堆载预压过程中的地基稳定性计算方法

在分期堆载预压过程中,需要对每一级堆载以及对下一级堆载高度下进行地基稳定性计算,并根据计算结果确定加堆高度和时间。计算时,根据不同堆载高度下的比奥固结理论有限单元法计算结果,用考虑地基强度增长总应力法和考虑超孔隙水压力的有效应力法分别进行地基稳定性计算,以保证地基在每一次加载时的稳定性。结合具体的工程实例,得到了一个很有用的结论：考虑地基土强度增长的总应力法和考虑超孔隙水压力的有效应力法进行地基稳定性计算所得的安全系数趋于相等。     

沉桩超孔隙水压力对码头边坡稳定的影响

沉桩会对码头边坡稳定产生不利影响,一是引起桩周土体超孔隙水压力的急剧上升,导致土体有效应力降低;二是沉桩的振动加速度会产生对边坡稳定不利的瞬时惯性力。对于灵敏度低的土质岸坡来说,前者是影响其稳定性的主要因素。考虑沉桩时初始超孔隙水压力的分布,根据Biot固结方程超孔隙水压力消散解的一般表达式,建立了沉桩引起的超孔隙水压力随时间消散的解析式,在条分法的基础上考虑沉桩产生的超孔隙水压力的不利影响,建立了沉桩时边坡稳定安全系数的计算公式。根据沉桩顺序对某码头进行边坡稳定分析,结果表明：考虑打桩作用的岸坡稳定安全系数明显降低,沉桩产生的超孔隙水压力逐渐消散,边坡稳定安全系数随沉桩工序历时变化,施工中期由于超孔隙水压力叠加,岸坡最危险,沉桩结束3个月以后,超孔隙水压力基本消散,边坡稳定安全系数接近不考虑沉桩时的值。工程中要根据打桩计划进行边坡稳定计算。     

降雨对滑坡稳定性影响过程分析

通过对滑坡土条的受力分析进行改进,建立起能考虑滑带内存在任意孔隙水压分布情况下的稳定性计算公式。结合Lumb入渗理论和太沙基一维固结理论得到了滑坡在降雨期间的极限稳定性计算方法,该方法能够同时考虑降雨入渗导致土体重度和滑带内孔隙水压力变化。利用上述结果,提出了某些深层滑坡触发的一种机理,并可根据常用的土质参数比较容易得到滑坡在降雨期间稳定性演化过程。通过对某滑坡分析得到,降雨导致滑体重量增加而降低滑坡稳定性小于孔隙水压增加对稳定性的影响;超孔隙水压力的存在大幅提高了剩余下滑力值。     

复杂荷载条件下边坡稳定性的上限极限分析

基于极限分析上限定理与土的抗剪强度折减技术,考虑边坡顶面超载、坡体内孔隙水压力与地震惯性力等复杂荷载,建立了边坡稳定的极限平衡状态方程,采用优化方法求解边坡稳定安全系数及相应的潜在破坏模式。其中水与地震对边坡的影响作用通过虚功方程来体现,将孔隙水压力与地震惯性力当作外力荷载做功,将强度折减系数作为评价边坡稳定性的定量指标。通过典型算例的对比分析,验证了方法的合理性,并探讨了孔隙水压力、地震加速度系数对边坡稳定性的影响。     

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。     

海积软土排水固结机理分析

从海积软土微观结构入手,通过电子扫描显微镜(SEM)、压汞等试验发现,原状软土中孔隙和大于1 000的小孔隙较多,微孔隙次之.随着固结压力的增加,中孔隙变为小孔隙,土体含水量也很快降至液限左右,孔隙中主要含水类型为结合水;结构单元体等效直径也随固结压力的增加而增大.由于孔隙水类型不同,随着固结压力的增大和时间的延续,软土渗透系数K呈幂指数递减关系,固结变形曲线上有明显转折点,次固结系数也随固结压力发生非线性变化.由此可见,海积软土排水固结过程中渗透系数、变形特性、次固结系数及孔压变化规律与孔隙水类型的改变密切相关.     

循环荷载作用下软土的孔压模式和强度特征

通过循环三轴剪切试验,研究原状软土的变形和孔压发展规律。建议了一个循环荷载作用下孔隙水压力的发展模式。研究了不排水循环荷载作用下软土的动强度以及作用后饱和软土静强度的衰减特征,讨论了周围固结压力和荷载作用频率对动强度的影响。研究表明,在某一轴向应变条件下,循环次数随循环剪应力比的增加而迅速减小;随循环剪切应力比的增大,饱和软土的静强度有一定衰减。     

非饱和土层一维固结特性分析

在Fredlund非饱和土的一维固结理论的基础上进行假设,由得出的液相及气相的控制方程、Darcy定律及Fick定律,采用Laplace 变换、逆变换等数学方法得到了大面积均布瞬时加载下表面为透水透气面、底面为不透水和不透气面的非饱和土层一维固结时间域内的超孔隙水压力、超孔隙气压力及土层沉降的解析解;应用典型算例,分析了不同气、水渗透系数比情况下土体超孔隙水压力、超孔隙气压力消散及土层沉降随时间的变化规律以及不同时间超孔隙水压力、超孔隙气压力消散随深度的变化规律。将得出的结果退化成相应的饱和土的解与太沙基饱和土固结理论结果比较,验证了其正确性。     

软土抗剪强度指标随固结度变化规律分析

常规的抗剪强度指标黏聚力c和内摩擦角φ无法准确描述堆载作用下任意固结度时软土的力学特性,而现有的考虑软土抗剪强度值随固结度增长的极限平衡法无法得出应力场、位移场等实际工程需要的数据,因此,基于理论推导和室内试验,对堆载作用下软土抗剪强度指标随固结度的变化规律进行了分析。对现有的2个计算公式进行了对比分析,得出它们具有等价性。从孔隙水压力的角度进行分析,提出了新的计算公式,并且得出内摩擦角随固结度单调递增,黏聚力随固结度单调递减的变化规律。当固结度一定且不为100%时,黏聚力与初始固结压力呈线性增长的关系,内摩擦角与其无关。室内试验表明,由于综合考虑了有效应力参数和总应力参数,新推导公式与试验结果吻合得更好,证明了新推导公式正确性和优越性。     

淤泥质软土在冲击荷载作用下孔压增长模式

通过室内淤泥质饱和软粘土的动力固结试验,考虑不同锤重和落距组合情况,对冲击荷载作用下饱和软粘土孔隙水压力的动态响应特征进行分析。试验结果表明,孔隙水压力和冲击击数之间是双曲线对应关系,高围压下冲击荷载激发的孔压随击数增长的速率快,超固结软土在冲击过程中孔压出现了负值。冲击荷载对土体产生的附加应力能导致孔压上升,孔压消散使得土体内有效应力增加,强度提高。对强夯施工中以孔压控制施工质量具有指导性意义。     

考虑强度退化效应的堤坝抗震稳定性评价方法

考虑土的动强度随振动孔隙压力上升的衰减效应,将拟静力极限平衡分析和滑动体位移分析相结合,提出了堤坝抗震稳定性评价方法.首先,基于土工动力有限元分析,确定坝坡潜在滑动土体的平均加速度时程,进而,基于拟静力概念,采用极限平衡分析,确定坝坡的安全系数随时间的变化历程,其中当安全系数瞬时小于1时,表明坝坡在地震中处于瞬时超载状态,采用Newmark刚体滑块模型估算瞬时超载所产生的滑动位移,将各个超载阶段的滑动位移叠加,求得设计地震动作用下堤坝边坡的累积滑移量,根据这种方法所进行的数值计算与分析表明,考虑强度循环退化效应后所得到的坝坡滑移量更为合理.     

海堤下软基超孔隙水压力值的修正方法

当潮位的涨落引起上部堆载容重变化时，海堤下软基的超孔隙水压力将随潮位呈周期性变化．为了解软基的固结情况，必须对现场测试到的总孔隙水压力值减去静水压力后再进行潮位修正，即把任意时间任一潮位测得的超孔降水压力值修正到一个指定的同一潮位上，这样才能得到一个有规律性的观测曲线．本文提出了一种实用的修正方法，并在连云港庙岭围堰软基工程中应用，结果令人满意。     

非饱和-非稳定渗流条件下的边坡临界滑动场

受季节性降雨或水库运行的影响,岸坡外水位及坡内孔隙水压力场的变化较大,不利于岸坡的稳定性。在水位变化过程中,利用非饱和-非稳定渗流有限元计算得到孔隙水压力场,基于非饱和土的渗流和抗剪强度理论,对水位变化过程中的边坡临界滑动场法进行改进,提出可考虑水位变化与岸坡非饱和-非稳定渗流过程的边坡临界滑动场数值模拟方法。将改进后的水位变化过程中的边坡临界滑动场法分别应用于黏土、粉土岸坡在水位升降过程中的稳定性分析,研究了水位升降速率及基质吸力对岸坡稳定性的影响,并揭示了边坡在水位变化过程中的稳定性变化历程。研究表明,该方法计算结果合理、可靠,更适用于涉水边坡的稳定性计算,且岸坡稳定性变化历程受水位升降速率、基质吸力等多种因素共同影响,只有在考虑非稳定渗流的基础上同时考虑基质吸力的作用才能正确得出水位变化过程中岸坡稳定性变化规律和实质。     

Modeling uncertainty in stability analysis for design of embankment dams on difficult foundations

A probabilistic 3-D slope stability analysis model (PTDSSAM) is developed to evaluate the stability of embankment dams and their foundations under conditions of staged construction taking into consideration uncertainty, spatial variabilities and correlations of shear strength parameters, as well as the uncertainties in pore water pressure. The model has the following capabilities: (1) conducting undrained shear strength analysis (USA) and effective stress analysis (ESA) slope stability analysis of staged construction, (2) incorporation of field monitored data of pore water pressure, and (3) incorporation of increase of undrained shear strength with depth, effective stress, and pore water pressure dissipation. The PTDSSAM model is incorporated in a computer program that can analyze slopes located in multilayered deposits, considering the total slope width.

The main outputs of the program are the geometric parameters of the most critical sliding surface (i.e., center of rotation/radius of rotation and critical width of failure), mean 2-D safety factor, mean 3-D safety factor, squared coefficient of variation of resisting moment, and the probability of slope failure. The program is applied to a case study, Karameh dam in Jordan. Monitored data of induced pore water pressure in the dam embankment and soft foundation were gathered during dam construction.

The stability of Karameh dam embankment and foundation was evaluated during staged construction using deterministic and probabilistic analysis. Foundation stability was evaluated based on the monitored data of pore water pressure.

The study showed that the mean values of the corrective factors which account for the discrepancies between the in situ and laboratory-measured values of soil properties and for the modeling errors have significant influence on the 2-D safety factor, 3-D safety factor, slope probability of failure, and on the expected failure width.

The degree of spatial correlation associated with shear strength parameters within a soil deposit also influences the probability of slope failure and the expected failure width. This correlation is quantified by scale of fluctuation. It is found that a larger scale of fluctuation gives an increase in the probability of slope failure and a reduction in the critical failure width.     

孔壁地层超静孔隙水（气）压力的形成及其对瓦斯抽排井套管稳定性影响

瓦斯抽排井套管失稳的事故时有发生。为了探索套管失稳机理,应用土力学原理分析了钻井和固管过程中孔壁地层超静孔隙水（气）压力的形成机制;建立了孔壁地层超静孔隙水（气）压力对套管作用的力学模型,该模型包含超静孔隙水（气）压力、地层孔隙率、井液液柱压力、套管抗外挤强度、固管水泥圈使套管抗外挤强度提高的效应系数和固管水泥圈与孔壁岩层界面处的抗张强度等参数;分别就新地层、基岩和煤层的超孔隙水（气）压力对套管稳定性影响的特点进行了分析。结合实例介绍了煤层超瓦斯压力引起套管失稳的分析方法。提出了局部提高套管抗外挤强度、提高固管水泥圈强度、延迟井液排空时间、增设套管扶正器等提高套管稳定性的具体措施。     

库水位下降时的岸坡非稳定渗流问题研究

水位下降时岸坡的渗流是涉及土体由饱和向非饱和状态过渡的水-气二相流过程,目前相关研究成果大都假设孔隙气压力为0,忽略孔隙气的影响。根据水、空气的质量守恒定律和达西定律,结合多相流理论建立水-气二相流模型,采用高效的积分有限差分法求解,通过变换主要变量,实现饱和（单相）与非饱和（二相）的相互转变,并给出各种边界条件下合理的数学处理方法。通过Muskat渗流问题,验证了上述模型的正确性;并对某土质岸坡水位下降时的非稳定渗流问题进行分析,结果表明,岸坡的基质吸力小于浸润线以上的负孔隙水压力,在浸润线以上的很大区域为毛细管水饱和带,其土体饱和且基质吸力为0,这对边坡稳定十分不利,精确分析水位下降的边坡稳定问题时,孔隙气压力变化的影响值得研究。     

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。     

基于加载动力效应对孔压滞后现象的一个解释

在底部可测孔压的固结仪内进行单面排水固结试验时,观测到试样底部的孔压可出现滞后现象。为分析其原因,考虑加载引起的动力效应,建立以竖向应变为求解对象的一维动力固结方程,并用有限差分法进行求解。引入新指标CD来综合考虑试样压缩模量、渗透系数、密度以及土样厚度等4个参数对动力效应的影响,探讨了该指标对固结过程中孔隙水压力的影响。计算结果表明,瞬时加载引起的动力效应是引起试样内孔压滞后的一个原因,并且对于压缩模量或渗透系数较大的试样,更易出现孔压滞后现象,同时动力效应对固结度的影响则主要体现在固结的前期。最后讨论了固结分析时可以忽略动力效应的范围。