SBPT测定饱和黏土不排水强度的数值分析

自钻式旁压试验（SBPT）因其扰动小、测试深度大、可以获得应力-应变、超孔隙水压力-时间等数据,在确定地基土性参数和地基承载力上有广阔的应用前景。然而由于用以解释SBPT的柱孔扩张理论（Gibson解）所采用的平面应变假设与实际旁压腔几何特征存在差异,导致试验所确定的黏土不排水剪切强度su与其他原位试验或室内试验结果存在差别。针对旁压腔几何尺寸及应变区间的选择对确定su的影响,基于修正剑桥模型,采用低渗透系数控制加载过程中不排水条件,利用有限元法模拟SBPT,建议了不同应力历史下确定su的应变区间,并给出考虑几何尺寸影响时相应应变区间上su的修正系数。     

含气软黏土的不排水抗剪强度计算模型

含气软黏土广泛分布在世界五大洲,大量离散气泡的存在对软黏土的不排水抗剪强度具有强化或损伤作用,然而目前仍缺乏能综合考虑气相强化与气相损伤竞争机制的含气土不排水剪切强度解析表达式。结合临界状态土力学理论,基于笔者提出的含气土屈服函数,建立了v-lnp¢ 空间下临界状态线截距与土体含气特性(u_{w 0},y₀)的数学关系,进而推导了含气软黏土在三轴应力状态下不排水抗剪强度s_u的理论显式表达式。同时,采用所提出的含气软黏土不排水抗剪强度理论计算公式,分别对比了3种典型的含气软黏土在不同含气特性下的不排水抗剪强度理论预测与试验结果,包括马来西亚高岭土、Combwich 黏土和高岭黏土。另外,对比分析了4种不同的含气软黏土不排水抗剪强度理论计算模型的预测误差百分比,证明了提出的基于改进的含气软黏土本构模型的不排水抗剪强度理论计算式的合理性,能够更加准确地同时考虑含气软黏土的气相强化与气相损伤双重效应。     

基于孔穴扩张理论的黏土不排水抗剪强度计算方法对比研究

为了利用旁压试验准确获取不排水黏土抗剪强度,对比研究了3种基于孔穴扩张理论的不排水黏土抗剪强度评价方法。其中,Gibson和Anderson提出的直接传统法忽略了土体超固结比和旁压探头实际长度的影响;Cao提出的基于修正剑桥模型的解析法考虑了土体超固结比的影响;基于修正剑桥模型的有限元法同时考虑了土体超固结比和旁压探头实际长度的影响。在两个试验场地的轻度超固结黏土和超固结黏土中开展了一系列旁压试验,采用上述三种方法对比研究了土体超固结比和旁压探头长度的有无限性对不排水抗剪强度的影响,结果表明:单独考虑超固结比的影响时,由直接传统法估算的黏土不排水抗剪强度较解析法小,且二者的差值随着超固结比的增大而增大;单独考虑旁压探头长度有无限性的影响时,由解析法得到的黏土不排水抗剪强度较有限元法高,且旁压探头的无限长度效应随着超固结比的增大急剧减弱。当以特定长度的旁压探头在黏土中进行旁压试验时,存在一个超固结比临界值。低于这个临界值时,旁压探头的无限长度效应对不排水强度的影响大于超固结比;高于这个临界值时,旁压探头的无限长度效应与超固结比的影响相互抵消。对于例1中的粉质黏土,超固结比临界值约为23;对于例2中的粉质黏土,超固结比临界值为34。在实际工程中,有限元法能够同时考虑旁压探头实际长度和超固结比对黏土抗剪强度的影响,为最佳方法。当黏土处于重度超固结状态(超固结比大于临界固结比)时,直接传统法和有限元法计算结果相近,可利用直接传统法计算黏土抗剪强度。     

基于孔穴扩张理论的黏土不排水抗剪强度计算方法对比研究

为了利用旁压试验准确获取不排水黏土抗剪强度,对比研究了3种基于孔穴扩张理论的不排水黏土抗剪强度评价方法。其中,Gibson和Anderson提出的直接传统法忽略了土体超固结比和旁压探头实际长度的影响;Cao提出的基于修正剑桥模型的解析法考虑了土体超固结比的影响;基于修正剑桥模型的有限元法同时考虑了土体超固结比和旁压探头实际长度的影响。在两个试验场地的轻度超固结黏土和超固结黏土中开展了一系列旁压试验,采用上述三种方法对比研究了土体超固结比和旁压探头长度的有无限性对不排水抗剪强度的影响,结果表明:单独考虑超固结比的影响时,由直接传统法估算的黏土不排水抗剪强度较解析法小,且二者的差值随着超固结比的增大而增大;单独考虑旁压探头长度有无限性的影响时,由解析法得到的黏土不排水抗剪强度较有限元法高,且旁压探头的无限长度效应随着超固结比的增大急剧减弱。当以特定长度的旁压探头在黏土中进行旁压试验时,存在一个超固结比临界值。低于这个临界值时,旁压探头的无限长度效应对不排水强度的影响大于超固结比;高于这个临界值时,旁压探头的无限长度效应与超固结比的影响相互抵消。对于例1中的粉质黏土,超固结比临界值约为23;对于例2中的粉质黏土,超固结比临界值为34。在实际工程中,有限元法能够同时考虑旁压探头实际长度和超固结比对黏土抗剪强度的影响,为最佳方法。当黏土处于重度超固结状态(超固结比大于临界固结比)时,直接传统法和有限元法计算结果相近,可利用直接传统法计算黏土抗剪强度。     

花岗岩风化料弃土快速堆填过程中不排水抗剪强度评估

沿海沿江城市地下开挖产生的工程渣土含泥量大、含水率高且较松散,主要运往渣土场进行堆填处置。由于产量巨大而处置场地有限,许多渣土场在运营过程中存在堆填速度快、缺乏排水设施、超高超库容堆填等问题,容易引发堆填体失稳事故。目前对于非饱和工程渣土堆体在快速堆填过程中的失稳机制认识尚不清晰,尤其是对这一过程中的高饱和度工程渣土强度增长规律缺乏足够的认识。以深圳红坳渣土场填料——花岗岩风化料(CDG)填土为研究对象,对不同初始饱和度土样进行三轴不排水不排气等向压缩和剪切试验,结果表明:非饱和CDG填土不排水抗剪强度随围压增大呈非线性增长,增长速率与试样初始饱和度密切相关;当土样压缩后的饱和度超过0.7,不排水强度随围压的增长速率显著降低。基于有效固结应力法的原理,结合Hilf孔压公式和修正剑桥模型,提出了一种工程渣土不排水抗剪强度估算方法,并通过与试验结果对比验证了该方法对初始饱和度高于0.6的CDG填土的适用性。利用该方法确定的不排水强度cu与正应力σn的关系可应用于高饱和度工程渣土快速堆填中的稳定性分析。     

用扁铲侧胀试验计算饱和软粘土的不排水抗剪强度

评价上海地区饱和软粘土的不排水抗剪强度.通过室内试验及十字板剪切试验得到的不排水抗剪强度cu与用扁铲指数(水平应力指数KD)计算得到的不排水抗剪强度cu进行比较,说明Marchetti(1980)计算cu的公式适用于上海地区的饱和软粘土.同时,扁铲模量ED与不排水抗剪强度cu具有线性相关性,故找到了一个更为简便的计算不排水抗剪强度cu的公式.     

珠江口海洋软土不排水抗剪强度及循环弱化特性试验研究

为了获得广东珠江口海洋软土的不排水抗剪强度,分别开展了不固结不排水剪切和固结不排水剪切三轴试验、无侧限抗压试验、现场取土离心机正常固结模型地基的T-bar静力贯入试验以及现场十字板剪切试验和静力触探试验（CPT）,并采用土力学经验公式进行计算,确定了珠江口海洋软土不排水抗剪强度沿深度的分布规律,并综合评价了各种方法的有效性。为了获得该区域软土的循环弱化规律,分别开展了循环动三轴试验、现场取土离心机正常固结模型地基的T-bar循环贯入试验和现场单桩水平循环加载试验,揭示了软土循环动模量比与循环次数之间的双对数线性关系,获得了3种试验条件下珠江口海洋软土的循环弱化因子。其研究结果可为该区域海洋建筑物设计提供直接依据,也可为其他类型工程提供借鉴。     

考虑时效作用的桩基承载力计算方法研究

采用空间轴对称固结有限元结合修正剑桥模型，用柱形孔扩张对沉桩过程进行模拟，求出不同时期桩周土中的应力，从而得到不同间歇期桩侧的最大摩擦力。应用荷载传递法对桩基承载力进行计算，结合桩周土体剪切强度、应力状态的变化，得到了考虑时效影响的桩基承载力的计算方法。实例计算表明，结果较合理。     

基于有效固结应力法确定结构性黏性土不排水抗剪强度

由于结构性的存在使得很多天然黏性土的强度和变形特性不同于重塑土和非结构性土。首先回顾了适用于确定重塑土和非结构性土不排水抗剪强度的有效固结应力法,并推导了相应的方程。在此基础上,对于结构性黏性土,采用两段不同斜率（内摩擦角正切）和截距（黏聚力）的直线模拟其抗剪强度包络线,建立了确定其不排水抗剪强度的有效固结应力法方程;当有效应力小于结构屈服应力时,有效固结应力方程中有效应力部分需乘以0.8的修正系数;只要已知剪切前的有效应力,利用相应的有效固结应力法公式,可确定结构性土体的不排水抗剪强度。利用连云港结构性软黏土的等压固结三轴试验数据,验证了有效固结应力法的适用性。分析表明：对于连云港软黏土的不排水抗剪强度,有效固结应力法的计算结果与试验结果吻合较好;对于结构屈服应力,有效固结应力法的预测结果与试验数据点的拟合结果有一定偏差,但并不明显。     

基于统一强度理论的柱形孔扩张问题研究

考虑了岩土材料的软化和剪胀特性,利用空间轴对称问题的统一强度理论分析了柱形孔扩张问题,求出了岩土材料在柱形孔扩张时的应力场、应变场、位移场和最终扩张压力的统一解表达式。对蒋明镜-沈珠江扩孔公式从不同的方面作了论述。通过算例分析了岩土材料的软化和剪胀特性以及统一强度理论参数对应力场、位移场和扩张压力的影响。已有的关于该问题的Tresca解和Mohr-Coulomb解均为本文的一个特例。     

连云港软黏土的不排水强度试验研究

对连云港软黏土不扰动样和重塑样进行三轴CU对比试验研究。结果表明,不扰动样的不排水强度包线是由以屈服压力为界的双折线组成,而重塑样的不排水强度包线可以用通过圆点的直线表示。屈服前阶段,不扰动样由于受结构性影响产生的抵抗作用,其不排水强度包线高于重塑样;屈服后阶段,不扰动样的不排水强度包线介于具有不同初始含水率的重塑样的包线之间。通过对比分析,发现不扰动样与重塑样的不排水强度包线存在差异的主要原因是由于试样的不同初始含水率引起的。不扰动样在屈服后阶段的含水率变化规律与不排水强度增长规律与重塑土相一致,采用Burland提出的孔隙指数Iv,可将不同初始含水率重塑样及屈服后阶段不扰动样的压缩性状较好地归一化。     

Analysis of undrained cavity expansion in elasto‐plastic soils with non‐linear elasticity

A large strain analysis of undrained expansion of a spherical/cylindrical cavity in a soil modelled as non‐linear elastic modified Cam clay material is presented. The stress–strain response of the soil is assumed to obey non‐linear elasticity until yielding. A power‐law characteristic or a hyperbolic stress–strain curve is used to describe the gradual reduction of soil stiffness with shear strain. It is assumed that, after yielding, the elasto‐plastic behaviour of the soil can be described by the modified Cam clay model. Based on a closed‐form stress–strain response in undrained condition, a numerical solution is obtained with the aid of simple numerical integration technique. The results show that the stresses and the pore pressure in the soil around an expanded cavity are significantly affected by the non‐linear elasticity, especially if the soil is overconsolidated. The difference between large strain and small strain solutions in the elastic zone is not significant. The stresses and the pore pressure at the cavity wall can be expressed as an approximate closed‐form solution. Copyright © 2001 John Wiley & Sons, Ltd.     

Application of the exact constitutive relationship of modified Cam clay to the undrained expansion of a spherical cavity

The modified Cam clay (MCC) model is used to study the response of virgin‐compressed clay subjected to undrained triaxial compression. The MCC constitutive relationship is obtained in a closed form. Both elastic and plastic deviatoric strains are considered in the analysis. The solution allows to obtain total and effective stress paths followed by the clay in undrained spherical expansion. Pore water pressures are determined from the difference between total and effective mean stresses. For illustration purposes, the analysis is also applied to the well‐known reconstituted normally consolidated London clay and the results are compared with the recently published data obtained by a numerical approach. In addition, the Almansi large strains are used in the analysis, as these allow to obtain limit expansion and pore pressures, whereas both small‐strain and logarithmic‐strain approaches do not permit to determine them. Copyright © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于相似性原理超固结土不排水扩张半解析解

在实际工程中,土体往往因卸载、再加载等复杂应力路径而处于超固结状态,而现有的圆孔扩张问题的计算模型往往不能反映超固结土中剪胀、软化等一些特殊性质。为了解决这一问题,基于相似性原理和统一硬化（UH）模型,结合相关联的流动法则和大变形理论,采用相似求解技术求解了超固结土不排水扩张问题的半解析解答。通过理想化算例分析了圆孔扩张挤土产生的应力和孔压响应,并通过分析不同超固结比OCR的土体应力路径的变化规律,讨论了UH模型的适用性。结果表明：对于轻超固结土,空腔周围土体孔压在塑性区沿径向单调递减,随着OCR增大,塑性区内孔压分布呈现出“S”形的趋势,孔壁附近的孔压逐渐减小,孔壁周围甚至出现负孔压。随着OCR增大,压力?扩张曲线收敛变慢。在扩孔过程中正常固结土一直处于剪缩硬化阶段。而对于超固结土,土体则经历了临界状态→剪胀硬化阶段→临界（特征）状态→剪缩硬化阶段。该研究成果不仅丰富了相似求解技术的应用,而且为超固结土中桩基承载力、隧道围岩变形预测和原位测试参数等岩土工程问题的计算提供了理论依据。     

Theoretical investigation of the cavity expansion problem based on a hypoplasticity model

The problem of the symmetric quasi‐static large‐strain expansion of a cavity in an infinite granular body is studied. The body is assumed to be dry or fully drained so that the presence of the pore water can be disregarded. Both spherical and cylindrical cavities are considered. Numerical solutions to the boundary value problem are obtained with the use of the hypoplastic constitutive relation calibrated for a series of granular soils. As the radius of the cavity increases, the stresses and the density on the cavity surface asymptotically approach limit values corresponding to a so‐called critical state. For a given soil, the limit values depend on the initial stresses and the initial density. A comparison is made between the solutions for different initial states and different soils. Applications to geotechnical problems such as cone penetration test and pressuremeter test are discussed. Copyright © 2001 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于SMP准则柱孔扩张问题相似解

以柱孔扩张理论为基础,将柱孔扩张后塑性区半径b作为时间刻度,引入扩孔速度概念,将塑性区内任意一点的应力、应变描述成塑性区半径b和柱孔扩张后扩张体单元距孔心距离r的函数,采用平面应变条件下无黏性土的SMP准则和不相关联流动法则,考虑到无黏性土的剪胀性,推导出柱孔扩张后极限扩张力 的相似解。通过参数分析表明,土体强度和剪胀性对塑性区半径和极限扩张力产生很大的影响,即随着土体强度和剪胀性的增加,极限扩张力明显增加,相应塑性区半径却随之减小。通过与基于摩尔-库仑准则解答进行对比分析表明,考虑中间主应力影响的SMP准则所得到的极限扩张力明显高于基于摩尔-库仑准则的解答。该解答为无黏性土中进行静力触探（CPT）试验和静压桩等岩土工程问题提供必要的理论依据。