粉砂地基深基坑工程土体渗透破坏机理及其影响研究

在砂土和粉土地区,渗透破坏是威胁基坑稳定性和周围环境的主要因素。基坑工程是由土、水以及围护结构组成的一个复杂系统,影响基坑工程渗透破坏的因素很多。在总结前人对土体渗透破坏与基坑工程渗透破坏模式的研究基础上,结合渗流对土体性质影响的试验成果,提出了考虑渗流、开挖卸荷以及围护结构变形共同作用的基坑工程渗透破坏分析方法,并分析了均质地基基坑工程的渗透破坏模式。将该方法运用于某粉砂地基基坑渗透破坏工程实例,通过有限元数值模拟,揭示了渗透破坏过程及其对围护结构的影响。通过对该基坑工程实例的分析认为,在进行基坑工程设计时不仅需要进行防止流砂、管涌等验算,还需考虑基坑工程整体破坏的可能性。     

基坑降水过程中地下水渗流数值模拟

基坑降水在基坑开挖中占有举足轻重的作用.根据渗流力学和岩土力学知识,建立基坑降水过程中渗流计算的数学模型,通过渗流数值模拟,分析了基坑降水过程中基坑土体渗透压力、水头变化规律以及对基坑变形的影响.     

均质非饱和土一维稳态流水头垂直分布的解析解

渗流场水头分布计算是进行渗流量和渗流水力坡降计算的基础,准确、有效地求取渗流场水头分布是渗流计算的关键环节。对均质非饱和土体一维稳态流的流动方程进行分析,考虑到渗透系数是与基质吸力相关的函数,通过数学变换,给出了稳定渗流场的解析通式,并基于渗透性函数中的Gardner模型,给出了非饱和土一维稳态流水头垂直分布的解析解。该解析通式表明,均质非饱和土一维稳态流水头垂直分布主要受地表水头、深度和流动率3个因素控制。分别计算了一维稳态蒸发条件下粉土和黏土两种典型土类水头沿垂直方向的分布。计算结果表明：稳态蒸发条件下粉土层和黏土层内的水头分布表现出相似的变化规律,即自地表至地下水位处随着土层深度的增加,水头分布呈现出加速递减的趋势;在相同的蒸发条件下,对于相同深度处的黏土和粉土而言,黏土层内水头更高些;对同一种土类而言,在较大的蒸发状态下同一深度处土层内水头更高。反之,则较低。     

岩土基坑开挖过程中的周围土体渗流-应力耦合模型

传统渗流-应力耦合模型仅考虑土体的各向同性特征,忽略了工程中应力与渗流的非线性影响,导致计算结果与实际情况偏差较大,由此,设计一种岩土基坑开挖过程中的周围土体渗流-应力耦合模型。搭建测试装置,利用瞬态试验法测定岩土基坑周围土体渗透率,分析岩土基坑周围土体基质块微观结构,得到土体变形方程并求解;从宏观角度分析土体应力,得到应力边界的面力结构,构建土体渗流-应力耦合模型。根据实际情况设定工程边界条件,选择某建筑工程中岩土基坑作为分析实例,测试结果表明,该模型计算结果与实际情况的误差低于0.2 m,可以为岩土基坑开挖提供参考。     

深基坑整体稳定性分析中的孔隙水压力问题

在深基坑开挖整体稳定性分析中,把孔隙水压力的计算分解成静水压力,动力压力和超静水压力三个部分,对于静水压力,指出了目前工程中简化计算方法所存在的问题,建议按渗流流网的水头梯度进行计算。对于基坑开挖卸载所引起的超静水压力,应根据坑内外土体的应力路径做三轴不排水剪试验确定。此外,对于基坑开挖采用总应力法分析时,应按卸载总应力强度指标计算。     

钱塘江冲海积粉土渗透破坏试验研究EI北大核心CSCD

钱塘江冲海积粉土以砂质粉土为主,呈'高粉性、低黏性'的地区特点,在地下水动水压力作用下极易产生渗透破坏。粉土是介于砂性土和黏性土之间的一种过渡类型土,工程性质既与砂性土不同又与黏性土有较大区别。采用自行研制的粉土抗渗强度测定设备,对钱塘江冲海积粉土5种典型样本和微层理原状样本进行了渗透稳定试验。结果表明,钱塘江冲海积粉土渗透稳定性差,抗渗强度低;砂质粉土临界水力比降icr为1.011.25,破坏形式为局部流土,从临界水力比降icr发展到破坏比降iF的过程是瞬间的,基坑开挖遇到该类土层极易产生渗透破坏;黏质粉土临界水力比降icr随黏粒含量增加而增加,从临界水力比降icr发展到破坏比降iF有个短暂的过程,是整体流土破坏;钱塘江冲海积粉土渗透稳定各向异性;渗流垂直微层理方向的临界水力比降icr最大,是渗流沿微层理方向icr的2.5倍左右。研究结果为粉土地基渗透破坏防治提供参考。     

基坑开挖中渗流-应力耦合模拟

根据基坑工程施工实际情况,基于地下水渗流的基本规律以及岩土体受力的本构模型,建立了在应力场和渗流场耦合作用下基坑受力的力学模型,通过有限元方法模拟了基坑开挖过程中周围应力场及渗流场的变化规律。计算结果表明：在设置挡土墙并及时排水情况下,随着开挖的进行,基坑周围的土体变形增大,挡土墙前的土体发生沉降,墙体最终发生变形,基坑底部土体向上隆起,在基坑角落处水头梯度较大,发生应力集中,容易导致工程事故,必须谨慎处理。另外,基坑在降水时内外水头差过大将会引起墙体承受过大压力,基坑周围沉降会更大,这样不利于墙体和周围建筑安全。     

钱塘江冲海积粉土渗透破坏试验研究

钱塘江冲海积粉土以砂质粉土为主,呈“高粉性、低黏性”的地区特点,在地下水动水压力作用下极易产生渗透破坏。粉土是介于砂性土和黏性土之间的一种过渡类型土,工程性质既与砂性土不同又与黏性土有较大区别。采用自行研制的粉土抗渗强度测定设备,对钱塘江冲海积粉土5种典型样本和微层理原状样本进行了渗透稳定试验。结果表明,钱塘江冲海积粉土渗透稳定性差,抗渗强度低;砂质粉土临界水力比降icr为1.01～1.25,破坏形式为局部流土,从临界水力比降icr发展到破坏比降iF的过程是瞬间的,基坑开挖遇到该类土层极易产生渗透破坏;黏质粉土临界水力比降icr随黏粒含量增加而增加,从临界水力比降icr发展到破坏比降iF有个短暂的过程,是整体流土破坏;钱塘江冲海积粉土渗透稳定各向异性;渗流垂直微层理方向的临界水力比降icr最大,是渗流沿微层理方向icr的2.5倍左右。研究结果为粉土地基渗透破坏防治提供参考。     

降雨对非饱和残积土中基坑受力变形影响的机理研究

花岗岩残积土在非饱和状态下的工程性质良好,但其极易受到降雨影响。厦门石鼓山西通道项目的实测数据表明,降雨入渗引起残积土中基坑围护桩变形显著增加。本文采用PLAXIS有限元软件建立数值模型,通过瞬态渗流分析,探究降雨入渗加剧非饱和残积土中基坑变形的机理。结果表明,降雨入渗会显著加剧非饱和残积土中基坑变形,降低基坑的稳定性,其原因是降雨入渗使基坑内外土体饱和度增加,基质吸力降低,进而导致土体抗剪强度减小,同时导致主动土压力增大。相比于低渗透性土,饱和渗透系数较高的残积土层中基坑持力层土体强度更易受到降雨的影响。墙后土体应力路径表明,降雨过程土体所受剪力基本保持不变,基坑变形增加较小,降雨后的清淤开挖使桩后土体达到临界抗剪强度,导致基坑变形急剧增加。     

吹填人工岛地基钙质粉土夹层的渗透特性研究

南海吹填钙质土地基中含有多层粒径小于0.075 mm的细颗粒钙质粉土夹层,这些粉土夹层的渗透性对人工岛地下淡水的形成具有重要影响。通过室内变水头试验研究了钙质粉土渗透系数与干密度、初始含水率之间的相关性,论证了Samarasinghe与Mesri公式在计算钙质粉土渗透系数上的可靠性;通过静态氮吸附试验对渗透试验前、后钙质粉土的孔径变化特征进行了分析。研究结果表明:钙质粉土的渗透系数在初始含水率相同时随着干密度的增大而减小,在干密度相同时随着初始含水率的增大而增大,且在饱和时渗透系数达到最大;Samarasinghe与Mesri公式对钙质粉土渗透系数的计算具有较高精度;钙质粉土为大孔材料,渗流作用下使更多的微孔和介孔转变为大孔,孔隙类型以一端开口的均匀圆筒形孔为主。研究成果可为南海的人工吹填岛地下水渗流场的计算分析提供科学依据。     

堰塞坝体材料渗透特性及其稳定性研究

堰塞坝是由于崩塌、滑坡、泥石流等形成的天然坝体,不同于人工土石坝,堰塞坝坝体结构松散,颗粒级配不均匀,在较高水头作用下坝体可能发生渗透破坏而导致溃坝,严重威胁下游人民群众的生命及财产安全。由于堰塞坝存在较大粒径颗粒,常规的渗透试验装置难以满足要求,本文研制了直径为60cm的大直径渗透试验仪,进行了不同堰塞坝级配材料的渗透破坏试验,并探讨了堰塞坝体材料渗透特性的主要影响因素。研究发现:（1）堰塞坝材料的渗透破坏形式取决于材料级配,粗颗粒含量较多时为管涌破坏,细颗粒含量较多或粒径缺失时为流土破坏;（2）堰塞坝渗透系数随干密度的增大而减小,主要取决于细料填充粗料孔隙的程度,单独使用不均匀系数或曲率系数不适用于评价渗透系数的变化;（3）基于试验数据提出了用于堰塞坝渗流破坏形式的判别公式,并推导出堰塞坝管涌破坏的临界水力坡降计算公式。     

黄泛区地铁渣土制备高流动土试验研究

利用黄泛区地铁工程废弃土制备不同配比的高流动土,并对其工程特性及应用进行研究,提高工程废弃土的利用率,为实现工程低碳排放具有重要意义.取用郑州地区地铁工程废弃粉黏土、粉砂土作为原料,掺入一定比例的水泥和水,配制了24组不同土类、不同配合比、不同预拌时间等影响的流动土试样.利用流动性试验、泌水试验测试时间对流动土流动特性的影响,推荐了粉黏流动土流动性随时间变化经验公式.通过图像三轴仪,测试了粉黏流动土固化后的无侧限强度及变形特征,分析了不同破坏模式.试验结果表明,粉砂土流动土的流动性强于粉黏流动土,泡沫能增加流动土的流动性.大部分流动土在2小时内流动性能满足工程的要求,当需要增加预拌时间时,需要综合考虑强度和流动性需求.粉黏流动土试样剪切后有剪切破坏、压缩破坏、劈裂破坏等3种破坏模式,其受水泥掺量不同而改变.通过流动损失率、强度、变形等分析了该地区高流动土的工程应用控制指标和对策,对于指导该地区地铁废弃渣土的工程应用提供试验依据.      

Models for predicting the seepage velocity and seepage force in a fiber reinforced silty soil

Randomly reinforced soil is used in hydraulic projects such as temporary canals, earth dams, stream restoration and so on for controlling seepage. This paper presents an investigation into the effect of random reinforcement on the seepage velocity and seepage force in a silty soil. Experimental tests were carried out on randomly reinforced samples with two types of fiber at different lengths and percentages. The results show that the random reinforcement of soils with fiber is an effective technique in controlling the seepage velocity and seepage force. Regression models were developed based on the experimental data for determination the seepage velocity and seepage force. The proposed models include the length of fiber, fiber content of soil and hydraulic gradient. Comparison between the model predictions and the experimental results shows that the proposed models can satisfactorily predict the seepage velocity and seepage force for a randomly reinforced silty soil. Analysis of the results of the proposed models shows that the seepage velocity increases with increasing the hydraulic gradient but decreases with increasing fiber length and fiber content. In addition the seepage force increases with increasing the fiber length and fiber content of the soil.     

考虑竖向附加应力作用的一维垂直土柱仪研制与应用

渗透系数是研究实际工程渗水问题的关键参数之一。以往对于非饱和土渗透系数的试验研究中,增湿工况较为单一,极少考虑竖向附加应力的影响。基于此,开发了一套一维垂直土柱试验装置以弥补这一缺陷。该装置主要由试验台架、土柱筒、竖向加载装置、供水装置、水分传感器、张力传感器以及数据采集系统等组成,可模拟竖向附加应力作用下降雨、积水入渗、毛细上升工况,可测定增湿过程中水的入渗量与浸润峰时程线、土柱竖向变形以及不同截面的体积含水率与基质吸力的时程曲线,基于瞬态剖面法可获得不同截面处增湿时土的非饱和渗透系数与吸力关系。最后,以兰州Q3非饱和粉质黄土为例,初步开展了不同竖向附加应力作用下土柱积水入渗试验,分析入渗量、湿润锋、体积含水率、吸力及竖向变形时程线变化规律,获取渗透系数与吸力关系的渗透函数变化规律,通过对比类似试验结果,表明试验结果符合渗水规律,验证了研制土柱仪的有效性,但其可靠性还需进一步研究。本试验装置为不同工况下非饱和土体变形、水分迁移规律及渗透特性研究奠定基础,并获得相应试验参数。     

砂土地基和粉质黏土地基基坑悬臂开挖离心模型试验

分别开展砂土和粉质黏土两种典型土质条件下基坑悬臂式开挖离心模型试验,详细叙述试验过程中所要解决的关键问题,并提出合理的解决方案。通过对比分析两组试验结果,得到以下结论：非饱和土地基制备中参数控制困难,分层夯实法有待进一步改进,而砂雨法制备的砂土地基参数可控性更好;两组试验的结果有差异,砂土地基试验所呈现的土压力、地基变形、支护弯矩的变化规律更好,因此,岩土离心试验可适当考虑以砂土代替非饱和土;对于采用悬臂式支护结构的基坑,开挖引起的地表沉降曲线在砂土中呈指数型,而在粉质黏土中呈直线型;开挖引起的粉质黏土地基土体位移范围较砂土地基更大;开挖引起的砂土中挡墙弯矩较粉质黏土更大,砂土和粉质黏土中最大弯矩位置都随开挖逐渐下移;在砂土试验中开挖引起主动区土压力各处均减小,而在粉质黏土试验中开挖引起土压力在挡墙底有增大趋势。该基坑工程离心模型试验过程及数据处理方法可为进一步试验提供参考。     

粉砂地基深基坑渗透破坏研究

在地下水丰富的砂土和粉土地区进行深基坑开挖,坑内降水施工或渗漏引起的渗透破坏问题是威胁基坑稳定性和周围环境的主要因素。通过模型试验结合数值模拟,研究了土体密实度、黏聚力、内摩擦角、桩土界面摩擦特性以及围护结构插入深度等因素对临界水力梯度以及渗透破坏模式的影响。研究表明,发生渗透破坏时的水力坡降不仅与土的密实度有关,还与土性、强度指标、桩表面粗糙度以及围护结构的插入深度等因素有关,这些结论为实际基坑工程分析提供了指导。     

水泥偏高岭土复合稳定粉砂土渗透特性试验研究

水泥稳定粉砂土抗渗性能受粉砂土自身渗透性能、水泥用量、水灰比等因素影响显著,如何在提升其抗渗性能的同时降低水泥用量是提升工程经济效益的关键。通过开展不同水泥偏高岭土掺比、初始用水量、水泥偏高岭土总掺量以及养护龄期条件下的室内渗透试验,研究了上述因素对水泥偏高岭土复合稳定粉砂土抗渗性能的影响规律,探讨了上述因素及无侧限抗压强度与渗透系数之间的经验关系。结果表明：水泥与偏高岭土掺比为5:1时,水泥偏高岭土复合稳定粉砂土抗渗性能最佳,且该掺比不随水泥偏高岭土总掺量的改变而变化;水泥偏高岭土复合稳定粉砂土渗透系数随初始用水量增加呈非线性递增,随水泥偏高岭土总掺量增加和养护龄期发展呈先快后慢降低;基于试验结果归纳提出了4个关于初始用水量、水泥偏高岭土总掺量、养护龄期和无侧限抗压强度的水泥偏高岭土复合稳定粉砂土渗透系数经验模型。研究成果可为水泥稳定粉砂土抗渗性能提升提供理论参考与借鉴。     

Investigation of slope instability induced by seepage and erosion by a particle method

A novel particle based Bluff Morphology Model (BMM) developed by the authors is extended in this paper to investigate the effect of two dimensional seepage on the stability and collapse of soil slopes and levees. To incorporate the seepage in the model, Darcy’s law is applied to the interactions among neighbouring soil particles and ghost particles are introduced along the enclosed soil boundary so that no fluid crosses the boundary. The contribution of partially saturated soils and matric suction, as well as the change in hydraulic conductivity due to seepage, are predicted well by the present model. The predicted time evolution of slope stability and seepage induced collapse are in reasonable agreement with the experimental results for homogeneous non-cohesive sand and multiple layered cohesive soils. Rapid drawdown over a sand soil is also investigated, and the location and time of the levee collapse occurrence are well captured. A toe erosion model is incorporated in the BMM model, and the location and quantity of erosion from lateral seepage flow is well predicted. The interplay of erosion, seepage and slope instability is examined.     

Laboratory Investigation into the Effects of Silty Fines on Liquefaction Susceptibility of Chlef (Algeria) Sandy Soils

In a number of recent case studies, the liquefaction of silty sands has been reported. To investigate the undrained shear and deformation behaviour of Chlef sand–silt mixtures, a series of monotonic and stress-controlled cyclic triaxial tests were conducted on sand encountered at the site. The aim of this laboratory investigation is to study the influence of silt contents, expressed by means of the equivalent void ratio on undrained residual shear strength of loose, medium dense and dense sand–silt mixtures under monotonic loading and liquefaction potential under cyclic loading. After an earthquake event, the prediction of the post-liquefaction strength is becoming a challenging task in order to ensure the stability of different types of earth structures. Thus, the choice of the appropriate undrained residual shear strength of silty sandy soils that are prone to liquefaction to be used in engineering practice design should be established. To achieve this, a series of undrained triaxial tests were conducted on reconstituted saturated silty sand samples with different fines contents ranging from 0 to 40 %. In all tests, the confining pressure was held constant at 100 kPa. From the experimental results obtained, it is clear that the global void ratio cannot be used as a state parameter and may not characterize the actual behaviour of the soil as well. The equivalent void ratio expressing the fine particles participation in soil strength is then introduced. A linear relationship between the undrained shear residual shear strength and the equivalent void ratio has been obtained for the studied range of the fines contents. Cyclic test results confirm that the increase in the equivalent void ratio and the fines content accelerates the liquefaction phenomenon for the studied stress ratio and the liquefaction resistance decreases with the increase in either the equivalent void ratio or the loading amplitude level. These cyclic tests results confirm the obtained monotonic tests results.