打桩引起的基坑开挖问题及处理

通过某电厂桩基处理工程实例,介绍了打桩引起的预制桩偏位及开挖问题。在不加外荷载情况下,采用塑料排水板方法消散打桩引起的超静孔隙水压力的处理措施,解决了高孔隙水压力下主厂房的开挖问题。分析了塑料排水板消散孔隙水压力的影响因素。观测结果及工程实践表明,塑料排水板处理桩基工程快速经济,可不需加载,但处理效果与水平排水系统有关。     

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。     

浅层地基上管道轴向运动的阻力研究

铺设于深海浅层地基上的海底管道在运行期间受高温高压等的作用易产生轴向膨胀和收缩，间歇性的往复剪切管道周围浅层地基土，对这种管道轴向运动过程中管?土相互作用机制需深入研究。基于修正剑桥模型建立了浅埋式管道在运行期间的轴向运动过程的小变形有限元分析（SSFE），采用有效应力指标，得到了不同初始埋深的管道在轴向运动过程中地基土在临界塑性剪切固结阶段的轴向阻力随时间发展规律（S形管?土轴向阻力发展曲线），探究了不同剪切速度下剪切带内地基土的超孔隙水压力、管?土界面摩擦系数、反映管?土接触面形状的楔形变形因子ζ以及管?土之间轴向阻力等的发展变化规律，研究发现轴向剪切产生的超孔压是速度和时间的函数，随着轴向运动速度减小，峰值超孔压的值减小且出现峰值超孔压的时间推迟。管道轴向运动过程中地基土由不排水条件向排水条件过渡的内在机制做出了较完整的阐述。     

盾构施工引起的固结沉降分析

盾构在低渗透性土层中开挖,常常伴随着地表下沉,究其原因为超孔隙水压力消散引起固结沉降的结果。为对盾构施工引起土体的固结沉降进行研究,首先,根据隧道施工前后土体应力的变化值,应用Henkel超孔隙水压力理论,推导了隧道开挖引起的初始超孔隙水压力的计算公式,并采用数值分析方法,考虑了由于土体的固结引起的沉降变形。研究成果应用到上海地铁2号线,根据具体的地质条件进行理论计算分析。结果表明,隧道开挖引起的初始超孔隙水压力最大值位于隧道起拱线处,地表固结沉降预测值与实测值吻合较好。     

开孔管桩复合地基排水固结解析解

现有复合地基的竖向增强体往往无法兼具排水能力与竖向刚度。基于该工程现状,提出一种桩身开孔、能够达到排水效果的新型预制管桩,并针对其开展地基固结分析。假设孔洞流体满足管流条件以及管桩内往孔压连续,并考虑褥垫层的协调作用,推导出排水桩等应变固结解析解。基于该解析解,首先对砂井、碎石桩、不排水桩以及排水桩在相同外径尺寸情况下的排水固结能力进行了对比,结果显示开孔排水桩具有最好的排水固结能力。接着分析了桩身模量、褥垫层模量以及井径比的影响。最后分析了桩身性质（桩身开孔和桩体弹性模量）的影响,计算结果表明,排水能力和模量是影响固结性能的两个主要因素,且排水能力最为重要。但在排水能力相同的情况下,桩身模量越大,则固结越快。     

考虑固结的透水管桩沉桩全过程有限元模拟

运用透水管桩技术加快沉桩后桩周土体内超静孔隙水释放,进而消除沉桩施工中超静孔压的不利影响。基于有限元数值计算法,利用ABAQUS有限元软件建立透水管桩模型,实现透水管桩贯入过程以及桩周土体固结过程模拟。对比CEM圆柱孔扩张理论验证数值计算结果;阐述透水管桩贯入过程中位移场以及超静孔压场变化规律;对比分析静压桩和透水管桩桩周土体固结性状,结果表明透水管桩能加速超静孔压消散,短期内实现桩基承载力的快速提升。     

An analytical solution for the consolidation around a driven pile

Field studies have shown that the driving of a displacement pile into cohesive soil generates large excess pore pressures in the vicinity of the pile. These pore pressures are often larger than the effective overburden pressure and facilitate the installation of the pile. The subsequent increase in bearing capacity of the pile is largely controlled by the dissipation of the excess pore pressures and a consequent increase in the effective stresses acting on the pile. The paper presents a closed formanalytical solution for the radial consolidation of the soil around a driven pile, assuming that the soil skeleton deforms elastically. This assumption is examined in the light of the predicted effective stress changes in the soil and is shown to lead to, a realistic model for the decay of pore pressure near the pile with time after driving. Although the solution may be applied to any initial distribution of excess pore pressure, attention is focussed on that due to the expansion of a cylindrical cavity in an ideal elastic, perfectly plastic soil. The resulting logarithmic variation of excess pore pressure with radius is considered to be close to that generated around a pile as a result of driving. In addition to giving estimates of the time needed for a driven pile to achieve its maximum strength, the solution may also be used in the analysis of pressuremeter tests to provide in-situ measurements of the coefficient of consolidation of the soil.     

Radial consolidation with variable compressibility and permeability following pile installation

The excess pore pressure generated by pile installation gradually dissipates following installation, which mainly dominates the increase of pile capacity with time. The dissipation of the excess pore pressure following pile installation has been widely investigated by experimental and theoretical studies. However, in most research, the consolidation coefficients were assumed to be constant for simplification, which may lead to errors. In the present study, the dissipation of the excess pore pressure is analyzed by radial consolidation theory with a variable consolidation coefficient based on the linear responses of e − ln(p^′) and e − log(k). The governing equation of the radial consolidation considering variable compressibility and permeability are solved by the variable separation method. Bessel functions are used to solve the differential functions for the time independent part. The excess pore pressure immediately after pile installation is obtained from cavity expansion theory and is used as the initial condition of the consolidation process. Moreover, the influences of variable compressibility and permeability on the variation of consolidation coefficient and excess pore pressure dissipation are analyzed.     

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。     

基于变固结系数的静压桩周土体力学特性研究

以静压沉桩后桩周土体的应力状态为初始条件,根据桩周土体孔隙比、渗透系数和有效应力之间的相关性,在考虑固结系数随固结时间变化的条件下改进了轴对称条件下的太沙基固结控制方程。随后,采用分离变量法和离散化分析推导得出了桩周超孔隙水压力消散的半解析半数值解,并将解答与实测数据进行对比验证。在此基础上,采用空间滑动面理论改进的修正剑桥模型（SMP-MCC）定义土体三维不排水抗剪强度,研究了静压桩周土体强度、剪切模量随固结时间的变化规律。研究结果表明：由于解答考虑了固结系数随固结时间的变化,因而与实测结果吻合良好;土体压缩指数与渗透指数之比对土体固结系数和孔压消散速率影响较大;当土体压缩指数与渗透指数之比为1时,土体固结系数保持不变,解答退化为经典的太沙基轴对称固结方程;土体强度和剪切模量随固结时间的增长而逐步增加,固结完成后其值超越了土体原位强度和原位剪切模量。     

An analytical study of the effect of penetration rate on piezocone tests in clay

Finite element cavity expansion analysis investigating the effect of penetration rate on piezocone tests in clay is presented. A coupled analysis was performed, in which the rate of cavity expansion was linked to the penetration rate of the cone and the cone angle, using the assumption that the deformation was wholly radial, and took place only between the cone tip and the cone shoulder. The soil was modelled using modified cam clay with two sets of parameters and varying values of overconsolidation ratio (OCR). The influence of penetration rate on the stress and pore pressure distributions was examined. For slower penetration rates, the excess pore pressure at the cone shoulder is lower since consolidation is permitted coincident with penetration. The radial profiles of post‐penetration voids ratio demonstrate that partially drained penetration is permitted by volume change in the near field, in addition to radial movement in the far field. The radial distribution of excess pore pressure after slow penetration differs from the undrained case, with a relatively low radial gradient existing at the cone face. As a result, the dissipation curves after slow penetration lag behind those following fast penetration. The cone velocity is made dimensionless by normalizing with the coefficient of consolidation and the cone diameter. ‘Backbone’ curves of normalized velocity against normalized tip resistance and excess pore pressure capturing the transition from undrained to drained penetration are derived. The normalized pore pressure backbone curve is unique, whilst the normalized tip resistance shows a small dependency on OCR. These backbone penetration curves are compared with centrifuge model piezocone tests conducted at varying rates, and subsequent dissipation tests. The numerical and experimental results suggest that the value of consolidation coefficient operative during the dissipation phase is 2–4 times higher than the virgin compression value due to changes in the operative soil stiffness, as demonstrated from the stress paths of individual soil elements. The use of multi‐rate penetration tests to deduce values of consolidation coefficient is discussed, in light of these differences. Copyright © 2005 John Wiley & Sons, Ltd.     

软土地层桥梁群桩基础桩土共同作用性状的非线性有限元分析

通过对某高速铁路特大桥群桩基础进行三维非线性有限元分析,并结合现场试验得出的规律进行相应的对比分析,研究了软土地层桥梁群桩基础桩身轴力、桩侧摩阻力、基底土体附加应力、孔隙水压力分布、超孔隙水压力消散和群桩基础荷载沉降规律。计算结果表明,基桩所承受的轴力,角桩＞边桩＞中心桩,角桩和边桩的轴力沿桩身减小的幅度较大,而中心桩的轴力沿桩身减小的幅度稍小;各基桩桩侧摩阻力的发挥情况,侧摩阻力值总体上呈角桩＞边桩＞中心桩,相对滑移量基本呈上大下小的形态,即桩身上部桩-土之间产生的相对滑移量较中下部要大;外荷载作用下产生的土体附加应力和超孔隙水压力主要集中在承台底以下土体的一定范围内,其衰减梯度沿深度方向逐渐降低,随着固结时间的延长,群桩基础沉降达到稳定。     

静压桩承载力时间效应的研究进展

由于静压桩沉桩后桩周土重塑,静压桩承载力表现出随着休止期的延长而增长的特性。本文从静压桩沉桩后桩周土体内孔隙水消散固结的角度出发,对静压桩承载力时间效应的理论和试验分别进行归纳,结合孔隙水消散路径及固结模型,对桩周土体初始超静孔隙水压力大小及其分布特征进行总结,分析承载力各种测试方法的优缺点,对静压桩承载力的时效性进行深化研究,并探讨了不同地质条件、不同桩的类型对休止期内静压桩承载力的影响,进一步对基于实测数据得出的经验公式进行总结。讨论了基于不同本构关系模型的应力场及位移场解答和沉桩后孔隙水压力消散解答,在此基础上总结了桩基极限承载力理论公式;探讨了黏性土、砂土条件下,考虑超固结比、不排水抗剪强度和塑性指数比对桩基极限承载力系数A的影响,在此基础上归纳了桩基极限承载力经验公式。建议在经验公式基础上设置多重参数,以提升经验公式的精确度,并完善对不同桩、土类型的参数解答;利用BP神经网络,导入静压桩承载力相关参数,以得到针对不同地质条件、桩型、休止期的承载力最优解。     

软土次固结阶段桩侧负摩阻力变化规律研究

设计软黏土中单桩模型箱试验,模拟了桩周土逐级加荷沉降,通过量测超孔隙水压力、土体沉降及桩身轴力变化,分析了软黏土进入次固结阶段时,桩侧负摩阻力及桩身中性点位置变化情况。研究表明,在次固结阶段桩周土所产生的沉降对桩侧负摩阻力仍具有一定影响,沿桩身呈先增大后减小的趋势;当桩周土所施荷载等级达到一定程度时,桩身中性点位置将随着桩周土次固结时间的增长而逐渐上移。次固结阶段产生的沉降量与土体上所施加的荷载等级有关,随着桩周土荷载等级的增大,次固结阶段产生的沉降所占总沉降的比例逐渐减小,其蠕变效应逐渐减弱。     

考虑超静孔隙水压力消散的管桩承载力时效性研究

沉桩引起的超静孔隙水压力消散是产生管桩极限承载力时效性的主要因素之一。结合天津东疆保税港区物流加工区二期工程,利用有限元模拟分析沉桩后超孔压的消散规律及管桩的极限承载力随时间变化的规律,提出吹填土中管桩时效承载力公式供工程参考使用,并进行吹填土现场各测点沉桩过程及沉桩后孔隙水压力的监测,验证模拟结果的同时探讨超静孔隙水压力的分布及消散规律。模拟得到沉桩后桩底超孔压随时间消散, 20d后消散率达到97%; 管桩的时效承载力随时间增长,并与超孔压的消散有着明显的对应关系; 得到吹填土中管桩承载力的时效公式以供工程参考使用。现场孔压监测表明深度增加,超孔压增大; 离桩越近,超孔压越大; 土层渗透系数越小,超孔压消散越慢。施工对土体的有效影响范围为9~10倍桩径。     

饱和黏土中单桩桩周土空间轴对称固结解

通过分析单桩成桩后桩周土体固结的边界条件和初始条件,建立了饱和黏土中单桩桩周横观各向同性土体的空间轴对称固结问题的定解条件,应用数学物理方法求得该问题的级数解答。通过土体固结与桩承载力的时效性之间的关系,利用承载力的实测资料换算得到的等效固结度,验证了解答的合理性和适用性。同样,应用级数解答求得的桩周土体的固结度可用于桩的承载力的时效分析。     

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。     

高速滑坡形成机制： 土粒子破碎导致超孔隙水压力的产生

通过排水剪切试验，揭示出易于产生粒子破碎的土体易于产生体积变化，土体初始结构和粒子破碎难易度对体积变化各阶段的影响。在与之相对应的不排水试验中，产生粒子破碎的土体最终产生了较高的超孔隙水压力，而且孔隙水压力产生的各阶段与排水试验中的体积变化阶段具有良好的对应关系。揭示了不同诱因产生的高速滑坡的共同特征，即在长距离运动中，由于粒子破碎的影响，滑动面土体在不排水条件下，抗剪强度因超孔隙水压力上升而下降，最终导致高速滑坡。同时，由于粒子破碎将导致土体自身渗透系数降低，土粒子破碎因而具有促进超孔隙水压力产生和减缓超孔隙水压力消散的双重效果。     

考虑桩体固结变形的散体材料桩复合地基固结解析计算

将单个散体材料桩截面和单桩影响范围内的桩周土截面作为一个研究单元考虑,由固结过程中孔隙水排出量等于单元体体积减小量,并引入平均超孔隙水压力的概念,考虑桩体的固结变形,推得散体材料桩复合地基的固结方程。通过等应变假设和初始边界条件,由分离变量法对该固结方程进行求解,得到了桩体和桩间土的平均超孔隙水压力、平均固结度、复合地基整体固结度。通过某工程实例计算,将计算结果与已有解析解进行了比较分析。当散体材料桩复合地基的井径比较大时,两者计算结果十分相近;当井径比较小时,两者差别较大。     

近接建筑荷载作用下阳角型深基坑最佳支撑位置

近接荷载作用下基坑阳角区的受力机制复杂,因此,研究支撑位置变化对基坑阳角区的影响具有重要意义。采用现场监测和数值模拟方法研究了支撑位置变化下基坑阳角区的受力特性和变形规律,主要包括内支撑轴力、桩身侧向土压力、支护桩水平位移、近接建筑沉降和支护桩弯矩等。研究结果表明,支撑位置深度太大或太小均对基坑支护系统的受力和协调变形规律不利,最佳支撑位置的深度在基坑深度的0.33～0.50倍之间(支护桩深度的0.10～0.33倍)。