饱和砾性土不排水动力强度及变形特性试验

砾性土的动力强度和变形特性是分析砾性土地基及其构筑物地震永久变形的基础。本文采用大型动三轴仪对饱和砾性土进行不排水循环三轴试验,系统地研究了两种砾性土在循环加载条件下的不排水强度和变形特性,探讨了循环应力比、平均固结应力、固结应力比、初始孔隙比和循环次数对砾性土变形和超静孔压特性的影响。试验结果表明：砾性土的累积轴向应变和超静孔压比随循环应力比、平均固结应力和初始孔隙比的增大而增大,超静孔压比随固结应力比的增大而减小;当循环次数小于20时,固结应力比对累积轴向应变的影响较小,而当循环次数大于20时,累积轴向应变随固结应力比的增大而减小。根据试验结果,建立了考虑平均固结应力、初始孔隙比、循环次数和累积轴向应变影响的不排水动力强度和超静孔压经验模型,其计算值与试验结果比较吻合,说明该模型可以较为准确地描述循环荷载作用下砾性土的不排水动力强度、超静孔压和累积变形的变化规律。     

软黏土层一维有限应变固结的超静孔压消散研究

根据土力学固结理论计算分析软黏土层固结过程的超静孔隙水压力值,确定软黏土体固结过程的强度增长,对排水固结法处理软土地基至关重要。软黏土层固结过程中土体变形较大时,有限应变固结理论和小应变固结理论计算分析软黏土固结所得结果差异较大。利用非线性有限元法及程序,通过对软黏土层固结工程算例的计算结果分析,研究了有限应变固结理论和小应变固结理论计算分析软黏土层一维固结超静孔压值消散的差异;探讨了软黏土体一维固结过程中,几何非线性、土体渗透性变化和压缩性变化对超静孔隙水压力消散的影响。研究结果表明,当土体的变形较大时,有限应变固结理论计算出的超静孔压要比小应变固结理论得到的值消散的更快。考虑土体固结过程中渗透性的变化时,超静孔压消散变慢;可用软黏土渗透性变化指数ck 反映渗透性变化对超静孔压消散的影响,渗透性变化指数ck值越小、超静孔压消散越慢。固结过程中软黏土压缩性的大小及变化也影响超静孔压的消散,可用软黏土的压缩指数cc反映固结过程中压缩性的大小及变化对超静孔压消散的影响,软黏土的压缩指数cc越小,固结过程软黏土层中的超静孔压消散越快。     

天津滨海软土蠕变参数及路基沉降效应分析

天津滨海新区分布发育较厚的海相沉积成因软土层,软土路基在长期运营过程中,常常出现较大的工后沉降。本文针对滨海软土进行一维压缩蠕变试验,求取其时间硬化蠕变模型参数,进而通过ABAQUS软件实现线性DruckerPrager模型和时间硬化蠕变模型的耦合计算,总结分析了滨海软土路基长期沉降变形过程中的固结-蠕变效应。研究结论表明,排水条件是软土固结-蠕变作用效应的控制性因素,在不设置排水板的条件下蠕变对总沉降量的影响十分显著,是否考虑蠕变作用会给总沉降量计算结果带来近20%左右的误差;软土地基内部排水通道的合理设置和畅通有效是关系软基处理效果的关键点;路基填筑施工过程中,应控制填土速率以避免在饱和软弱地基土内产生较大的超静孔压。     

考虑幂函数渗透压缩变化的双层砂井地基固结性状

采用Barron轴对称固结及大变形固结问题的某些简化与假定,推导建立了砂井地基大变形固结控制方程,利用建立的双层砂井地基大变形固结方程及编制的计算程序,通过引入软土渗透系数、有效应力与孔隙比之间的幂函数关系k =ced与e=a( )b,对瞬时加载下双层砂井地基固结性状进行算例计算。结果表明：（1）双层软土幂函数渗透关系及压缩关系中诸参数对双层砂井地基固结性状有重要影响：随着两层软土幂函数渗透关系中参数c1、c2的增加（渗透性增加）、或幂函数压缩关系中参数a1、a2的增加,各土层水平径向与竖向孔隙比减小更快,沉降发展速率与超静孔压消散速率也相应增加,且沉降发展速率快于孔压消散速率。（2）两层土在分界面处的孔隙比及平均超静孔压均出现明显的突变,将沿深度分布曲线分成形状不同的两段,表现出不同的固结性状。     

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。     

双面排水非线性固结超静孔压的非对称性解析

为了分析一般意义的非线性固结过程中超静孔压的发展规律,基于欧拉描述的基本方程和构形转换关系,提出了非线性固结过程中超静孔压与孔隙比之间的严格函数表达式。在Morris提出的线性有限应变一维固结解析解答基础上,得到双面排水情况下正常固结和自重固结土体的超静孔压解析解。分析和讨论了超静孔压的非对称分布特征及其影响因素。结果表明,无量纲参数N在超静孔压分布形态上起决定作用。在N不接近于0的情况下,按经典Terzaghi固结理论的超静孔压对称性分布假设将不再适用于非线性固结问题。     

强夯-降水联合加固饱和软粘土地基试验研究

针对强夯法加固饱和软粘土地基时超静孔压消散难和易出现“橡皮土”的问题,提出将强夯和井点降水技术结合起来,利用井点降水技术来加速夯后超静孔压的消散和软土固结,并结合上海市某集装箱堆场工程中土部为吹填细砂、下部为饱和软粘土的地基进行了现场试验研究,对加固过程以及加固后的土体变形、超静孔压变化、工艺参数、加固效果和加固后土体的时间效应以及强夯的加固机理等进行了分析和讨论。强夯和井点降水技术的合理结合进一步拓宽了井点降水和强夯法的应用范围,为我国沿海地区广为分布的软土地基的加固问题提供了新的途径。     

等向固结饱和黏土卸载孔压特性的试验与理论研究

负孔压可以为饱和黏土地基的结构基础提供抗拔阻力,准确计算负孔压的大小对研究上拔承载力的意义重大。通过等向固结的三轴伸长试验研究了卸荷状态下饱和黏土中孔压的发展规律,提出了计算超静负孔压的方法;结合修正剑桥模型和Henkel孔压理论,揭示了卸荷作用下超静负孔压产生的机制,合理地解释了在卸荷过程中超静孔压由负转正的过程。研究表明,卸荷试验条件下广义剪应力产生正孔压,而平均主应力对孔压的贡献为负,卸荷初期广义剪应力产生的正孔压不足以抵消平均主应力产生的负孔压,因此,超静孔压呈现负值。研究成果为负孔压预测以及上拔承载力研究提供了理论依据。     

不同排水条件下城市固废一维降解固结解析解

目前关于城市固废的降解固结理论研究均沿用太沙基传统排水边界,但是这样不能完全描述垃圾填埋场中复杂的排水边界条件。因此,在已有的简化降解固结模型基础上引入连续排水边界条件,建立了新鲜面为连续排水边界的饱和城市固废一维降解固结模型。在此基础上,借助特征函数解偏微分方程得到了级数形式的解析解答,解的退化检验和收敛性判断初步验证了其合理性。解析解与已有解答的对比分析显示,引入连续排水边界条件后,超静孔压分布有显著的变化;且解析解可解决初始条件和边界条件的矛盾,能反映边界上孔压消散的时间效应。进一步的参数敏感性分析显示,通过调整界面参数可以模拟各种排水条件,获得从完全不排水到完全排水的连续解答。此外,从排水能力差异会改变降解固结发展速度出发,提出了一种保证填埋场稳定的可行策略。     

冲击荷载下饱和软土动态响应特征的试验研究

基于现场动力排水固结法加固饱和软土地基工程实践和室内动力固结试验,结合土体压力分析了饱和软粘土在冲击荷载作用下的变形与孔压的发展变化规律。研究表明：冲击荷载引起土体变形和激发的孔压具有不同发展模式,土体变形与冲击击数是对数双曲线关系,而孔压与冲击击数之间仅是双曲线关系。     

非饱和土层一维固结特性分析

在Fredlund非饱和土的一维固结理论的基础上进行假设,由得出的液相及气相的控制方程、Darcy定律及Fick定律,采用Laplace 变换、逆变换等数学方法得到了大面积均布瞬时加载下表面为透水透气面、底面为不透水和不透气面的非饱和土层一维固结时间域内的超孔隙水压力、超孔隙气压力及土层沉降的解析解;应用典型算例,分析了不同气、水渗透系数比情况下土体超孔隙水压力、超孔隙气压力消散及土层沉降随时间的变化规律以及不同时间超孔隙水压力、超孔隙气压力消散随深度的变化规律。将得出的结果退化成相应的饱和土的解与太沙基饱和土固结理论结果比较,验证了其正确性。     

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。     

One-dimensional consolidation of soil under multistage load based on continuous drainage boundary

In engineering practice, a rapid loading rate can result in ground failure when the strength of soft soils is relatively low, and a multistage loading scheme is always utilized to deal with this situation. Firstly, under a multistage load and the continuous drainage boundary, an analytical solution of excess pore-water pressure and consolidation degree is obtained by virtue of the superposition formula of excess pore-water pressure, and a more general continuous drainage boundary under arbitrary time-dependent load is developed. Then, a comparison with existing analytical solutions is conducted to verify the present solution. A preliminary attempt on applying the continuous drainage boundary into the finite element model is made, and the feasibility of the numerical model for the one-dimensional consolidation under the continuous drainage boundary is verified by comparing the results calculated by FEM with that from present analytical solution. Finally, the consolidation behavior of soil is investigated in detail for different int erface parameters or loading scheme. The results show that, in land reclamation projects, a horizontal drain should be placed close to the boundary with a smaller interface parameter to improve the consolidation efficiency. The degree of consolidation is also related to the applied time-dependent load and interface parameters.     

非饱和土一维固结混合流体方法的解析分析

对采用混合可压缩流体方法分析非饱和土一维固结问题的固结方程进行了求解,在得到的解析解的基础上,对影响非饱和土一维固结的因素进行了分析。分析结果表明,在采用混合流体方法计算非饱和土一维固结的孔隙水压力时,所用公式与计算饱和土一维固结的太沙基理论公式基本相同,不同之处在于引入Bishop有效应力系数来体现孔隙气对孔隙水的影响。而在非饱和土孔隙气压的计算公式中除了体现孔隙水对孔隙气的影响参数以外,还有体现孔隙气体的可压缩性对固结影响的参数。在所有影响因素中,影响非饱和土一维固结最重要的因素是孔隙流体的渗流路径。     

不同温度应力路径下饱和黏土剪切特性

在精准温控动三轴试验系统上开展了不同温度及不同升温路径饱和黏土剪切试验研究,探讨了不同温度对饱和软黏土不排水剪切特性的影响,分析不同升温固结方式对饱和软黏土孔压发展、体变、强度以及模量的影响规律。试验结果显示：在4～76 ℃试验研究范围内,环境温度升高导致饱和软黏土的不排水剪切强度有所减少,但温度升高对土体模量增加影响明显,温度T和模量ET关系可用ET = 2.69T 0.3表达;升温变化时正常固结黏土产生超孔隙水压力并随着温度增大而增大,升温热固结后土的剪切强度将明显提高,且排水状态下升温固结对土剪切强度增长小于升温完成后再固结情况;土体从26 ℃分别升高20、40 ℃时,升温引起的超孔压比分别为0.41、0.61,剪切峰值强度分别增加8.23%、22.37%。研究表明：升温幅值增大会使土体热固结程度越大,升温分级越多,热固结也越充分,其对应的体变、强度增长率则越大;同时最终温度及热固结路径对其剪切相转换特征存在影响,升温越高、热固结路径越多其剪胀性越明显,但温度变化范围、固结分级、热固结路径总体上对孔隙水压力的发展基本不产生影响。     

考虑涂抹区渗透系数变化的非饱和土砂井地基固结特性分析

在以往对非饱和土砂井地基固结理论研究中,均将涂抹区与非涂抹区土体渗透系数视为相等,这与实际工程并不相符。本文将考虑涂抹区土体渗透系数的变化,分析其对超孔隙气、水压力消散规律的影响。基于Fredlund一维固结理论以及Darcy定律和Fick定律,对有限厚度线弹性非饱和土砂井地基,在大面积均布瞬时荷载作用下,考虑涂抹区土体渗透系数的变化,利用Laplace变换并引入Bessel函数推导出Laplace变换下的解,再通过Crump方法编程实现Laplace逆变换得到超孔隙气压力、超孔隙水压力的半解析解。利用典型算例进行计算,分别得到在不同半径、不同涂抹区半径和不同涂抹程度的情况下,超孔隙气压力、超孔隙水压力随时间的变化规律。得出考虑涂抹作用时,超孔隙气、水压力的消散速度降低;涂抹区半径越大、涂抹程度越高速度越慢,反之消散越快。本研究丰富了非饱和土砂井固结理论,对非饱和土砂井固结特性的研究具有一定的工程参考价值。     

基于一维和三维固结挤土桩沉降时效计算分析

饱和软黏土地基中的挤土桩,施工引起的桩侧土体超孔隙水压力消散和竖向荷载引起的桩底土体固结是导致其沉降的主要因素。基于三维固结理论,研究了桩侧地基土再固结沉降的变化规律,并从桩-土相互作用的原理出发,结合边界条件,推导出了在桩侧地基土再固结沉降的作用下挤土桩沉降的计算公式。运用太沙基一维固结理论并采用分层总和法计算竖向荷载作用下桩底土体的沉降。提出了饱和软土中挤土桩沉降时效的计算方法。并对工程实例进行了计算分析,其结果符合工程实际沉降规律。     

Stress history effects on 1‐D consolidation of soft soils: a rheological model

Stress history plays an important role in controlling the consolidation behavior of soft clays, but few models exist that can provide quantitative estimate of its influence. In this paper, the Gibson–Lo rheological model is used to simulate the coupled processes of drainage and creep of soft soils that takes stress history into account. A hybrid combination of analytical and numerical methods is adopted to solve the governing equations of consolidation with the nonlinear rheological model. The methodology is applied to a saturated soft soil subjected to surface loading. The soil profile is separated into normally consolidated and overconsolidated layers by a boundary that is allowed to move. Comparisons of the model predictions and its simulations are used to evaluate the effects of stress history, model parameters, and loading pattern on consolidation behavior. It is shown that stress history influences the location of the moving boundary, variations of the profiles of excess pore water pressure dissipation, stress and deformation‐based average degrees of consolidation. Parametric studies conducted show that when soil is stiffer, the excess pore water pressure dissipates much more quickly, and thus the soil consolidates much faster especially at the early stages. The results also show that soil viscosity influences the deformation‐based average degree of consolidation at the latter stages. The consolidation process of soil layer under linear loading is shown to lag behind those under instantaneous loading: the longer the loading period is, the smaller the average degrees of consolidation are no matter how they are defined. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.