淤填黏土铺盖裂缝大变形固结试验研究

正前言当前,对于大变形问题的研究有两种理论,分别为格朗日描述和欧拉描述,导致大变形固结方程也出现了不同形式的表达方式。但是这其中对于大应变固结微分方程(以超孔隙水压力为控制变量)的研究还不深入[1]-[8],尤其是在渗压作用下黏土铺盖裂缝的大变形渗压固结微分方程的研究较少。本文通过模型试验和理论计算深入研究了在渗压作用下淤填黏土的固结机理。     

分级真空预压法加固吹填土过程中孔隙分布特征

针对实际工程中吹填土自重固结时间过长和真空预压加固过程中排水管容易淤堵、固结、速度减慢的问题,提出了分级真空预压即逐级施加真空荷载的加固方案,进行了室内模拟试验。试验结果表明：吹填土在固结过程中含水率逐渐减小,易溶盐含量逐渐减小,土体强度逐渐增大,吹填土的物理化学性质得到改善,土体固结效果较均匀;同时对吹填土固结过程中取样进行压汞试验,利用分形理论划分了吹填土孔隙分布区间。探讨了固结过程中孔隙分布特征的变化规律：随着固结压力的增加,吹填土中超大孔隙和大孔隙先被压缩成中孔隙,中孔隙再被压缩成小孔隙;孔径分布由大孔隙集中分布(占50%以上)向中孔隙(占35%以上)和小孔隙(占35%以上)发展。     

互补算法在一维非线性固结求解中的应用

以一维非线性固结为例,介绍了互补算法在固结问题求解中的应用。将地基土体的压缩特性曲线进行分段线性拟合并引入控制变量,得到土体孔隙比与有效应力间的统一关系式,并获得压缩曲线中的互补关系;详细推导了以孔隙比与有效应力为变量的一维非线性固结微分方程,通过对其进行差分求解,并结合压缩曲线中的互补条件,使得不同时刻的非线性固结问题转化为标准的线性互补问题。这样,非线性固结问题可通过在线性固结差分法中嵌入互补模型算法进行求解。该法的合理性通过与普通迭代算法进行对比获得证明。在此基础上,对一维固结问题线性与非线性解答的差异及影响非线性计算的因素进行了分析。计算中发现,互补模型算法在计算效率方面优于普通迭代法;线性计算程序中嵌入互补模型算法计算非线性固结在程序上容易实现;互补模型算法中通过对控制变量的求解,可判断地基土体所处的压缩状况     

吹填土自重沉淤阶段孔隙水压力消散的试验研究

利用真空预压法处理吹填土时,细颗粒常堵塞排水管,导致土体排水不畅。为提高吹填土固结效率,采用自重沉淤排水与加负压排水固结相结合的方式在室内进行吹填土固结试验。试验第一阶段用排水管作为吹填土自重沉淤的竖向排水通道;第二阶段以装入中粗砂的排水管作吹填土排水通道,同时也是压力传递通道。试验监测到吹填土固结过程中不同位置孔隙水压力的变化,通过监测数据着重研究自重沉淤排水阶段吹填土的固结规律。借助渗流平衡方程确定吹填土在自重沉淤阶段孔隙水压力变化主要由排水管中水位、单位土面积控制,解释自重沉淤阶段孔隙水压力变化机理。同时,为了减小由于排水距离远近造成的固结不均,利用自重沉淤与加压固结结合的方法使吹填土达到较为理想的固结效果,将砂井设计理论与孔隙水压力变化曲线相结合确定排水管有效排水范围等效直径,为实际工程提供排水管间距的设计参数。     

孔径分布对软黏土渗透特性的影响分析

用单向固结仪对取自不同地区的三种软黏土原状样和重塑样分别开展了固结渗透试验,得到不同土样的固结曲线和压缩曲线,推算土样在不同固结压力下的渗透系数。试验结果表明:相同应力时,土体的结构性使原状样的渗透系数明显大于相应重塑样的渗透系数,且随着固结压力的增大,两者的差距逐渐减小;原状样和重塑样的渗透系数与孔隙比的变化模式基本一致,但同一孔隙比下原状样的渗透系数大于相应的重塑样的渗透系数,比较浦东软黏土原状样和重塑样在相近孔隙比下的孔径分布曲线后确认:这是由于它们的孔径大小及分布存在明显差异引起的,且通过比较相同孔隙比下原状样和重塑样的大孔隙体积含量可合理地解释上述试验结果。最后,用简单表述土体的孔径大小及分布(土体的组构)的参考孔隙比e*10对多种软黏土的渗透指数Ck进行整理后,发现多种软黏土的原状样和重塑样均为一条相关度极高的ck-e*10直线,说明用参考孔隙比e*10可很好地反映土体的组构对软黏土渗透特性的影响。     

上海软黏土的孔径分布试验研究

为研究结构性对软黏土变形特性的影响,对上海软黏土原状样和不同制样方式得到的重塑样、泥浆样和压实样开展了压缩试验和压汞试验,确认固结压力和制样方式对软黏土的孔径大小及分布具有重要影响。试验结果表明:上海软黏土原状样的孔径分布为单峰孔径分布,孔径大小主要分布在0.01~1.00?m之间;结构性对孔径分布影响较大,随着固结压力的增大,大孔隙和中孔隙逐渐向小孔隙转化,尤其是固结压力大于结构屈服应力后,这种现象更加明显;不同制样方法得到的重塑样、泥浆样和压实样,在饱和状态下的孔径分布均为单峰孔径分布,但不同制样方式得到的土样孔径分布差别较大,压实样的孔径相对较大,泥浆样的孔径分布较为集中;随着固结压力的增大,不同制样方法在相近孔隙比下的土样孔径分布差别虽然有所减小,但仍无法达到相同或接近,即固结压力无法消除制样方式对土体孔径分布的影响。用简单表示组构的参考孔隙比对不同土样的压缩曲线进行归一化整理,得到4种土样的压缩曲线可归一化为一条相关度极高的直线,说明参考孔隙比用于简单表述土体的组构是合理、有效的。     

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。     

高岭土电渗固结特性及数值模拟研究

电渗固结是促进低渗透性软土排水固结的有效方法。为了揭示不同电势梯度影响高岭土电渗固结的基本规律,在自制电渗试验装置上对高岭土进行电渗试验。试验过程中测量电流、排水量、沉降量以及有效电压随时间的变化,并进行单位排水能耗分析。基于电渗固结多场耦合控制方程,实现土体电渗固结全耦合分析的有限元数值方法,计算结果与解析解吻合良好,验证了程序的有效性。为预测不同电势梯度下土体沉降量随时间的变化关系,分别对0.5,1.0,1.5 V/cm 3种电势梯度电渗固结试验进行数值模拟分析,获得模型表面沉降量分布、阳极超静孔隙水压力时空发展规律、阳极位置固结度等曲线,计算结果和试验结果吻合良好,可为实际电渗试验提供理论指导。     

列车荷载下青藏铁路冻土路基动力响应分析

根据带相变瞬态温度场的热量平衡控制微分方程, 采用有限元方法计算分析了青藏铁路路基的瞬态温度场. 随后, 根据温度场的分布特点, 应用Biot动力固结理论推导出的Biot动力固结控制方程, 采用热、力间接耦合方法对青藏铁路路基在列车荷载作用下的瞬态动力问题进行了数值模拟, 并系统的分析了列车荷载作用下铁路路基内的振动孔隙水压力、应力、位移等动力响应特点.     

广州饱和软土固结过程微孔隙变化的试验分析

软土的孔隙特征及其变化规律对软土的压缩性和渗透性有重大的影响,软土孔隙特征随荷载变化规律的试验研究为揭示软土排水固结过程与变形规律,建立基于孔隙压缩规律和渗流机制的排水固结模型提供有力依据。利用美国全自动压汞仪,对不同压力下固结的广州番禺淤泥土样的孔隙及其尺度分布进行测试,根据测试结果对土样孔隙尺度分布特征及其随固结压力的变化规律给出了定量分析。试验结果表明：淤泥土中介于0.4～2.5 μm范围的颗粒间及团粒内的小孔隙所占比例最大,而大于10 μm的大孔隙和小于30 nm的超微孔隙所占比例均很小;较大的孔隙更易于被压缩而湮灭或被分裂成微小孔隙;固结压力将显著改变淤泥土的孔隙尺度及其分布特征,以致改变土体的压缩性和渗透性。在固结前期( 200 kPa)孔隙尺度较大,压缩系数和渗透系数较大并随固结压力增加而快速减小;在固结后期( 200 kPa)孔隙尺度小,压缩系数和渗透系数小,且随固结压力增加的变化趋于平缓。     

宁波地区典型淤泥质粘土工程特性

总结宁波地区120个软土地基工程的试验成果,采用数理统计和室内土工试验方法,系统分析研究了宁波地区典型淤泥质粘土的物理力学指标特征、各指标间的相互关系以及固结主要参数,并与我国其他地区软土相关工程特性进行比较,揭示了宁波地区典型软粘土工程特性,即:天然含水率与孔隙比、重度与孔隙比、液限与塑性比相关性非常好;建立的宁波地区软土经验公式不同于其他软土地区。此外,结构性对该地区软土工程性状影响较大,固结系数和次固结系数都受其影响,且影响程度异于其他地区。      

基于GDS的黏土非线性渗透特性试验研究

基于黏土渗透性与孔隙比的非线性关系,讨论和总结了4种渗透模型,即 渗透模型、 渗透模型、 渗透模型和 渗透模型。来用GDS高级固结仪,对萧山黏土8个试样进行了一维固结渗透联合试验,使用直接法整理固结压力作用下渗透系数等试验结果,分析了对应于4种非线性渗透模型的土性参数。试验与分析结果表明,萧山黏土渗透性随固结压力增加呈现非线性减少,在50～1 600 kPa压力作用下其的渗透系数从8 ? 10-8 cm•s-1减少为8×10-9 cm•s-1;4种非线性渗透模型对萧山黏土都是适用的。     

新近吹填土固结系数为变量的固结方程研究

围海造陆吹填区内吹填土加固前为泥浆状态,含水量高达80%以上,初始孔隙比较大。通过室内试验得出吹填泥孔隙比随固结应力的变化关系以及渗透系数与空隙比的关系,最终建立渗透系数随固结应力的变化关系; 考虑加固过程中渗透系数随加固时间是变化的,对巴隆固结理论进行改进; 利用改进后的固结理论对吹填土真空预压模型试验进行计算,计算结果与试验基本吻合,表明采用本文提出的变参数固结理论计算能取得很好的计算效果。     

饱和土体一维固结三参数概率特性研究

在考虑岩土参数空间变异性的情况下,对软粘土地基一维固结平均固结度的概率特征进行了研究,分析了平均固结度的概率特征对渗透系数、孔隙比和压缩系数三参数变异性的敏感性,进行了岩土参数分布类型对平均固结度影响的正交试验,并根据试验结果进行了方差分析,为进一步开展多层地基固结的可靠性分析打下了基础.     

基于扰动状态概念的结构性土压缩特性分析

由于土结构性的影响天然沉积土的结构是亚稳定的,屈服后的压缩变形阶段必然伴随着结构的破损。将附加孔隙比?e作为表征原状土的一个结构状态参数,基于扰动状态概念,引入定量分析附加孔隙比?e随固结压力变化关系的方法,得到一维扰动状态概念(DSC)压缩模型,以描述结构性土压缩损伤现象,并通过结构破损指数b来刻画压缩过程中的结构破损速率。根据该模型,对太湖湖沼相典型的天然沉积软黏土、粉质黏土和硬黏土不扰动试样的一维压缩试验结果进行模拟和分析,并结合试验数据提出了模型参数的测定方法。分析结果验证了该模型能够描述具有不同结构形式土样的压缩特性及其实际变形过程中表现出的非线性,这给结构性土非线性固结与沉降计算提供了一定的理论基础。     

双层地基水平排水砂垫层位置优化研究

针对吹填土地基内水平排水砂垫层位置的优化问题,考虑双层地基内设置单一砂垫层的情况,采用分离变量法求出了地基超静孔压和平均固结度的解析解答,通过解答退化和有限元方法验证了解答的正确性,并讨论了下层与上层地基的渗透系数之比a、体积压缩系数之比b和厚度之比c对砂垫层最优位置的影响,最后通过算例对比了砂垫层设置在不同位置时地基的固结效率。结果表明：同一时间因数下,下层与上层地基的渗透系数之比 1时,砂垫层的最优位置随着a的增大逐渐向下移动, 1时,则相反;下层与上层地基的体积压缩系数之比 1时,砂垫层的最优位置随着b的增大逐渐向下移动, 1时,则相反;下层地基的固结系数较大时,在固结前期,砂垫层的最优位置随着下层与上层地基厚度之比c的增大逐渐向上移动,在固结后期则相反。算例计算结果显示：地基固结度达到90%时,砂垫层设置在最优位置相比未铺设砂垫层能节省大量时间。     

黄河冲积平原低液限土的工程特性研究

依托济南—乐陵高速公路路基勘察项目,依据试样的室内土工试验成果,应用回归分析方法,建立了黄河冲积平原低液限土的含水率与土的密度、孔隙比和压缩系数及土的塑性指标等相关经验公式;对区内赋存的低液限粉质黏土,通过与其他相近密实度的土,在抗剪强度及单向固结条件下固结特性的比较分析,指出该区域此类土质具有所谓的"高密度、低强度、中(偏高)压缩性"的工程特性。     

粘土铺盖的沉降裂缝计算方法

水库蓄水后,粘土铺盖及下卧软粘土层将发生沉降,甚至裂缝。作者结合非稳定渗流计算,对软土层提出排水固结沉降过程的计算方法,并估算了是否发生裂缝的可能性。还对加快和减缓沉降的措施进行了讨论。     

任意荷载下欠固结地基的非线性一维固结

根据Gibson得到的固相坐标z下的非线性固结控制方程,运用Laplace变换求解了在任意荷载作用下的单层饱水欠固结地基一维非线性变形问题;通过Laplace逆变换,求得单层饱水欠固结地基在任意荷载作用下的一维非线性固结解。结合单层地基在几种常见荷载作用下固结变形的算例,对解进行了探讨,揭示了任意变荷载作用下单层饱和软粘土欠固结地基一维非线性固结的特性,得到了一些可用于指导工程实践的有益结论。     

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。