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。     

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。     

湿干循环作用对压实黏土干裂特性的影响

针对红黏土-膨润土混合土材料在干湿循环作用及复杂化学环境下的性能演化问题,开展了盐溶液入渗作用下红黏土-膨润土混合土的干湿循环试验研究,分析了干湿循环次数、膨润土掺入比、盐溶液浓度对压实混合土材料体变特征与渗透特性的影响,并结合压汞试验揭示了试样收缩变形与渗透系数变化的微观机制。结果表明：随着干湿循环次数的增加,压实红黏土-膨润土混合土试样累计收缩变形逐渐增大,收缩趋势随入渗盐溶液浓度的增加而增大;干湿循环过程中试样渗透系数呈先增大后减少的趋势,且随着盐溶液浓度增加而逐渐降低;增大混合土中膨润土掺量可以提高试样化学相容性,减少胀缩变形并减小渗透系数。压汞试验表明,盐溶液入渗及干湿循环作用导致土体孔隙“双峰”分布特征减弱,土体中的大孔数量及孔径减小,小孔略有增多;随着入渗的盐溶液浓度增加,小孔变化不明显,而土体总孔隙率及大孔数量减小,进而导致土体收缩变形增大、渗透系数减小。

     

饱和黏性土和砂砾石料振动孔压的试验研究

在国内外主要孔压发展模型的基础上,对某土石坝心墙防渗黏性土和坝基砂砾石料饱和试样进行动三轴试验,提出了两种材料的顾淦臣孔压模型,并对砂砾石料的孔压发展规律作了深入地分析,提出了不同固结比Kc时振动孔压比和振次比的函数关系。试验结果表明,动孔压随振动周数和振动强度的增加而增加,随固结应力比或初始剪应力比的增加而减小;无论等压或偏压固结,黏性土均不会出现动孔压ud等于围压力? 3c的液化现象,其孔压比Ru均小于0.5,多数试样Ru = 0.1~0.4;当等压固结Kc =1.0时,砂砾石料最终孔压值均可达到围压;偏压固结Kc ≥1.5后,试样是否达到Ru= ud /? 3c =1.0取决于动应力? d是否大于主应力差（? 1c－? 3c）,即? d是否形成拉应力,使试件伸长,但当Kc很大后,? 1c和? 3c相差太大,需施加非常大的? d才能使其应力应变反向,试样的大变形先于Ru=1.0的应力状态出现,即不可能达到初始液化;固结比Kc对不同土料动孔压的影响是不同的。     

改性土-膨润土竖向隔离墙材料的压缩及渗透特性试验研究

膨润土系竖向隔离墙作为阻滞污染物的工程屏障有效且经济。采用沸石改性传统的土-膨润土竖向隔离墙存在抗腐蚀性弱等耐久性不足的同时,必须考虑其压缩、渗透等工程性质的变化。通过一维压缩固结试验,研究了不同沸石及膨润土掺量下膨润土系隔离墙材料的压缩固结和渗透特性。引入评价天然重塑黏土的压缩、渗透特性的归一化孔隙比e/eL和评价天然重塑黏土固有压缩特性的孔隙指数Iv两种归一化评价体系,进一步探讨了添加沸石改性前后膨润土系竖向隔离墙混合土的压缩和渗透特性。     

竖向荷载下加筋碎石桩复合地基数值分析

采用三维有限元程序建立了一长为6 m、直径为0.8 m的加筋碎石桩复合地基流固耦合数值模型,分析了其在堆载和孔压消散过程中的荷载传递和变形特性。较传统碎石桩,加筋碎石桩复合地基桩土应力比显著增大,超孔压、沉降和桩身侧向变形显著减小,且随筋材刚度的增大,其性能进一步改善。加筋碎石桩复合地基在桩间土固结过程中产生明显的桩土差异沉降,形成土拱效应,使得堆载结束后桩土应力比变化很小。筋材长度对加筋碎石桩复合地基桩土应力比和沉降影响显著,应对其全长加筋才能保证桩体刚度和有效减少沉降。     

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。     

有机污染物在含土工膜复合隔离墙和含水层系统的运移半解析模型

为评估土工膜与土-膨润土组成的复合隔离墙对有机污染物的防污性能,建立了污染物在源区域发生降解扩散时透过复合隔离墙的一维瞬态扩散模型。通过拉普拉斯变换和Talbot数值反演获得了模型解。第3类入流边界条件下,考虑源区的扩散和降解时,第1类隔离墙(土工膜/土-膨润土)和第2类隔离墙(土-膨润土/土工膜/土-膨润土)100 a的击穿浓度分别较源浓度恒定时减少了59%和53%。由于假设土工膜渗透系数高于10^–12 m/s,污染物在复合隔离墙中的对流作用不能忽略,因此,采用第2类复合隔离墙使土-膨润土能更好地发挥主导隔离作用。将土工膜的渗透系数从10^–10 m/s减少到10^–16 m/s,第1类复合隔离墙的击穿时间从26 a增加到188 a,第2类复合隔离墙的击穿时间从32 a增加到81 a。利用抽水井调整墙体内外为负水头差及提高源区的污染物降解能力,可使隔离墙的防污性能得到较大提升。     

饱和黄土卸载特性影响因素研究

黄土边坡开挖过程中常遇到边坡发生变形甚至破坏的情况,不同的开挖速率导致边坡的变形特征也不相同。通过饱和黄土的卸载三轴试验,研究固结围压及卸载速率对卸载状态下饱和黄土的应力-应变特性、孔隙水压力的发展及应力路径的影响。试验表明,固结围压越大,土体破坏所需的偏应力越大,抗剪强度越大;卸载速率越大,对应的偏应力峰值越大,抗剪强度越大。卸载速率相同时,土体卸载初期的超静孔压为负值,增大至正值后孔压的增长速率在其增大过程中逐渐减小;固结围压越大,土样剪切过程中对应的孔隙水压力越大。卸载三轴试验中,土体均表现为应变软化的特性;饱和黄土破坏时的应变均为1%~3%,且固结围压越高,破坏时的应变越小。固结围压相同时,卸载速率越大,孔压增长速率越快,但孔隙水压力值越小。     

变荷载下结构性土一维固结近似解

采用简化的k-σ′和mv-σ′分段模型,通过把结构性土一维固结问题转化为上、下层土体厚度不断变化的双层地基一维固结问题,得出了变荷载下结构性土一维固结近似解,并与数值解对比验证了解的合理性。分析结构破坏后渗透系数和体积压缩系数的变化分别对结构性土固结特性的影响表明,在固结系数减小程度相同的情况下,渗透系数减小程度增加则按孔压定义的固结度减小程度加大,而体积压缩系数不断增加则按变形定义的固结度减小程度加大;固结过程中按孔压定义的固结度大于按变形定义的固结度,且随着体积压缩系数增加程度加大,二者的差距加大。     

Numerical analysis of the installation effect of diaphragm walls in saturated soft clay

The construction of diaphragm wall panels can cause the stress change and soil movements in adjacent ground. In this paper, the construction sequence of a typical diaphragm wall panel in saturated soft clay is simulated with a 3D finite element program. The soil is assumed to behave as an isotropic linear elastic/Mohr–Coulomb plastic material with a soil–water coupled consolidation response. Influence of the pore water pressure is concerned to consider the consolidation behavior of the saturated soft clay. The analysis shows that the changes in effective horizontal stress and pore water pressure during diaphragm wall installation depend on arching mechanism and permeability. The variation in stresses and movements of ground computed by the coupled consolidation analysis and the total stress analysis are compared. Influences of the permeability coefficient on the installation effects are discussed by parametric studies. Finally, a case study of a diaphragm wall construction in Shanghai, in which the ground settlements were monitored, is presented to illustrate the prediction procedure of coupled consolidation analysis.     

饱和可液化土中地下结构在震后固结中的响应

饱和可液化土中地下结构在强震作用下会由于土层液化而上浮,从而对地下结构造成破坏。可液化土在地震结束之后,将由于超静孔隙水压力的消散而产生固结变形,而地下结构在土层震后固结过程中的响应是一个值得研究的问题。以地下结构在土层震后固结过程中的垂直位移为重点,应用非线性动力两相体有限元方法研究饱和可液化土和地下结构相互作用体系在地震后土层固结过程中的响应。研究结果表明,地下结构的上浮趋势不会在地震结束时立即结束,而是在土层超静孔隙水压力经过一段时间的重分布及消散以后停止,之后地下结构有一定的沉降位移,但沉降位移远小于上浮位移,因此地下结构在震后会残留向上的垂直位移。文中还讨论了土层的应力路径响应、水压消散过程及截断墙与土层渗透系数对地下结构在震后固结过程中响应的影响,试图讨论饱和可液化土中地下结构在震后固结中响应的机理。     

Working mechanism of cutoff walls in reducing uplift of large underground structures induced by soil liquefaction

The uplift of large underground structures in saturated liquefiable soils under strong earthquake loadings may induce severe damages to the structures. Various mitigation procedures have been proposed to alleviate such damage, among which installation of cutoff walls next to underground structures was found to be effective. However, the working mechanism of cutoff walls in alleviating uplift of underground structures and the corresponding design parameters are still not clear. The liquefaction induced uplift behaviour of a subway tunnel in saturated sandy deposit over a layer of non-liquefiable soils and the working mechanism of cutoff walls for uplift mitigation purpose were investigated using the fully coupled dynamic finite element code DIANA Swandyne-II. A generalized plasticity model capable of simulating both cyclic liquefaction and pressure dependency of soils was used to model the sandy deposit. It is found that the small effective unit weight of underground structures, the development of excess pore pressure and the flow of liquefied soils were the sufficient and necessary conditions for underground structures to uplift during earthquakes. Cutoff walls could restrain the flow or deformation of liquefied soils and inhibit the uplift of underground structures but they could not necessarily prevent the liquefaction of the enclosed soils. After earthquake loadings, underground structures might settle due to the consolidation of soils and cutoff walls could also reduce the magnitude of settlement. The design parameters of cutoff walls, including the acting lateral pressure, the position, the stiffness and the permeability of cutoff walls, were also analyzed, the findings of which, together with the unveiled working mechanism, would be relevant for the design of cutoff walls for uplift mitigation purpose.     

截断墙法降低地下结构地震液化上浮

位于饱和可液化土中的地下结构在地震激励下会由于土层液化而上浮,从而对结构造成严重破坏,设置截断墙是减少这种破坏的有效措施,在国外已经得到成功应用。但是,截断墙减小地下结构地震液化上浮的工作机理尚不明了,其设计参数的影响亦亟待进一步研究。采用以动力两相体有限元法,分析了钢板桩截断墙在不同地震强度激励下降低地下结构地震液化浮的效果,探讨了其工作机理。分析结果表明截断墙对降低地下结构地震液化上浮有明显效果。同时,通过对地层中超静孔隙水压、土体变形、应力路径、应力-应变关系的分析发现,截断墙的主要作用在于抑制可液化土的变形和流动。虽然,在较弱地震激励下截断墙可以抑制超静孔隙水压的上升,但在较强地震作用下超静孔隙水压不减反增,通过分析解释了这种矛盾。同时还分析了钢板桩的水平位置、嵌入下卧非液化土层深度与地下结构搭接长度等设计参数对降低地下结构上浮影响,为钢板桩截断墙的设计提供科学依据。     

Compression behavior of reconstituted soils mixed with bentonite for a cutoff wall in a landfill site

Soil-bentonite (SB) backfill is used extensively in cutoff walls at landfill sites; the walls are used as engineered geotechnical barriers for contaminant control. With increasing bentonite content, the coefficient of consolidation and hydraulic conductivity of the SB decrease. However, when the bentonite content is increased beyond a certain percentage, the hydraulic conductivity of the SB decreases very little. One of the aims of this paper is to introduce the concept of optimal bentonite content (OBC) for SB cutoff walls, in which the hydraulic conductivity (k_h) is expected to be lower than 1?×?10^?9 m/s. Additionally, the paper introduces a new index consolidation stress ratio, c_vσ′, which is used to obtain the OBC. For this study, the initial water contents of the SB backfill material are selected to be 0.8, 1.0, and 1.2 times their corresponding liquid limits. The clayey soils are amended with different bentonite contents, 0, 5, 8, and 10% (by dry weight basis) for the oedometer tests. Then, piezocone penetration test (CPTU) is applied in SB cutoff wall at a landfill site in Jingjiang city, China. The results of the laboratory and field studies show that the introduction of a new index, c_vσ′, is very useful for calculating the OBC and for evaluating the coefficient of consolidation and hydraulic conductivity of SB backfill. The advantage of SB backfill with OBC is that it can achieve the design requirement of very low hydraulic conductivity and improve the safety reserves.     

考虑渗流与变形耦合作用的基坑工程空间效应

基于三维比奥固结理论,编制了考虑地下水渗流与土骨架变形耦合效应的有限元程序,分析了基坑变形以及坑内外超静孔压和土水势的空间分布规律,并与二维分析的结果进行了对比。研究表明,由于空间效应的影响,基坑中部截面处的围护结构水平位移和坑后地表沉降较基坑边缘截面处的围护结构水平位移和坑后地表沉降大,而基坑中部截面处的超静孔压和土水势却较小;与三维有限元分析的结果相比,二维分析时围护结构的水平位移和坑后地表沉降都更大。     

沉积泥砂非线性大变形固结沉降计算模型

沉积形成的水底黏性泥砂自重固结过程表现出显著非线性大变形固结特征,应采用大变形固结理论进行泥砂沉积固结计算。基于软黏土一维非线性大应变固结理论,应用有效应力、渗透系数与孔隙比间扩展幂次函数固结本构关系,由达西定律、有效应力原理、连续介质方程等建立大变形固结控制方程,根据固结单元孔隙水渗流、单元变形与泥砂沉积层固结沉降耦合关系形成黏性泥砂大变形自重固结数值模型。泥砂自重作为固结荷载,数值模型假定沉积泥砂各向同性且固结沉降应变、孔隙水渗流仅发生于竖直方向,为一维单向沉积固结过程;采用泥砂沉降柱试验确定泥砂非线性扩展幂次函数关系参数。模型应用中,划分竖向固结单元,由沉积泥砂固结本构关系确定各固结单元有效应力及超孔隙水应力,通过超孔隙水应力时间维度上的消散过程及各固结参数间的耦合关系计算泥砂固结沉降。数值模型计算结果表明,沉积黏性泥砂自重固结初期表现为有效应力调整过程,初始有效应力与孔隙比根据固结本构关系匹配调整为扩展幂次函数关系;沉积泥砂应变与应力固结度存在20%左右误差,泥砂固结沉降发展快于超孔隙水应力消散过程,证明沉积泥砂固结沉降变形的发展与超孔隙水应力消散并非同步耦合。计算模型应用于室内沉降柱试验模拟淤积黏性泥砂自重固结沉降预测中,模型输出与试验结果符合良好。     

线性卸荷作用下软土超孔隙水压力变化规律分析

目前对软土在卸荷下的固结变形研究主要集中在瞬时卸荷。为明确线性卸荷作用下软土固结变形的规律,通过太沙基一维固结理论与有效应力原理的方法,研究了软土地基在任意卸荷速率下一维固结方程的通解,并求解了线性卸荷下固结方程的解析解。结果表明,线性卸荷作用下软土地基产生的负超孔压可以分成增长期、快速消散期和缓慢消散期3个阶段;卸荷速率影响负超孔压的增长路径和消散速率而卸荷量影响最大负孔压值,最大负超孔压值与卸荷量近似成线性增长关系;最后结合工程实例进行对比分析,发现卸荷导致的负超孔压值和其消散速率都在卸荷结束的时刻最大,同时理论计算结果及变化规律与实测有较好的吻合性。     

袋装砂井爆夯处理软土地基的数值模拟方法及现场试验验证

袋装砂井爆夯法处理软土地基是利用炸药在设置有排水通道的软土中爆炸产生冲击和振动而使土体加固的方法。针对该法进行理论研究,提出了一种将袋装砂井爆夯处理软土地基的三维问题转化为二维平面应变问题的数值模拟方法：袋装砂井转化为等价砂墙;利用等效冲量原理,炮孔爆炸压力则转化为等效压力墙。数值模拟中考虑了土体骨架变形与孔隙水非达西渗流的耦合。对数值模拟的现场试验验证分析表明,沉降数值分析的结果与铁路宁启线软基处理现场测试结果具有很好的可比性。所提出的数值分析方法可模拟袋装砂井爆夯处理软土地基的超静孔隙水压产生和消散以及土体沉降变形的动态过程。