固结过程的影响,推导了真空荷载作用下土体固结系数与有效应力的关系,并将该关系应用于巴隆固结理论,从而建立吹填土地基真空固结分析模型。通过室内模型试验,验证了该模型的合理性。计算结果表明,考虑孔隙变化的影响时,吹填土地基前期固结速度快,而在后期逐渐变慢。由于排水面附近土体渗透系数迅速降低,阻碍了周围土体中孔隙水向排水面排出,因此,与现行固结设计方法计算结果相比,吹填土地基后期固结速度慢,总体固结时间长。     

淤填黏土固结过程中孔隙比的变化规律

针对土坝黏土铺盖裂缝的淤填固结问题,在充分考虑固相、液相连续性条件和平衡条件的情况下,建立了以孔隙比为控制变量的微分方程。选用两种黏性土进行渗透诱发固结试验,确定各自的孔隙比、渗透系数、有效应力之间的关系。采用软件Matlab的内置函数求解微分方程,得到孔隙比的时空分布曲线。通过试验对数值计算结果进行了验证,结果表明,数值计算得到的孔隙比分布曲线与实测的孔隙比分布曲线基本吻合,具有相同的分布规律,为研究土坝铺盖裂缝处淤填土的固结问题提供了科学依据。     

固结与荷载耦合作用下吹填土力学性质与微结构参数关联性

固结条件与荷载条件对吹填土的力学特性具有明显的影响,且土的微观结构特征是决定其宏观力学性质的本质因素,为了研究吹填软土力学特性在不同固结条件和荷载条件下的变化规律及与微结构参数的关联性,对天津滨海新区重塑吹填软土进行不同初始固结条件与荷载效应综合作用下的蠕变试验和微观结构测试,研究此条件下吹填土力学特性的变化规律,并通过灰色关联度理论建立宏观力学参数与微结构参数之间的关联性。试验结果表明:稳定性蠕变对吹填软土强度的增长起到积极作用,有偏压固结较无偏压固结强度增长更快,且初始固结越充分,强度增长越快;随蠕变时间的增加,颗粒的等效直径、形态比和圆度呈增大的趋势,而颗粒和孔隙的数量与周长、孔隙的等效直径、形态比和圆度则呈减小的趋势;抗剪强度指标C,φ值随颗粒等效直径、形态比和圆度的增大而增大,但随颗粒和孔隙的数量与周长、孔隙的等效直径、形态比和圆度的增大而减小。关联度分析表明,颗粒（孔隙）等效直径和圆度是影响吹填土力学性质演化的重要微结构参数,固结与蠕变越充分,土体微结构参数调整越稳定,强度越高。     

吹填场区软黏土地基的次固结特性研究

针对天津中心渔港吹填场区软黏土地基进行了一系列的固结压缩试验,获得应力、应变与时间的关系,对比分析了吹填土层和天然沉积土层的固结和次固结特性,为吹填场区软黏土地基变形模型建立及长期工后沉降预测提供理论依据。研究表明,吹填土和天然沉积土的应变速率与时间双对数曲线具有很好的线性相关性;处理后吹填土含水率和压缩性较低,天然沉积土含水率和压缩性高;随荷载P增大,吹填土的次固结系数Ca?变化不大,天然沉积土的次固结系数Ca先增大后减小,最终趋于稳定;次固结系数Ca与压缩指数Cc具有良好的线性相关性,其随时间的增加均呈对数下降趋势。     

正常固结软土渗透系数与固结应力关系研究

从固结系数的定义出发,将压缩系数视为变量,建立了渗透系数与固结应力的微分方程,求得了软土正常固结状态时,考虑前期固结压力的渗透系数随固结应力变化关系表达式。利用室内试验数据,将提出的公式与现有渗透系数与固结应力关系式、试验结果进行对比。研究表明,所提出的公式能较好地反映渗透系数随固结应力变化的特点,比未考虑前期固结压力的计算式更接近于实际情况,从而为实际工程中预估固结变形速率提供了一种较为准确的方法。     

线性加载条件下考虑应力历史的饱和黏土一维非线性固结渗透试验研究

为研究线性加载条件下不同应力历史的饱和黏土的渗透性,利用改装后的GDS三轴仪进行了一维固结渗透联合试验,对陕西洛川粉质黏土重塑样的渗透系数变化规律进行了研究。研究结果表明,正常固结与超固结饱和黏土的渗透系数均随固结应力的增大而呈非线性减小,且两者的孔隙比与渗透系数随固结应力的变化趋势一致。处于超固结状态土体的压缩性和渗透性要比处于正常固结状态小得多。在同一固结应力下,渗透系数和孔隙比均随渗透压差的增大而减小。最后,将实测值与文献[12]中修正后的达西渗透系数公式、修正后的柯森-卡门公式、斯托克斯孔隙流渗透系数公式以及固结度渗透公式计算得到的渗透系数进行了比较。结果表明,用修正后的柯森–卡门渗透系数公式计算得到的渗透系数与实测值吻合较好,因此,推荐使用修正后的柯森–卡门渗透系数公式来预测洛川饱和黏土渗透系数。     

应力历史对饱和软土固结系数的影响

为了探究不同固结状态下的饱和软土固结系数的变化规律,在太沙基固结理论的基础上,利用渗透系数和孔隙比的关系、孔隙比和固结应力的关系,分别推导出了在正常固结和超固结状态下固结系数（C_v）随固结应力变化的关系式,将关系式代入Terzaghi方程,进而获得考虑应力历史和固结应力影响的修正Terzaghi一维固结方程;通过室内固结试验和工程应用分析对固结系数关系式和修正的Terzaghi一维固结方程的准确性进行验证.结果表明,对于正常固结的软土,当固结应力小于前期固结应力时,固结系数随应力的增大而增大;当固结应力大于前期固结应力时,固结系数随应力的增大而减小.对于超固结状态的软土,固结系数随应力的增大而增大,最后趋于平缓.当上覆荷载较小时,修正前后的Terzaghi一维固结方程计算结果相近;但当上覆荷载较大时,修正后的Terzaghi一维固结方程计算的固结度明显滞后于修正前的计算结果.前期的应力历史和后期的固结应力对软土固结系数的影响是不容忽视的,修正后的Terzaghi一维固结方程更能真实反映土体的固结性状.      

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。     

真空预压下软土渗透系数对固结的影响

考虑正常固结状态下前期固结压力对渗透系数的影响,利用ABAQUS软件,将渗透系数随固结应力的变化关系应用于真空预压下单井的三维有限元计算。计算结果表明,考虑渗透系数随固结应力的变化,其表面沉降要比渗透系数保持不变的沉降量小,固结过程较慢,相应的固结时间要长;前期固结压力越大,表面沉降将越小,达到相同固结度时所需固结时间也越长。     

分级真空预压法加固吹填土过程中孔隙分布特征

针对实际工程中吹填土自重固结时间过长和真空预压加固过程中排水管容易淤堵、固结、速度减慢的问题,提出了分级真空预压即逐级施加真空荷载的加固方案,进行了室内模拟试验。试验结果表明：吹填土在固结过程中含水率逐渐减小,易溶盐含量逐渐减小,土体强度逐渐增大,吹填土的物理化学性质得到改善,土体固结效果较均匀;同时对吹填土固结过程中取样进行压汞试验,利用分形理论划分了吹填土孔隙分布区间。探讨了固结过程中孔隙分布特征的变化规律：随着固结压力的增加,吹填土中超大孔隙和大孔隙先被压缩成中孔隙,中孔隙再被压缩成小孔隙;孔径分布由大孔隙集中分布(占50%以上)向中孔隙(占35%以上)和小孔隙(占35%以上)发展。     

考虑前期固结影响的吹填软土安全运营阶段微结构演化特征

天津滨海新区吹填土为高黏粒含量细粒土,具有孔隙比大、压缩性高、强度低等特点。虽然成土时间短,但具有一定的结构性。土体微观结构决定土体的力学性质,在工程实际中,经过固结处理后的吹填土在安全运营阶段由于上部荷载的持续作用,结构性也会发生变化。为了研究此过程中微结构演化特征,本文试验土样为天津滨海新区重塑土,将其进行先期固结与后期不排水蠕变试验,模拟固结排水地基处理后吹填土安全运营过程,并在此过程中取样进行微结构制样及电镜扫描,定量化分析微观参数的演化规律。试验结果表明:经过固结排水后的吹填软土在持续荷载作用下,土中颗粒和孔隙数量都呈减少趋势,颗粒等效直径、形态比都增大,孔隙等效直径、形态比则呈相反趋势,且在蠕变初期这些变化较为明显,后期变化逐渐趋于平稳。前期固结时间越长,蠕变开始时结构性参数体现出土体结构性越强,固结过程中偏压和固结时间对土体结构性的影响一致。     

粘土固结参数变化的分析

本文依据土力学中已建立的基本概念,通过试验研究,首先找出正常固结粘土的渗透系数K与孔隙比e的关系,压缩系数a_V与孔隙比e或有效固结压力σ′的关系,从而推导出固结系数C_V与孔隙比或有效固结压力的关系表达式。分析不同土类固结系数的变化,归纳出三种典型的情况,即:C_V随e的减小而减小;C_V随e的减小而增大和C_V基本上与e无关。并指出特殊土类的C_V有特殊的变化规律。其次,分析了固结指数m变化的物理依据,讨论了m值与有效固结压力和上层厚度H的关系,最后,说明C_V和m变化的相互关系以及实用计算中应注意的问题。     

分级连续加载条件下原状膨胀土固结变形研究

由固结系数Cv与有效应力 和孔隙比的关系,推导了考虑固结系数变化的分级连续加载固结控制方程。根据方程的解析解得到了分级连续加载的沉降计算公式。结合云桂高速铁路建设,以高路堤分段堆载方式为研究依据,在GDS三轴试验系统开展原状膨胀土分级连续加载K0固结试验。结果表明：沉降与时间关系在加载期呈折线式发展,稳载期呈双曲线变化;膨胀土的应力-应变关系呈阶梯式变化;当 ≤ 时,固结系数随有效应力呈先增大而后减小,当 ＞ 时,固结系数随有效应力呈波动持续减小。固结度理论计算值与试验结果相比,考虑固结系数变化的固结度计算比固结系数为定值更准确。分级连续加载沉降计算公式可作为分析高速铁路路基沉降-时间关系的参考方法。     

考虑渗透系数变化的非饱和土固结性状分析

基于Fredlund非饱和土一维固结理论,研究了有限厚度的表面透水透气、底面不透水不透气的线弹性和黏弹性非饱和土地基在加荷随时间指数性变化时的一维固结特性。分别得到了两类地基在固结过程中同时考虑液相、气相渗透系数非线性变化和仅考虑液相渗透系数变化两种情况下的半解析解答。利用典型算例进行计算,分析了不同情况下两类地基中超孔隙水、气压力消散以及地基固结度随时间的变化规律,并与不考虑渗透系数变化时的半解析解计算结果进行了对比。结果发现：固结过程中渗透系数呈非线性变化;只考虑液相渗透系数变化时,超孔隙气压力的消散变化不大,超孔隙水压力的消散加快;气相渗透系数变化对超孔隙气的消散产生明显影响,对超孔隙水压力消散影响不大。同时考虑液相和气相渗透系数变化时,土体中超孔隙水、气压力的消散均有明显变化,土体固结速度也相应加快;分析结果对非饱和土固结的进一步研究具有重要意义。     

天然沉积饱和黏土渗透系数试验研究与预测模型

为研究天然沉积土的物理特性、结构状态与应力水平对其渗透特性的影响,采用固结渗透联合试验,对太湖湖沼相粉质黏土原状样与具有不同前期固结压力的重塑样的渗透系数变化规律进行了测定。原状样和重塑样的渗透系数均随固结压力的增大呈非线性减小,且两者的孔隙比与渗透系数的变化模式相一致;而前期固结压力仅影响渗透系数大小。试验结果表明：土体渗透系数随孔隙比的变化规律不受土结构性（颗粒间胶结作用）和应力历史的影响;对于同一土体,渗透系数大小主要由孔隙比决定,进而对试验和相关文献中不同土体渗透系数在压缩过程中变化规律进行了分析,建立了线性的lg(1+e)-lgkv渗透模型,并考虑了液限的影响,对渗透指数 的经验关系进行了修正,修正后的 计算结果更接近于实测值。研究结果对准确分析原位地基实际受荷过程中非线性固结性状具有重要意义。     

南海岛礁吹填钙质砂渗透特性试验研究

南海吹填钙质砂的渗透性对于岛礁地下淡水的形成至关重要。通过室内常水头渗透试验研究了吹填钙质砂的级配、孔隙比和渗透性之间的相互关系,开展了相同级配钙质砂在不同孔隙比下的渗透性试验,研究了不均匀系数和曲率系数对钙质砂渗透系数的影响规律。试验结果表明,钙质砂的渗透系数和10~e(e为孔隙比)有很好的线性关系,并且与不均匀系数、曲率系数和颗粒粒径都有很好的相关性;通过对室内试验结果考虑多因素的分析,建立了钙质砂渗透系数计算模型,该模型公式可为岛礁吹填土层的渗透性评估和新填岛礁地下淡水的形成分析提供参考。     

天津滨海吹填土结构强度增长机理

为了研究影响天津滨海吹填土结构强度增长的因素,分析了等效荷载、有效应力增量、孔隙比和含水量与结构强度之间的关系,得出随着等效荷载和有效应力增量的增大,吹填土的结构强度呈增高的趋势。含水量和孔隙比越大,吹填土的结构强度越低。研究认为,吹填土结构强度的形成与吹填土的排水固结密切相关。吹填土在真空预压条件下,排水固结过程分为早期空气排出、真空渗流场作用下的渗透固结和真空条件下的水分气化排出3个阶段。      

吹填土自重沉淤阶段孔隙水压力消散的试验研究

利用真空预压法处理吹填土时,细颗粒常堵塞排水管,导致土体排水不畅。为提高吹填土固结效率,采用自重沉淤排水与加负压排水固结相结合的方式在室内进行吹填土固结试验。试验第一阶段用排水管作为吹填土自重沉淤的竖向排水通道;第二阶段以装入中粗砂的排水管作吹填土排水通道,同时也是压力传递通道。试验监测到吹填土固结过程中不同位置孔隙水压力的变化,通过监测数据着重研究自重沉淤排水阶段吹填土的固结规律。借助渗流平衡方程确定吹填土在自重沉淤阶段孔隙水压力变化主要由排水管中水位、单位土面积控制,解释自重沉淤阶段孔隙水压力变化机理。同时,为了减小由于排水距离远近造成的固结不均,利用自重沉淤与加压固结结合的方法使吹填土达到较为理想的固结效果,将砂井设计理论与孔隙水压力变化曲线相结合确定排水管有效排水范围等效直径,为实际工程提供排水管间距的设计参数。     

考虑固结参数变化时砂井地基的非线性径向固结

传统的砂井地基径向固结理论基于小应变理论,所以假设固结过程中体积压缩系数 和水平渗透系数 为常数。然而,固结过程中的 和 均随孔隙比 的减小而呈非线性变化。在Hansbo理论基础上,引入普遍压缩方程和普遍渗透性变化方程来分别表示正常固结土的 - 和 - 的非线性变化关系,得到砂井地基非线性径向固结解,并与前者进行对比分析,探讨了非线性固结参数 和加荷比 对固结过程的影响。结果表明： 和 是控制砂井地基非线性径向固结过程的两个重要因素。     

水泥与生石灰处理吹填土对比试验研究

吹填土是由水力吹填形成的,颗粒很细,固结性能差,吹填以后要经过很长时间才能自然沉积固结,待表面形成硬壳后方可进行加固处理,因此,缩短沉积固结时间,使吹填土尽快地从泥浆状态转变为具有一定承载力的地基,是亟待解决的问题。在室内进行模拟加固方法的沉降柱试验,对吹填土加添固化剂以加速其沉积固结。固化剂主要选用水泥和生石灰,对两种添加方式的机理及固结效果进行详尽的分析和研究,初步找出加固效果产生差异的原因,从而揭示其固化机理,为吹填土地基的加固提供一种更加经济可行的方法。