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。     

双面排水非线性固结超静孔压的非对称性解析

为了分析一般意义的非线性固结过程中超静孔压的发展规律,基于欧拉描述的基本方程和构形转换关系,提出了非线性固结过程中超静孔压与孔隙比之间的严格函数表达式。在Morris提出的线性有限应变一维固结解析解答基础上,得到双面排水情况下正常固结和自重固结土体的超静孔压解析解。分析和讨论了超静孔压的非对称分布特征及其影响因素。结果表明,无量纲参数N在超静孔压分布形态上起决定作用。在N不接近于0的情况下,按经典Terzaghi固结理论的超静孔压对称性分布假设将不再适用于非线性固结问题。     

一维回弹试验中卸载条件下的负超孔隙水压力响应

针对卸载条件下的孔隙水压力(简称孔压)响应问题,通过一维加载压缩和卸载回弹试验,研究了不同卸载量和卸载速率对孔压变化的作用影响,并基于Terzaghi一维固结理论建立了线性加载和卸载条件下孔压响应的预测方法,结合固结-渗透联合试验测定的压缩和回弹条件下的固结系数,评估了该类预测方法对于卸载条件下孔压响应预测的适用性。结果表明,卸载产生的负超孔压随着卸载量和卸载速率的增加而增加,在卸载初期,超孔压减小速率较快,之后则以近似恒定的速率减小,而基于Terzaghi一维固结理论建立的孔压预测方法并不完全适用于分析卸载过程中的这类孔压响应特性。     

地铁荷载下不同固结度软黏土的孔压试验模型

地铁运营前下卧层土体存在不同程度固结,这会影响到运营期隧道周围土体中孔压的变化,进而产生不均匀沉降。通过GDS循环三轴试验系统对杭州饱和软黏土进行动力测试,研究了固结度、固结应力、循环应力比对孔压发展的影响。在现有研究成果的基础上建立了考虑初始固结程度的孔压模型。研究表明：循环荷载下饱和软黏土的孔压发展形态比应变发展形态更具规律性,固结程度愈高的土体孔压发展愈缓慢,并且随振动次数增加,在较低的孔压水平就可达到稳定。预测地铁长期荷载下土体的孔压和沉降时考虑孔压测试时的滞后现象会达到更好的效果,所得的孔压模型能够较好地模拟地铁运营荷载下孔压的发展。     

初始孔压非均布下一维地基砂垫层优化研究

针对吹填土地基水平排水砂垫层铺设深度优化问题,建立了初始孔压非均布下含砂垫层地基的一维固结模型,利用有限Fourier正弦变换法得出了超静孔压和地基整体平均固结度的解答并通过退化验证了解答的正确性。采用二分法分析了砂垫层的最优铺设深度随时间的演化规律,给出了砂垫层最优铺设深度与时间的关系图。研究表明：在固结初期,砂垫层宜放置在土中初始超静孔压较大的位置;在固结后期,砂垫层的最优设置深度为土体厚度的2/3（单面排水）或者1/2（双面排水）的位置。以预压地基平均固结度达到90%所需时间最短为例,当初始孔压倒三角形、正三角形与梯形分布时,单面排水条件下,应分别在0.52、0.72、0.62倍地基土深度处设置砂垫层;双面排水条件下,应分别在0.42、0.58、0.46倍地基土深度处设置砂垫层。最后通过算例分析了当地基土中砂垫层采用最优铺设深度时,与在中间位置铺设砂垫层、不设砂垫层的情况分别进行对比,当时间因子取0.09时,地基土平均固结度分别提高6%和54%。     

初始孔压非均布条件下散体材料桩复合地基固结理论研究

针对现有复合地基固结理论仍不能考虑实际工程中存在的初始孔压非均布情况的不足,采用解析方法对散体材料桩复合地基进行深入研究,给出了考虑初始孔压非均布的散体材料桩复合地基固结一般解。探讨了初始孔压非均布的3种特殊情况,导出了初始孔压矩形分布（均布）、正三角形分布和倒三角形分布等情况下的复合地基平均孔压和平均固结度表达式。研究表明：单面排水条件下,初始孔压分布对复合地基固结有显著影响;初始孔压均布和正三角形分布条件下,超静孔压随Tv值的增大而逐渐消散,固结期间地基底部孔压值最大;初始孔压倒三角形和梯形（pB /pT =0.5）分布条件下,Tv值越大,孔压等时线越平缓,且孔压最大值的位置由地基顶部向底部转移,固结过程中底部孔压变化呈现“从小变大、再变小”的特点     

Determination of consolidation parameters based on the excess pore water pressure measurement using a newly developed U-oedometer

In this study, the U-oedometer, a novel modified oedometer cell equipped with tailor-made needle probes, is developed to easily and accurately measure the excess pore water pressure (\(\Delta u\)) during 1D consolidation tests and to determine the coefficient of consolidation (\(c_{\text{v}}\)). The 3D printing technique is applied to make simple yet robust modifications to the conventional oedometer cell for facilitating the installation of the needle probes. The tailor-made needle probes are designed in such a way that the volumetric compliance is lowered to avoid measurement bias. Subsequently, the \(\Delta u\)-based method is proposed to determine \(c_{\text{v}}\), with the target of avoiding the intervention of human judgement and therefore minimizing the degree of subjectivity. The experimental results demonstrate that the measured \(\Delta u\) matches the theoretical values of the Terzaghi 1D consolidation theory, showing that the estimated \(c_{\text{v}}\) is sufficiently reliable. In addition to the determination of \(c_{\text{v}}\), the U-oedometer allows additional measurements of other soil properties during consolidation, including the coefficient of permeability (\(k\)) and the coefficient of earth pressure at rest (\(K_{0}\)). It is observed that k decreases with the reduction in void volume, due to the increase in the effective vertical stress (\(\sigma_{\text{v}}^{'}\)). Further, the secondary compression seems to be a continuation of the primary consolidation, where the soil sample continues to deform at a relatively slower rate, associated with the slight decrease in \(k\). A constant value of \(K_{0}\) is observed at any value of \(\sigma_{\text{v}}^{'}\) in the loading path, while during secondary compression, \(K_{0}\) slightly increases with time.

     

基于累积动应力水平的间歇加载下超孔压预测

设计一系列不同动应力幅值、间歇时长、振动时长的波形,对杭州地铁沿线淤泥质软黏土进行不排水单向循环加载试验,精确观测孔压累积过程。引入累积偏应力水平描述应力状态,分析对比各试验方案下归一化孔压随其变化的发展规律;分析动应力比、间歇时长、振动次数对超孔压累积的影响,发现动应力水平和振次的影响最为关键;从孔压增长机制的角度分析了间歇对于超孔压累积的影响;利用双曲函数拟合关系曲线,建立预测模型;通过分步拟合各振次关系曲线函数,发现振次不同时该模型的常数取值略有不同,分析常数随振动次数变化的规律,提出常数获取方法;最后利用该模型和既有模型预测新试样的超孔压发展,发现该模型表现良好。     

黄泛区路基强夯时超孔隙水压力变化规律试验研究

滨德高速公路所经地区主要由黄河冲积而成,场区地层以粉土和粉质黏土为主。在试验区不同地层深度处埋设孔隙水压力计,通过观测、分析强夯各个过程中超孔隙水压力的变化规律,得出以下结论:在2 000 kN.m夯击能的作用下,第1～2遍夯击时最佳夯击数为8～9击,第3遍夯击时最佳夯击数为6～8击;夯击后,浅层的超孔隙水压力基本均大于深层的超孔隙水压力,消散时间也相对较长,并且浅层孔隙水压力受夯击影响的水平距离较深层的大;在2 000 kN.m夯击能的作用下,强夯最大影响深度为8～9 m,有效加固深度为6～8 m,有效加固深度系数α=0.134～0.179;6～7 m深处孔隙水压力水平最大影响距离小于10 m,有效影响宽度基本为5～7 m。     

Evaluation of shear strength of cohesionless soil due to excess pore water pressure

The shear strength of cohesionless soil is reduced as the water pressure inside the pores of the soil mass increases. The mathematical relationship between the shear strength and the pore water pressure was derived using Mohr–Coulomb failure criteria as a function of the confining pressure and the effective angle of friction. Experimentally, a series of consolidated drained triaxial tests with back pore water pressure was run on samples of saturated uniform dense sand. The tests were conducted at different confining pressures in the range of 100–400 kPa with an increment of 100 kPa. At each level of confining pressure, the tests were repeated at different values of back pore water pressure in the range of 0–100 kPa with an increment of 25 kPa. For each test, the initial applied back pore water pressure was kept constant during the test for comparing the results at the same effective confining pressure. This study concludes that the mathematical relationship gives accurate results at any level of confining pressure and/or pore water pressure as a function of the effective angle of friction that can be evaluated using single consolidated drained triaxial test at zero back pore water pressure.     

盾构隧道施工引起的土体初始超孔隙水压力分布研究

盾构施工会对周围土体产生扰动,形成超孔隙水压力,引起工后固结沉降。运用应力释放理论推导与衬砌相邻的土体初始超孔隙水压力计算公式。假定扰动范围边界呈圆弧状,确定初始超孔隙水压力的分布范围;同时运用应力传递理论,推导分布范围内任一点土体的初始超孔隙水压力计算公式。通过对实测资料的分析可知,计算值与实测值吻合较好。算例分析表明,与衬砌相邻的土体初始超孔隙水压力呈近似圆形（顶部小、底部大）;随着到衬砌的径向距离增加,土体初始超孔隙水压力呈凹曲线形状;隧道底部的等值线最密,即变化最快;隧道顶部上方土体、不同深度处土体初始超孔隙水压力,以隧道轴线处为最大,呈现类似Peck曲线形状。     

CFG桩施工引起孔隙水压力变化特性试验研究

孔隙水压力变化规律是饱和粉土体宏观变形细观结构研究的基础。以阳光新城工程为例,采用现场试验方法对长螺旋CFG桩施工时的孔隙水压力(简称孔压)变化进行了监测,并根据监测结果对施工过程的孔隙水压力(简称孔压)变化进行了阶段划分。研究结果,长螺旋CFG桩施工过程中孔压变化规律与常规的剪切液化观点相悖,抽吸与窜孔对孔隙水压力变化影响显著,并解释了产生这种现象的原因。孔压极大值和极小值在一定范围内产生累加效应,表现为非对称性,而变化的幅度值呈近似对称性。根据幅度值大小确定了长螺旋CFG桩施工时的影响范围,其值与小孔扩张理论比较吻合。     

基坑开挖孔隙水压力变化规律试验研究

讨论了基坑开挖及降水过程中,基坑周围土体孔隙水压力的变化过程,根据现场量测数据进行了分段线性拟合,得到了土体中孔隙水压力的变化规律。并对基坑周围土体孔隙水压力的变化机理及过程进行了分析。     

竹节桩复合地基沉桩施工超孔隙水压力研究

结合宁波轨道交通4号线东钱湖车辆段竹节桩复合地基处理试验段沉桩施工,开展了土体中超静孔压现场测试,并在考虑竹节桩竹节间空隙对竖向超静孔压分布影响的基础上,推导建立了竹节桩沉桩引起的竖向孔压离散化计算公式。利用建立的离散化计算公式对2 m桩间距试验工况的孔压进行计算,并将计算结果与测试结果进行对比,结果表明:计算结果与实测结果较为吻合,考虑竹节空隙影响的竖向超静孔压计算理论可以较好获得竹节桩沉桩施工引起的超静孔压,可为竹节桩的设计和施工提供依据。     

Analytical solution to one-dimensional consolidation in unsaturated soils under loading varying exponentially with time

This note presents an analytical solution to one-dimensional consolidation in unsaturated soils with a finite thickness under confinement in the lateral direction and vertical loading varying exponentially with time. The boundary conditions are that the top surface is permeable to water and air and the bottom is impermeable to water and air. The transfer relationship between the state vectors at the top surface and any depth is gained by applying the Laplace transform and Cayley-Hamilton mathematical methods to the governing equations of water and air, Darcy’s law and Fick’s law. The excess pore-air and pore-water pressures and settlement in the Laplace-transformed domain are obtained by using the Laplace transform with the initial and boundary conditions. By performing the inverse Laplace transforms, the analytical solutions of the excess pore-air and pore-water pressures at any depth and settlement are obtained in the time domain.     

沉桩引起的三维超静孔隙水压力计算及其应用

引入时间、深度参数分析在饱和软粘土中沉桩时引起的超静孔隙水压力,给出了考虑固结效应的超静孔隙水压力的三维解析解;分析了超静孔隙水压力的消散过程中桩周土发生曼德尔效应的时间和区域,提出了在群桩施工过程中土体中的超静孔隙水压力是消散与累加的综合过程,施工完毕后则变为单一的消散的计算模型,并给出计算公式。通过算例,分析了桩群不同桩距、不同入桩顺序对超静孔隙水压力的影响。     

基于衬砌长期渗漏水影响的隧道施工扰动诱发超孔隙水压消散及地层固结沉降解

基于Terzaghi-Rendulic固结理论,采用保角映射和分离变量法,计算得到隧道衬砌半渗透漏水边界条件下,盾构施工扰动引起的隧道周围土体超孔隙水压力消散解和地表土体固结沉降,通过工程实例进行验证,发现理论方法与实测数据趋势一致;此外,利用参数分析获得了土体固结沉降和超孔隙水压力的分布影响规律。结果表明:衬砌与土体的相对渗透比越大,固结沉降的初始速率越大,但不影响最终收敛值;土体弹性模量越小,最终固结沉降量越大;土体中超孔隙水压力随着时间增加,在隧道开挖后较短时间里以较大幅度逐渐消散,消散到约为初始值的1/10时减幅放缓;距离衬砌外壁越远,土体初始超孔隙水压力越小,其消散速度也越慢。     

Thermally induced volume change and excess pore water pressure of soft Bangkok clay

This paper presents the results of an experimental investigation carried out to study thermally induced volume changes under drained heating condition and thermally induced excess pore water pressures under undrained heating condition of soft Bangkok clay. The clay was heated up from room temperature (25 °C) to 90 °C using a modified oedometer and a triaxial test apparatus, respectively. The clay was found to exhibit temperature induced volume changes and temperature induced excess pore water pressures, in the range of temperatures investigated, depending mainly on the stress history. A theoretical microstructure mechanism that can interpret the thermally induced volume change behaviour at different stress conditions is presented in this study. Furthermore, the thermally induced excess pore water pressure behaviour at different stress conditions is explained using the unloading–reloading hysteresis of the typical soil consolidation curve. The results of this study provide additional data that can enhance the understanding of the thermo-mechanical behaviour concepts of saturated clays.     

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。     

固结过程中孔隙水压力计算中的吉布斯(Gibbs)现象及其消除

一维固结过程中，孔隙水压力的计算在整个计算中占有重要的位置，其计算结果的准确性对于固结度及固结系数的确定均有一定的影响。目前，孔隙水压力的计算均采用级数计算，而由于级数计算中Gibbs现象的存在，使得孔隙水压力的计算中会出现振荡。针对这种情况，本文以误差函数作为基础，对孔隙水压力的计算进行了分析，发现在一定的精度范围内，采用误差函数可以有效地消除由于Gibbs现象带来的振荡。