吸力式沉箱基础底部土体卸荷蠕变及其长期抗拔承载特性研究

饱和软黏土地基中吸力式沉箱基础在上拔过程中其底部土体为轴向卸荷状态,目前对软黏土卸荷蠕变以及吸力式沉箱长期抗拔承载特性研究较少。因此,进行了不同围压下软黏土三轴固结不排水卸荷蠕变试验以及吸力式沉箱基础长期抗拔试验,分析了沉箱底部土体卸荷蠕变特性以及吸力式沉箱基础长期抗拔承载特性。卸荷蠕变试验结果表明：在偏应力较低的情况下,土体卸荷蠕变变形可忽略不计,土样变形主要为瞬时变形。随着轴向卸荷应力增大,软黏土蠕变变形越大且非线性蠕变特性愈加明显。根据卸荷蠕变试验结果,提出与应力水平相关的蠕变模型,揭示了模型中3个参数在相同围压下随应力水平的增大而近似呈线性减小的变化规律。然后将该模型从一维扩展至三维,并开发UMAT子程序,通过有限元验证该模型的合理性。同时将该模型用于吸力式沉箱基础抗拔承载力分析中,并与吸力式沉箱模型长期抗拔试验结果进行了对比验证。     

k0固结条件下淤泥土排水蠕变特性研究

利用室内试验研究土体蠕变特性时,因受试验条件限制较少开展土体的排水蠕变特性试验研究。对于先还原土体的先期固结条件,然后再开展土体的三轴排水蠕变特性试验的研究更少。为此,以淤泥土为研究对象,通过 固结三轴排水蠕变试验探讨了饱和淤泥土在轴向加载和侧向减载条件下的排水蠕变特性。由试验数据可知：排水条件下,两种应力路径的轴向蠕变规律基本一致,体积应变明显小于轴向应变,且随时间的延长呈现一定程度的剪缩与剪胀交替性。首次利用三单元力学模型推测出淤泥土的蠕变起始时间为施加偏应力荷载后的100～200 min之间。提出淤泥土蠕变系数的概念并总结其变化规律,得知淤泥土的蠕变系数与偏应力水平密切相关,即不论围压及加载方式如何,蠕变系数均随应力水平增大而增大,且基本呈直线关系,而与前期固结围压大小、蠕变荷载施加方式关系不大。最后提出了淤泥土蠕变本构模型建立的思路,即用南水双屈服面模型描述瞬时变形量和用蠕变经验公式描述蠕变变形量相结合的方式来建立蠕变本构模型。     

软黏土蠕变特性试验研究：回顾与发展

大量的室内和现场试验表明软黏土存在长期变形难以收敛的问题,为了更深入地认识软黏土的蠕变特性,首先,从微观物理化学角度探讨蠕变机制;然后,深入分析一维应力条件下次固结系数的演变规律以及确定方法和三轴排水、不排水蠕变特性及黏土的长期抗剪强度、室内旁压试验和现场试验等复杂应力下的黏土蠕变特性等,并且讨论黏土蠕变特性与应变速率和应变松弛特性在一维和三轴条件下的关联性;最后,从黏土次固结特性与微观结构的相关性、如何准确描述次固结系数的非线性及蠕变过程中应力剪胀剪缩关系发展等三方面更深入地探讨软黏土蠕变特性。     

软土蠕变固结特性研究

通过大量对比试验系统研究了广东典型软土的蠕变固结特性和计算模型。试验结果表明：软土的固结和次固结在变形中所占比例和发生受多种因素影响,包括初始荷载、加荷比、土体固结度、含水率、孔隙比;次固结系数与土体的应力历史、当前固结状态及加荷比有关,在预压荷载下会明显减小;次固结系数与压缩指数之比一般为常数,其值在0.025?0.10之间;剪切蠕变特性与土体所承受的固结压力有关,土样蠕变规律呈应变硬化特征;三轴蠕变特性与排水条件关系密切,固结作用可以削弱蠕变效应;同等加荷条件下,偏应力-轴向应变关系在排水剪切中呈线性关系。而在不排水剪切中呈非线性,并有明显的屈服特征;不排水剪切条件下持续加荷的加荷方式可以适当提高不排水强度。根据上述试验成果分别从考虑非线性本构关系和考虑排水条件分析了蠕变固结模型的建立路径。     

应力路径对饱和软黏土割线模量的影响

在基坑、隧道开挖等过程中,不同部位的土体会经历不同的应力路径,在不同的应力路径下,土体可能表现出截然不同的静力学特性。同时,在工程实际中,土体的工作应变经常处于小应变范围,而在小应变情况下,土体的静力特性表现出更强的非线性和应力路径依赖性。基于广泛分布于东部地区,并且表现出诸多不良工程特性的软黏土,进行一系列不排水和排水条件下的应力路径静力试验,以研究应力路径对饱和软黏土静力特性,尤其是小应变情况下割线模量的影响。试验结果表明,不管在不排水还是在排水条件下,应力路径都对饱和软黏土的静强度产生巨大的影响,表现为围压增加的加载应力路径增大了静强度,而围压减小的卸载应力路径降低了静强度。同时,应力路径对割线弹性模量产生了更大的影响,围压增加的加载应力路径降低了割线模量,而围压减小的卸载应力路径增大了割线模量。应力路径对割线模量的影响在小应变时表现的更加明显,而这种影响主要原因是应力路径方向改变造成的土体各向异性。     

典型基坑开挖卸荷路径下软土三轴流变特性研究

模拟基坑开挖下的卸荷路径,进行了不同卸荷条件下包括围压、卸荷路径和排水的卸荷流变试验。试验结果表明：软土在竖向卸荷试验中的回弹变形可分为瞬时回弹变形和滞后回弹变形;在应力控制式三轴试验中,围压和轴压同时卸荷时的初始变形速率较大;仅卸轴压时回弹滞后效应明显,而围压、轴压同时卸荷时由于土体产生剪切变形引起负孔压,使土体回弹滞后效应不明显;在相同卸荷路径下,排水剪切时由于土体吸水膨胀使得流变特性更明显些,且产生的负孔压最终会消散。根据试验成果,建立Merchant流变模型参数与卸荷条件的线性函数关系,并将函数关系代入Merchant模型,最终得到能考虑围压及卸荷路径影响的软土卸荷流变经验模型。研究结果为软土流变变形模型研究及卸荷后基坑变形研究提供了参考。     

软土在不同应力路径下的力学特性分析

通过固结不排水剪应力路径试验对广州南沙典型软土在不同固结条件的力学特性进行了系统研究。分析了初始固结状态对软黏土应力路径依赖性的影响,比较了不同应力路径下土的应力-应变关系特征和孔隙水压力变化规律,探讨了孔压分布与土体变形特征的关系,认为侧向卸荷会造成剪应力增加、体应力减小,从而使土体产生剪胀趋势。研究结果还表明,不排水条件下的有效应力路径主要与土样初始固结状态有关,因而同一固结状态下的有效应力路径具有唯一性。另外,试验中的剪切控制方式对有效应力路径有明显影响,但对土体抗剪强度的影响可以忽略。     

滨海新区浅层软土卸荷变形性状试验研究

天津市滨海新区的城市开发建设正步入高速发展阶段,出现了大量的深基坑工程等地下工程,工程建设的需要使得针对滨海软土各种性状尤其是卸荷性状的研究成为必然。通过对天津市滨海新区浅层淤泥质粘土原状饱和试样进行的一系列ko固结不排水三轴卸荷试验,研究土体卸荷路径下的变形特性。试验表明,滨海新区浅层土体的变形性状与应力路径密切相关。在侧向及竖向卸荷条件下土样的应力-应变曲线均可用双曲线函数模拟,且土体初始卸荷模量随固结围压的增加而增加;侧向与轴向卸荷条件下,滨海新区浅层软土均有着比较明显的归一化性状,其应力-应变关系随着固结围压线性变化。     

饱和软黏土动力学特性循环扭剪试验研究

以饱和软黏土的循环扭剪试验研究为基础,阐明不固结不排水条件下饱和软黏土的动力学特性。在循环扭剪和循环三轴两种不同试验应力状态下,通过研究不同围压和不同静、动应力组合下饱和软黏土的应力等效破坏关系和应变等效破坏关系,提出在循环荷载作用下饱和软黏土的循环破坏同样遵循Mises屈服准则,且在Mises屈服准则下,饱和软黏土的循环强度趋于不变量。循环破坏的过程可以等效为一种拟静力弹塑性循环蠕变,建立了饱和软黏土循环累积变形随静荷载、循环荷载以及循环破坏振次之间的关系式。上述结论分别从应力和变形两个方面阐述饱和软黏土的动力学特性,与试验应力状态和围压无关,可以推广到一般应力状态下。     

天津市区第一海相层粉质黏土卸荷变形特性的试验研究

通过对天津市区地层中第一海相层底部的粉质黏土原状饱和试样进行的一系列K0固结不排水三轴卸荷试验,研究土体卸荷路径下的变形特性。试验表明,该种土在卸荷条件下应力-应变曲线可用双曲线形式模拟,而且存在比较明显的归一化性状,其初始切线卸荷模量与固结围压成正比。研究成果对天津市区基坑开挖及支护结构设计计算、软土隧道施工研究及其他相关岩土工程问题的研究均有较大的实用价值。     

上海黏土压缩回弹变形的微观机理

黏土变形微观机理的研究过去多针对土体加载压缩开展,随着研究的深入,黏土卸载回弹变形的微观机理也逐步得到重视,但目前对此研究还很少。本文采用单向压缩及回弹试验、扫描电镜及压汞试验对上海黏土压缩及回弹变形过程中土体的微观特性及其变化进行了研究。研究结果表明,微观结构参数的变化能反映黏土的宏观变形特征。在加载过程中,随固结压力增加,土体孔隙体积减小,孔隙数量先增加再减小,孔隙平均形状系数的增加先急后缓,孔隙形态分维数先急剧减小后缓慢减小。在卸载过程中,随固结压力减小,孔隙数量增加,平均形状系数略有减小,孔隙形状分维数略有增加。加载压缩过程中,固结压力较小时中、小孔隙体积所占比例变化不大,而当固结压力较大时小孔隙所占比例显著增加、中孔隙所占比例明显减小。在卸载回弹过程中,各级固结压力下小孔隙都占绝对优势,但固结压力较大时中孔隙所占比例较大,而固结压力较小时中孔隙所占比例较小,黏土卸载回弹变形主要是小孔隙体积的少量增加。     

不同排水条件下软土蠕变特性与微观孔隙变化

对东莞软土进行了固结排水与固结不排水三轴蠕变试验、原状样与蠕变后试样水平测面微结构的扫描电镜试验,分析了不同排水条件的软土蠕变特性与微观孔隙变化规律。结果表明,不同排水条件对试样应变-时间、应变-偏应力关系产生较大影响,土样在不排水条件下屈服破坏,蠕变变形明显;在排水条件下则未有明显屈服,排水过程中的固结效应使其蠕变非线性弱化。蠕变后土样可见大孔隙减少、小孔隙数量增加、形状趋向圆状发展、定向性略有增加,不同排水条件下微观孔隙变化是土体蠕变表现差异的微观内因,孔隙特征的渐变过程揭示了软土蠕变变形的微观机制。     

深部人工冻结黏土三轴蠕变试验研究

通过将试样等向固结再冻结, 然后保持轴压不变进行径向卸载的实验方法, 获得深部冻结黏土在复杂应力状态下的蠕变变形规律. 对冻黏土进行了大量的三轴蠕变试验, 得到了在冻结温度不同和固结围压不同条件下的蠕变试验结果. 结果表明: 在较低的偏应力水平下, 试样只发生前两个阶段的蠕变变形, 且蠕变变形量超过总变形量的70%; 当试样偏应力值高于某一临界值时会出现加速蠕变阶段, 蠕变变形量超过总变形量的80%. 可以用改进的Zienkiewicz-Pande抛物线型屈服准则来描述加速蠕变阶段的临界应力.     

软黏土加载速率效应特性试验研究:进展与趋势

大量的室内和现场试验都表明,软黏土的强度与变形速率相关。为了更深入地认识软黏土的加载速率效应特性,首先分析了一维应力条件下先期固结压力和三轴应力条件下不排水抗剪强度的加载速率效应及应力-应变关系的归一化,探讨了一维和三轴条件下的5个速率方程(2个指数形式和3个对数形式)在拟合黏土先期固结压力和不排水强度加载速率效应上的适用性;使用5个速率方程估计了一维和三轴条件下的加载速率参数,以及拟合了加载速率参数与液塑限的关系,并且分析了复杂应力(十字板剪切和旁压条件)下的非理想土单元体的黏土加载速率效应特性等;讨论了黏土加载速率效应特性在一维和三维、压缩与伸长、不同超固结比(OCR)条件下的统一性;最后,从香港黏土压缩与伸长和不同OCR条件下的剪缩、剪胀特性方面更深入地探讨了软黏土加载速率效应特性,并讨论了典型的剪缩、剪胀方程在黏土的力学特性模拟中的有效性。结果表明,为更好地描述黏土的应力剪胀特性,现有典型的剪胀关系需要更一步改进。     

人工制备结构性软黏土长期变形特性试验研究

软黏土的结构性对其变形特性有很大的影响,由于成因等因素的不同,软黏土的结构性强弱不一,这也使得土体变形特性表现出差异性。为研究结构性强弱不同对软黏土长期变形特性的影响,人工制备含水率相同而结构强度不同的软黏土,对其进行三轴不固结不排水蠕变试验,研究结构性对软土长期变形特性的影响。试验结果分析表明,具有一定结构性的软黏土,当偏应力小于结构屈服应力时,土体结构损伤少,其蠕变变形量较小,一般不大于2%;而随着偏应力的增大,尤其是超过结构屈服应力时,土体结构出现大量破坏,应变增长很快,最终演变为临界型应变。相同偏应力作用下,土体结构性越强,各时刻的蠕变变形量也越小。在此基础上,以土体结构强度作为表征土体结构性强弱的量化参数,建立了考虑结构强度影响的长期变形预测公式。     

卸荷作用下软黏土回弹吸水试验研究

为了研究软黏土试样在经受卸荷作用后回弹变形中的吸水规律,设计了新的渗透固结试验仪器。以饱和软黏土试样为研究对象,通过室内试验,分析了卸荷作用下软土的回弹吸水特点。试验结果表明,研制的渗透固结仪器密封性能好,可以收集试样固结过程中排出的孔隙水。软黏土试样在大于临界卸荷比的情况下发生回弹吸水,其规律与预压荷载持续时间有关。当预压荷载持续时间为主固结完成时,则软黏土试样回弹变形引起的体积变化等于进入土体的孔隙水的体积;若荷载持续时间为24 h,则回弹变形可以分为主回弹阶段与次回弹阶段。在主回弹阶段,土样的体积变化等于吸入土体的孔隙水的体积;在次回弹阶段,试样并未吸水,仍然有少量变形。卸荷后软黏土试样吸入土体的水量与固结沉降排出土体的水量之比普遍小于10%。     

冲击荷载作用下结构性软黏土力学特性试验研究

冲击荷载作用对土体力学特性影响较大,为了研究此特性,基于天津滨海结构性软黏土,以空心圆柱扭剪仪模拟冲击荷载作用,并在冲击荷载作用前后对土体进行不固结不排水三轴试验,对比研究不同试验条件下结构性软黏土力学特性。试验结果表明:低围压常规三轴剪切试验状态下,土体表现出弱应变软化现象,且土体抗剪强度包线不能用直线表示,而是可由两条直线近似拟合而成;冲击荷载作用时,在一定应力范围内,冲击荷载越大,土体轴向应变、孔隙压力以及主应力差峰值也越大;冲击荷载作用后三轴剪切试验各围压下土体都呈应变硬化型,主应力差峰值均大幅减小,且土体抗剪强度包线均可用直线表示,c、φ值也远小于未受冲击荷载时三轴剪切试验相应数值。最后,总结分析冲击荷载作用对软黏土强度的影响,并拟合得到强度折减与围压、冲击荷载的关系,为实际工程中承受冲击荷载的结构性软黏土强度确定提供参考。     

软土固结蠕变特性及机制研究

以黄石地区软土为研究对象,在不同排水条件、固结压力作用下开展固结蠕变试验,对原状样与蠕变后试样进行扫描电镜观测,分析软土的固结蠕变特性及其微观机制。结果表明：不排水条件下蠕变特性表现更为显著。低偏应力作用下,排水条件下试样的变形大于不排水条件下的变形;高偏应力作用下,则与之相反。排水条件下,变形是由蠕变和固结共同产生的,具有线性蠕变特性;不排水条件下,蠕变是变形的主要原因,具有非线性蠕变特性。蠕变过程中,颗粒间以边-边、边-面为主的接触形式向以面-面为主的接触形式过渡,颗粒间距减小,大孔隙减少,小孔隙增多。固结过程中的主要是自由水以及渗透吸收结合水转化为自由水的排出,而蠕变阶段主要受结合水控制,随着压力加大,孔隙体积减小,结合水膜变薄,增大了土的黏滞性,在长时期就表现为蠕变特性。在软土地基加固过程中可提高土体的排水性能,增大土体的固结程度,降低蠕变带来的危害,提高建筑物的稳定性。     

考虑卸荷扰动的黏土蠕变特性试验研究

盾构施工过程中,由于盾尾建筑空隙的存在,土体会受到较大的卸荷扰动,尤其是对于结构性较强的黏土。通过卸荷拉力来模拟土体受到的卸荷扰动,进行排水剪切蠕变试验。试验结果表明:卸荷拉力越大,土体的扰动程度增大,同级荷载作用下土样的变形越大,且加载压力较小时土样的变形属于稳定型蠕变,蠕变速率随着卸荷拉力的增大而增大,加载压力较大时土样的变形属于衰减型蠕变;与Singh-Mitchell蠕变模型进行比较,发现卸荷拉力较小土样Singh-Mitchell蠕变模型的计算值与试验值相比吻合较好,但当卸荷拉力较大时,模型计算值与实验值相比有较大的误差;修正了Singh-Mitchell蠕变模型的参数,提出考虑卸荷扰动的修正Singh-Mitchell蠕变模型,计算结果与试验数据在加载压力和卸荷拉力较大时吻合较好,对工程实际有一定的指导意义。     

软黏土变形时效性的试验及经验模型研究

对汕头东部入海口的吹填软土进行了一维次固结试验和三轴固结不排水蠕变试验,分析了这两种机制不同的蠕变特性。一维试验结果表明,软黏土的应力-应变关系呈现出明显的非线性特征,且当土体处于超固结状态时,其主固结和次固结变形相对于正常固结状态会变小,预压可以提高土体的结构屈服强度。在三轴固结不排水蠕变试验中,孔压会随时间一直发展,即有效应力不断减小。当偏应力较小时,土体的变形最终会趋于稳定,应变率也随时间一直减弱;而当荷载增加到临界值时,土体的变形会随时间快速发展,发生加速蠕变破坏。引入分数阶导数的概念,建立了含分数阶导数的Merchant模型,对两种试验数据分别进行拟合并给出了参数范围,结果表明:与经典的Merchant模型相比,分数阶导数Merchant模型能更好地描述软土的蠕变变形,而且模型简单、参数少,能很好地应用到实际工程中。