钙质砂地基单桩承载特性模型试验研究

根据实际工程中单桩受力特点,对足尺桩基进行等比例缩尺,考虑不同埋深、砂土颗粒级配等影响因素,开展室内小尺寸模型单桩的竖向拉拔、水平推移和竖向压载试验,分析桩身变位、变形、轴力等参数与桩基埋深、桩周砂土特性等因素的相互关系,探究钙质砂地基中单桩在不同受力方向下的承载性状,进而剖析钙质砂中桩-土相互作用机制。研究表明,钙质砂地基中,单桩变位、变形特点随着受力方向、埋深、桩周砂土特性等的变化存在明显差异;增大桩的埋深对竖向抗拔桩的意义大过竖向抗压桩;相同条件下桩在承受竖向抗压荷载时,增大埋深的作用主要体现在加载初期,随着荷载的逐渐增大,最终差别将逐渐减小;竖向抗压桩承载过程由以侧摩阻力承载为主发展为以桩端阻力承载为主;颗粒破碎和重分布会引起抗拔桩εmax在加载后期出现衰减;宽级配钙质砂中桩的抗拔能力较强,而单一粒组的钙质砂则在维持桩身稳定方面占优势;桩侧剪碎时的桩侧阻力衰减是随着颗粒破碎逐渐发生的,而桩端压碎时的桩侧阻力衰减主要发生在砂土被压碎瞬间。研究结果对钙质砂地基中的不同功能桩基的优化、设计和施工具有重要指导价值。     

土体颗粒破碎研究进展

在打入桩的桩端以及大型土石坝、海洋平台等的地基中常常会出现高应力区。在这些高应力区中,作为地基的粒状土的颗粒会发生不同程度的破碎。对高应力水平下粒状土体的破碎特性进行深入研究有助于解决这一类型的岩土工程问题。因此近年来土体颗粒破碎逐渐引起人们的重视。本文对土体颗粒破碎研究现状进行了详尽的阐述,并指出研究中存在的问题及今后研究发展方向。     

考虑砂土地基预制桩侧向挤土影响的单桩承载力分析研究

预制桩的沉桩过程产生了对桩周土体的挤密作用,桩周土体的力学特性发生了相应的改变,这种改变会直接影响预制桩桩基础的承载力。利用有限元计算分析方法对砂性土地基预制桩沉桩过程进行了数值求解,得到了桩周土体的位移和应力变化规律;在应力路径控制的三轴试验中,模拟土体在受到预制桩沉桩影响的应力状态,试验研究了标准砂在再受荷载作用时的力学特性;在荷载传递法中,运用桩周土体性质的变化试验结果,进行了有限差分数值分析,得到了考虑和不考虑挤土作用的单桩P-S曲线。研究结果表明：预制桩的沉桩过程对桩周土中的径向和轴向应力都有明显的影响,对径向应力的影响大于对轴向应力的影响;挤土效应提高了桩周土的剪切模量值和强度,影响范围大致相当;考虑沉桩侧向挤土影响单桩承载特性有明显的提高,现行的预制桩设计偏于安全。     

桩体复合地基的拉格朗日法模拟

利用拉格朗日方法,将桩体复合地基分解为桩体、土体和桩土界面3个分离式单元,模拟了非均质地层中复合地基各种应力的分布,以及3个单元的相互影响及响应机理。结果表明,复合地基各种应力的分布受承台大小、桩体间距,及其弹模、土体的性质等多种因素的控制。      

砂土中开口管桩沉桩过程的颗粒流模拟研究

基于颗粒流理论,采用PFC2D程序,模拟再现不同型号开口管桩在沉桩过程中土塞的形成演化规律、土颗粒细观结构变化以及桩周土应力场分布情况,并通过分析土体细观变化模式揭示沉桩过程中宏观力学响应的内在机制。计算结果表明,管桩直径对土塞效应影响很大,外径为30 mm的开口管桩,沉桩过程中土塞增量填充率（IFR）值较小,土塞效应明显,土塞高度小,类似闭口桩;随着管桩直径的增大,土塞效应迅速减小,大直径管桩在砂土中沉桩全部闭塞的可能性很小。细观因素（孔隙率和滑动比例）与土体宏观位移表现之间存在着明显的相互对应关系,并依此将桩周土划分3个区域。桩周土体水平应力、竖向应力和剪应力都在桩底附近形成“应力核”,不同型号管桩桩周土应力场分布相近。     

静压沉桩桩体受力全过程数值分析

沉桩是十分剧烈的桩-土相互作用过程,沉桩过程中桩体受力形态对桩后期承载力和耐久性有重要影响。本文运用有限单元法对静压沉桩进行数值模拟,通过位移控制法实现沉桩,模拟计算沉桩过程中桩土径向压缩和竖向摩擦,对沉桩全过程桩体受力情况进行分析。结果显示,沉桩过程中桩主要承受竖向压应力,尤其沉桩后期桩顶部受到的竖向压应力较大。采用单因素控制法对影响桩体受力的各项因素进行分析,并对各影响因素进行相关性和敏感性分析。分析表明,静压沉桩过程中桩体受力与摩擦系数、内摩擦角、粘聚力和桩尖角呈正相关,与桩径呈负相关,桩尖角对桩体所受竖向应力敏感性较弱。     

易破碎砂土地基中“平底桩”贯入数值模拟分析

桩在贯入砂土地基时所产生的高应力会引起桩周砂土的破碎,在易破碎砂土地基中更为严重。砂土破碎会引起桩基承载力的降低,严重地会导致基础结构物失稳甚至倒塌破坏。针对平底桩贯入易破碎砂土地基所产生的上述问题,引入新近提出的砂土颗粒破碎本构模型,结合耦合欧拉–拉格朗日(CEL)方法在处理大变形计算上的优势,对平底桩贯入过程进行了数值模拟研究。首先,根据Dog’s bay钙质砂的三轴剪切试验结果,确定了砂土破碎模型的模型参数。然后,采用CEL方法对平底桩贯入Dog’s bay钙质砂的离心机试验进行了模拟,模拟结果与试验测量结果吻合,表明所提出的平底桩贯入易破碎砂土地基的模拟方法的有效性和可行性,砂土破碎可明显降低桩基的承载能力。研究结果可为桩基贯入易破碎砂土地基提供设计和施工依据。     

加芯水泥土桩复合地基桩土应力比计算方法研究

桩土应力比是研究复合地基的一项重要参数,目前的研究对象主要为常规复合地基,如搅拌桩、碎石桩等,而针对加芯水泥土桩的计算方法研究鲜有报道。从土体、水泥土及复合桩体单元变形模式出发,综合考虑桩体负摩阻力、桩顶和桩端刺入持力层的情况,分析了桩周土体、水泥土桩及复合桩体的压缩变形,导出了刚性基础下加芯水泥土桩复合地基芯桩、水泥土桩与土体3者之间的应力比的计算公式。并分析了加芯水泥土桩芯桩直径、芯桩桩长及水泥土桩桩长对桩土应力比的影响,其主要影响表现在随着加芯水泥土桩芯桩直径和桩长及水泥土桩桩长的增加,桩土应力比np亦逐渐提高。工程实例表明,计算结果与实测值具有较好的一致性,说明该方法具有一定的工程实用性,可为工程实践提供指导。     

层状地基静压桩贯入过程机理试验

通过在多层软粘土地基中静力压入单桩的室内模型试验,对模型桩在整个沉桩过程中压桩力、桩动端阻力及桩动侧阻力随桩贯入深度的变化情况进行了研究,获得了桩在贯入不同土层分界面时阻力的变化规律以及桩周土体应力的分布特征。并对开口管桩和闭口管桩贯入试验情况进行了比较分析,揭示了不同桩端形式桩在贯入过程中桩动侧摩阻力的发展规律,以及分层土体中开口管桩贯入过程中土塞的变化情况。试验结果表明：在粘性土中沉桩时,压桩阻力主要来自桩端向下穿越土体产生的端阻力,而侧摩阻力较小;由于桩侧水平应力的释放使得同一深度点上的动摩阻力随着桩的下沉表现出不同程度的降低,出现摩擦疲劳。     

U型、W型和螺旋型埋管形式能量桩热力学特性对比模型试验

能量桩是一种可以节省地下空间和施工埋管费用的新技术,目前针对其在供暖和制冷过程中土体和桩基之间的相互作用机制研究却相对较少。基于模型试验方法,系统地研究了饱和砂土中单U型（绑扎和预埋形式）、W型和螺旋型等4种不同埋管形式情况下的能量桩热力学效应、传热和承载特性,测得桩体和桩周土体温度、桩端阻力、水平土压力、桩顶位移以及桩体应变随时间的变化规律。试验结果表明,在相同输入功率情况下W型埋管形式桩体的温度、土体压力、应力和桩顶位移均较螺旋型和U型埋管形式的情况大。     

钙质砂中模型桩的试验研究

根据钙质砂中桩基工程的现状,针对取自南沙群岛永暑礁的钙质砂,设计一个室内模型试验装置来研究钙质砂中钢管桩的承载和变形性能以及影响因素,并进行了石英砂中的对比试验。试验结果表明,钢管桩在钙质砂和石英砂中的表现有着显著差异。钙质砂中钢管桩承载能力很低,仅为石英砂的66%～70%,钙质砂中桩身轴力衰减速率缓慢,桩侧摩阻力远远小于石英砂的,仅为石英砂的20%～27%,并具有深度效应,开口钢管桩和闭口钢管桩的桩侧摩阻力相差不大。同时表明,钙质砂中桩侧摩阻力对相对密度的变化没有石英砂敏感,受相对密度影响很小。由颗粒破碎引起的桩周水平有效应力的大幅降低是造成钙质砂中钢管桩桩侧摩阻力低的主要原因。     

细颗粒组分含量对钙质砂抗剪强度的影响

由于吹填过程的水力分选作用钙质砂土地基颗粒分布不均匀,容易形成分布不均、形态各异的以不同细粒含量的粉细砂层为主的细粒汇集层,引起钙质砂土地基承载力和不均匀沉降问题。开展不同细粒含量的粉细砂三轴固结排水剪切试验,分析细粒含量对钙质砂土力学特性的影响。研究结果表明,（1）当细粒含量增加时相同围压下土样剪胀性逐渐减弱,且峰值偏应力也逐渐减小;（2）各组试样干密度为1.40 g/cm3状态下各含量粉细砂均表现出应变软化特征,当细粒含量为10%时粉细砂土体强度稳定性最差,之后稳定性随细粒含量增加而逐渐增大;（3）钙质细砂由于颗粒咬合作用,具有表观黏聚力,当细粒含量小于40%时,随着细粒含量增加,颗粒之间的咬合作用显著降低,表观黏聚力线性减小。研究成果可为粉细砂层的地基处理及边坡稳定分析提供参考。     

钙质砂抗剪强度特性的环剪试验

珊瑚礁沉积的钙质砂与石英砂的物理力学性质有较大差别。对取自南海岛礁的钙质砂进行了单次往返环剪试验以分析钙质砂的抗剪强度特性,试验中考虑了相对密实度和竖向应力对结果的影响,并与相同级配和试验条件下的石英砂进行对比分析。结果表明：钙质砂正向剪切时应力-位移曲线为软化型,具有明显的残余强度特性,而反向剪切时则表现为硬化型,正向和反向剪切强度基本一致;石英砂正向剪切和反向剪切均表现为软化型。钙质砂正向剪切和反向剪切残余强度与峰值强度的比值在0.75～0.93之间;石英砂正向剪切和反向剪切残余强度与对应峰值强度的比值在0.89～0.96之间。相同级配和试验条件下,钙质砂残余强度均大于石英砂,且强度比值基本保持在1.05～1.3之间。在100、200 kPa竖向荷载作用下,钙质砂0.5～2.0 mm的颗粒发生了破碎,破碎率分别为4%和6%。     

考虑颗粒破碎的钙质砂修正邓肯-张E-B模型

在常规应力水平下颗粒发生破碎是钙质砂有别于其他砂土的重要性质之一,且由于颗粒破碎的存在,使用传统的本构模型无法很好地模拟钙质砂的力学行为。因此本文以最为普及的本构模型之一--邓肯-张E-B模型为基础,对其进行颗粒破碎方面的修正以得到一个能用于钙质砂的本构模型。具体方法为:首先本文采用Hardin提出的相对破碎Br这一指标来度量颗粒破碎的大小。之后研究分析得出了颗粒破碎对邓肯-张模型参数(内摩擦角φ、割线模量E50及体积模量B)的影响规律。然后通过颗粒破碎与输入能量之间的关系将各状态下无法直接确定的相对破碎Br与可确定的应力-应变状态联系起来。最终得到了一个考虑颗粒破碎的钙质砂修正邓肯-张E-B模型。为验证模型的准确性及适用性,本文还使用该模型对4种不同粒径范围且试验围压不同的钙质砂的三轴排水行为进行了模拟。结果表明拟合效果较好,模型能适用于各种不同粒径范围的钙质砂,并且在颗粒破碎较大的情况下明显优于传统邓肯-张模型。     

颗粒破碎对钙质砂压缩特性影响的试验研究

利用南海钙质砂和阿拉伯湾钙质砂,进行侧限压缩试验,对其压缩特性进行分析,得到了相应的压缩指数;采用相对破碎率为度量指标,评价了钙质砂在压缩试验过程中的颗粒破碎情况。同时根据试验数据得到了不同初始相对密实度的砂样的塑性功,通过建立塑性功与相对破碎率以及塑性功与压缩指数之间的关系,探讨了颗粒破碎对钙质砂压缩特性的影响。研究显示,在本次试验条件下,颗粒破碎是导致钙质砂压缩变形的主要因素,钙质砂的中值粒径以及碳酸钙含量等因素对其颗粒破碎程度有明显影响;钙质砂的相对破碎率与其输入的塑性功有关,并且受到初始相对密实度的影响,采用相对密实度进行归一化后,两者呈现较好的幂函数关系;通过建立钙质砂压缩指数与塑性功之间的关系,进一步建立了钙质砂的压缩指数与相对破碎率之间的关系,经相对密实度归一化后,两者也呈现幂函数规律,此规律可以用于评价颗粒破碎对钙质砂压缩特性的影响。     

钙质砂颗粒内孔隙的结构特征分析

钙质砂是一种碳酸钙含量达50%以上的海洋生物成因的颗粒状材料。从微观结构上来看,钙质砂颗粒棱角度高、形状不规则、强度低、易破碎,且颗粒含有内孔隙。内孔隙的存在深刻影响着钙质砂的压缩、剪切和破碎等力学性能。利用激光技术对南沙群岛永暑礁环礁泻湖的未胶结钙质砂颗粒进行飞秒切割,通过光学显微镜探查并获取了颗粒的内孔隙图像,借助MATLAB图像处理软件,对钙质砂颗粒的内孔隙进行了定量分析。结果表明：较大颗粒钙质砂的内孔隙断面孔隙度相对较大,小孔隙数量较多,而大孔隙所占空间则较大;对于1 mm以上的钙质砂,缝隙状内孔隙含量远低于等轴或不等轴孔隙,等轴与不等轴内孔数量大致相等。     

颗粒级配与形状对钙质砂渗透性的影响

钙质砂是富存于热带海洋环境（包括中国南海海域）中的一种特殊岩土介质,具有不同于陆源砂的水理性质。采用传统常水头渗流试验,首先探究了不同不均匀系数和曲率系数条件下级配对钙质砂渗透性的影响。针对钙质砂的颗粒形状特性,采用扫描电镜（SEM）与图像处理技术,引入球度 和圆度X的比值 从三维空间角度上对颗粒形状进行了定量描述。并在粒径区间、相对密实度相同的条件下,通过与福建标准砂、玻璃珠进行对比试验来考察钙质砂渗透特性,从而进一步探究颗粒形状对钙质砂渗透性的影响。试验结果表明,钙质砂渗透性随着颗粒粒径不均匀系数和曲率系数的增大而增大,符合级配对一般砂土渗透性的影响规律;钙质砂颗粒形状具有较强的结构性和不均匀性,同等密实度下钙质砂的渗透性小于陆源的石英砂。本研究获得的钙质砂渗透规律对今后南海岛礁填筑和海上平台基础工程设计具有一定的指导意义。     

Experimental study on the mechanical behaviors and particle breakage characteristics of calcareous sand from South China Sea under repeated one-dimensional impacts

The behavior of calcareous sand under repeated impact considerably differs from that of silica sand. Notably, calcareous sand is important in engineering projects in the South China Sea, such as pile driving. To understand the behavior of calcareous sand under multiple impacts, the improved split Hopkinson pressure bar (SHPB) system was selected for one-dimensional impact tests of silica and calcareous sand with particle sizes of 0.25–0.50 mm. The sand specimens were impacted 1, 3, 7 and 10 times. The test results reveal that the dynamic apparent stiffness of silica sand is approximately 6–8 times that of calcareous sand. The dynamic apparent modulus values of the two sands increase with an increase in the number of impacts, N. For calcareous sand, the compression index C_c decreases with an increase in N, and silica sand shows the opposite trend. The yield pressure p_c of calcareous sand under impact loading is approximately 40% of that of silica sand. With an increase in N, the energy absorption capacity, energy dissipation rate and damage variables of the two sands exhibit a downward trend. In addition, the energy absorption efficiency of calcareous sand is better than that of silica sand. During the process of impact, a large number of sand particles will break, and particle breakage will change the particle size distribution (PSD), thereby significantly affecting the physical and mechanical properties of the corresponding soil. Based on the test results and fractal theory, an evolution model is established to characterize the PSD evolution in the breakage state for uniformly graded calcareous sand. Moreover, a Markov chain model is proposed to describe the PSD evolution of nonuniformly graded specimens. The predicted results of both models show agreement with the experimental values.

     

Bio-mediated calcium carbonate precipitation and its effect on the shear behaviour of calcareous sand

Calcareous sands have abundant intraparticle pores and are prone to particle breakage. This often leads to poor engineering properties, which poses a challenge to coastal infrastructure construction. A study using bio-cementation to improve the engineering properties of calcareous sand is presented in this paper. The macro- and microscopic properties of bio-cemented calcareous sand were characterized by drained triaxial tests and scanning electron microscopy observations. Experimental results show that the precipitated calcium carbonate can effectively fill the intra- and interparticle pores and bond adjacent particles, thus enhancing the shear strength of calcareous sand. The special structures (e.g. abundant intraparticle pores and rough surface) and mineral components (i.e. calcium carbonate) of calcareous sand are beneficial for improving bacterial retention in soil, which leads to a relatively uniform and dense calcium carbonate distribution on the sand particle surface, exhibiting a layer-by-layer growth pattern. This growth pattern and the abundant interparticle pores would result in less effective calcium carbonate. The strength enhancement of bio-cemented calcareous sand is significantly lower than that of bio-cemented silica sand at the same calcium carbonate content, which may be caused by the differences in the following: (a) soil skeleton strength; (b) the amount of effective calcium carbonate; and (c) interparticle pore-filling of calcium carbonate.

     

桩-土间剪切应力的传递探讨

对不同情况下桩-土间剪切应力进行了初步的理论分析,并基于ADINA有限元程序,对不同情况下的桩-土间剪切应力进行了计算对比分析。结果表明,同种土体和桩体条件下,各种模式达到极限状态时桩-土间剪切应力不同,堆载作用下负摩擦力值最大,抗拔桩负摩阻力值最小,桩顶受压桩、托桩的摩阻力值介于其间;桩材泊松比在0.15～0.35范围内时,桩侧摩阻力随泊松比的增大而增大。所得结论有助于进一步认识桩-土相互作用规律以及桩-土荷载传递机制。