透水管桩加速超静孔压消散的单桩模型试验研究

基于室内模型试验,研究透水管桩促进桩周土超静孔压消散的效果和规律。通过透水管桩和普通管桩单桩沉桩模型试验对比,发现使用透水管桩更有利于桩周土超静孔压消散,其促进作用沿深度方向递增,沿水平方向递减。在桩周土超静孔压消散前期,透水管桩的促进作用最明显,有利于加快施工进度。改变透水管桩初始排水时刻,观察桩周土超静孔压消散情况,发现初始排水时刻设在沉桩完成时的情况下,桩周土超静孔压峰值明显减小。试验结果表明,沉桩施工中,透水管桩提高了施工进度,降低了对周围环境的影响。     

静压沉桩与CPTU贯入离心模型试验及机制研究

为了探究静压沉桩与CPTU贯入力学机制,开展了饱和黏土中静压沉桩及CPTU贯入的离心模型试验,获得了静压沉桩与CPTU贯入过程中土压力、超孔压和贯入阻力的变化规律。同时,将静压桩和CPTU压入过程视为一系列球孔的连续贯入,应用圆孔扩张解答,建立了静压沉桩和CPTU贯入过程中锥头阻力、侧阻力与超孔压的预测方法。通过离心模型试验和理论预测结果的对比分析表明：随着桩体的压入,桩周土体的超孔压和土压力均逐渐增大,当桩头通过监测点时,超孔压与土压力均达到最大值;在饱和黏土中,CPTU锥头阻力、锥侧摩阻力和锥头超孔压与锥头贯入深度总体上呈线性关系。预测方法估算沉桩和CPTU贯入引起的土压力、超孔压与模型试验结果相符,较好地反映了饱和黏土中静压沉桩和CPTU贯入的力学机制。     

考虑大变形的静力压桩数值模拟

静力压桩过程是一种稳态贯入过程。该过程使得桩周附近区域的土体产生较大挤压作用,并出现了较大变形,因而基于传统小变形的有限元分析与真实的贯入过程有着较大的误差。基于更新的拉格朗日列式法,分析压桩时产生的大变形,引入桩-土界面间的接触作用,桩周土体采用Mohr-Coulomb模型,并运用有限元方法进行数值分析,较好地实现了静力压桩过程的数值模拟。     

天然饱和黏土地基静压桩承载力时效性研究

分别以柱孔和球孔扩张模拟桩身和桩端的贯入过程,采用可以考虑天然饱和黏土应力历史和应力各向异性的圆孔扩张解答描述桩周土体的应力状态,推导了饱和黏土地基中静压桩终压力的理论解,进而基于桩周孔压径向消散的固结解答,在考虑桩周土再固结过程中松弛效应的基础上,推导了沉桩结束后静压桩时变承载力的解答,建立了静压桩承载力时效性系数的理论表达式。通过离心模型和现场试验对所提的理论解答的正确性进行了验证,研究了天然饱和黏土中静压桩承载力的时效性。结果表明:沉桩结束后较短时间内静压桩承载力时效性是超孔压消散和土体触变恢复共同作用的结果,一定间歇期后超孔压消散成为承载力增长的主要原因。     

饱和软黏土中足尺静压桩挤土效应试验研究

饱和软黏土地基中静压桩挤土效应是岩土工程中常见的问题。监测土体侧向位移、孔隙压力、地面隆起随压桩过程变化的规律是很多研究者希望实施的计划。在饱和软黏土地基中进行了3根足尺静压桩的压入试验,重点监测了沉桩时的侧向位移随深度和距桩轴不同距离、地面隆起量随桩的贯入深度和距桩轴不同距离、孔隙压力随桩的贯入深度和时间的变化规律,并分析了超静孔隙水压力最大值沿径向和深度的变化特性。由测试结果可知,最大的侧向位移发生在距地表0.75L附近,地面隆起从桩贯入开始迅速发展,并在桩压入到6 m左右时达到最大值,测点处超静孔压增量的最大值发生在桩端到达该点所在水平面时,而超孔压的最大值沿径向有滞后性。     

竹节桩复合地基沉桩施工超孔隙水压力研究

结合宁波轨道交通4号线东钱湖车辆段竹节桩复合地基处理试验段沉桩施工,开展了土体中超静孔压现场测试,并在考虑竹节桩竹节间空隙对竖向超静孔压分布影响的基础上,推导建立了竹节桩沉桩引起的竖向孔压离散化计算公式。利用建立的离散化计算公式对2 m桩间距试验工况的孔压进行计算,并将计算结果与测试结果进行对比,结果表明:计算结果与实测结果较为吻合,考虑竹节空隙影响的竖向超静孔压计算理论可以较好获得竹节桩沉桩施工引起的超静孔压,可为竹节桩的设计和施工提供依据。     

沉桩引起的三维超静孔隙水压力计算及其应用

引入时间、深度参数分析在饱和软粘土中沉桩时引起的超静孔隙水压力,给出了考虑固结效应的超静孔隙水压力的三维解析解;分析了超静孔隙水压力的消散过程中桩周土发生曼德尔效应的时间和区域,提出了在群桩施工过程中土体中的超静孔隙水压力是消散与累加的综合过程,施工完毕后则变为单一的消散的计算模型,并给出计算公式。通过算例,分析了桩群不同桩距、不同入桩顺序对超静孔隙水压力的影响。     

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。     

混凝土芯砂石桩的单桩承载力时间效应分析

在饱和软黏土地基沉桩过程中,挤土桩桩周土体将遭受相当大的挤压应力并引起很高的超静孔隙水压力,桩周土体超静孔隙水压力的消散,使桩周土体有效应力相应地增长,单桩承载力在间歇期内也会随着时间而逐渐增加。基于挤土桩沉桩过程所产生的挤土效应,运用圆孔扩张理论和固结理论分析了新型软基处理技术-混凝土芯砂石桩的挤土性状,并与软基处理中常用的CFG桩作了比较,从单桩侧摩阻力的时间效应方面分析了混凝土芯砂石桩的优越性。     

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。     

大直径超长桩打桩过程中桩周土体的疲劳与强度恢复

大直径超长桩的出现给海上的打桩施工增加了难度和复杂性,也使得打桩分析和预估锤击数具有重要的意义。研究表明,当连续进行打桩施工时,桩长时间连续运动导致桩侧土体强度降低,土体产生了疲劳,沉桩相对容易,使得桩体的贯入度与锤击数较预测偏低;当施工停止一段时间后,土体固结排水,强度得到恢复甚至提高,导致继续打桩时难度增加,锤击数增高或出现无法继续贯入的现象。结合一维应力波动理论、桩-土相互作用模型、土体的有效应力原理和固结理论,提出了模拟土体疲劳和强度恢复的数值分析方法,对采油平台的桩基工程进行了打桩分析,计算结果与实测数据吻合较好,说明提出的数值模拟方法具有可靠性。     

海相淤泥软土地基强夯置换砂桩试验分析

针对某海相淤泥软土的处理工程,选取了一强夯砂桩置换试验区,监测了强夯置换过程中夯坑及其周围土体的变形,超孔隙水压力的增长和消散情况以及深层土体水平位移。分析结果表明,单个置换砂桩夯击8次较为合理;强夯置换后静置一段时间,可以有效减小强夯过程中的超静孔隙水压力,且一遍强夯后静置7 d后超孔隙水压力基本消散完;深层土体的水平位移主要发生在地表以下3～6.5 m深度范围内。     

粉土与粉质黏土互层中静压桩桩土界面孔隙水压力

为研究层状黏性土在静压桩沉桩过程中桩土界面孔隙水压力的分布规律,依托山东东营某桩基工程开展了现场足尺静压桩试验,分析了桩土界面孔隙水压力的变化规律,探讨了桩土界面超孔隙水压力的分布特征,明确了桩土界面孔隙水压力和超孔隙水压力的消散特性,并结合水力压裂理论和孔穴扩张理论,揭示了沉桩过程中桩土界面沿桩长方向超孔隙水压力的分布形式。试验结果表明：孔隙水压力、超孔隙水压力与土层性质密切相关,二者均在粉土层中增长较慢,在粉质黏土层中增长较快;在同一深度处,两者均存在明显的消散现象,在粉土中的消散程度明显大于粉质黏土中;采用水力压裂理论结合孔穴扩张理论计算的超孔隙水压力沿桩长方向的变化规律与试验值相吻合;桩身贯入深度越大,超孔隙水压力理论计算值与现场实测值越接近。     

考虑桩体刺入变形的透水混凝土桩复合地基固结理论研究

现有的多元复合地基利用两种或者两种以上的桩型对地基土进行加固,以期提高地基承载力、加速地基固结。提出了一种兼具散体材料桩和刚性不排水桩自身优点的透水混凝土桩复合地基固结模型。工程中刚性桩与土体的压缩量并不相等,这与等应变条件存在着不一致的地方。为此,抛弃传统等应变假设,考虑桩体向垫层和下卧层的刺入变形,对传统等应变假定进行修正,同时考虑了扰动区土体水平渗透系数的抛物线变化和水在桩体内的径向、竖向渗流,给出了此类固结问题的控制方程和解答以及复合地基固结度的表达式,并对复合地基固结度的解进行了讨论。最后与其他复合地基解做了比较并对固结性状进行了分析,并针对透水混凝土桩孔隙引起的桩阻作用对地基固结速度的影响进行了验证。     

Installation effects of the post-grouted micropile in marine soft clay

The grouted steel pipe micropile is widely used as structural support and in situ improvement in China. This paper presents measurement of the radial soil stress and excess pore water pressure during the construction processes of the grouted steel pipe micropile (with an enlarged driving shoe) embedded in marine soft clay. Comparative analysis was conducted between the predictions by cavity expansion method (CEM) and maximum stress values in situ. The results show that the existence of the enlarged driving shoe has an effect on the stress change in the surrounding soils during penetration. The maximum radial total stress and excess pore water pressure generated during micropile penetration are approximately 4–6σ_v0′ and 1.5–2.5σ_v0′, respectively. The maximum radial total stress and excess pore water pressure, which appeared near the pile wall during the process of post-grouting, are approximately 5–7c_u and 4–6c_u, respectively. The predictions of CEM for pore water pressure during micropile penetration and post-grouting are in reasonable agreement with the field test data.

     

基于黏弹性理论的沉桩再固结问题分析

假设桩周土体为饱和黏弹性介质,采用Burgers流变模型进行描述,同时考虑竖向和径向固结,建立了固结控制方程。根据不排水和自由排水情况,将边界条件分为3类并分别得到超孔隙水压力消散的级数解答,该解答能够为孔压静力触探反求固结系数提供一定的理论依据。在此基础上编制了应用程序,对Burgers流变模型中主要参数进行了分析。结果表明,地基表面自由排水、桩端地基不排水条件下,在一定深度以内的桩周土体的固结速度随深度降低,但超过某一范围后固结速度趋于稳定;上、下边界均自由排水条件下,固结速度随深度增加呈现下降、稳定、升高;上、下边界均不排水条件时,孔压消散速度不随深度变化,可简化为本解答仅考虑径向固结的特例。同时土体的流变特性对超孔隙水压力消散的影响比较显著,流变参数G1/1的变化使超孔隙水压力趋于某不为0的定值,且该值随G1/1比值的增大而增加;其他参数不变时,土体剪切刚度比G1/G2的增大会引起孔压消散速度的下降。     

管桩挤土效应的现场试验和数值模拟

以PHC管桩加固某物流加工二期标准仓库、厂房项目为依托,进行了吹填土地区PHC管桩的挤土效应研究。利用预先埋设的孔压计和测斜计,借助沉桩过程的现场测试手段,研究了PHC管桩在沉桩过程中桩周孔压变化和土体位移分布特征,发现沉桩过程中超孔隙水压力随距桩心距离的增加而近似呈线性规律衰减,影响范围约为10倍桩径,土体水平位移不仅与地基土性质有关,而且其分布特征也与深度有很大关系,表现为0.2～0.4倍桩长处土体水平位移较大。采用数值模拟有效地模拟了现场测试结果,进而将结果推广,得到了沉桩引起的桩周土体位移随深度和距桩心距离的变化规律。数值模拟结果表明：桩-土界面摩擦特性和桩径对土体位移场的影响较大。     

饱和软土地基中PHC群桩贯入过程的能量耗散模型

软土地基中群桩稳定性分析是岩土工程的难点之一.通过对饱和软土地基中群桩贯入全过程的力学分析, 结合群桩效应与工作性能, 根据功能平衡原理, 建立了贯入过程中附加应力(含超静孔隙水压力)引起的耗散能量与外力做功、弹性势能三者的平衡关系; 同时, 针对饱和软土地基中高预应力管桩(PHC)的排土特性, 结合现行桩基规范, 分别给出了超静孔隙水压力势能、挤土耗散能、重力做功、超静孔隙水压力做功、摩擦耗能、土体弹性势能等的定量表达, 构建了PHC群桩贯入过程的能量耗散模型; 在此基础上, 导出了局部能量安全系数与整体能量安全系数.将上述模型应用于某工程PHC群桩基础的稳定性分析中, 并与数值模拟结果对比, 验证了该模型的合理可靠性, 对饱和软基中PHC群桩稳定性状态的判别具有一定指导意义.