基于一维和三维固结挤土桩沉降时效计算分析

饱和软黏土地基中的挤土桩,施工引起的桩侧土体超孔隙水压力消散和竖向荷载引起的桩底土体固结是导致其沉降的主要因素。基于三维固结理论,研究了桩侧地基土再固结沉降的变化规律,并从桩-土相互作用的原理出发,结合边界条件,推导出了在桩侧地基土再固结沉降的作用下挤土桩沉降的计算公式。运用太沙基一维固结理论并采用分层总和法计算竖向荷载作用下桩底土体的沉降。提出了饱和软土中挤土桩沉降时效的计算方法。并对工程实例进行了计算分析,其结果符合工程实际沉降规律。     

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。     

考虑非达西渗流和应力历史的土体非线性固结研究

黏土在低水力坡降下偏离达西定律的现象及应力历史对土体变形的影响已为人们所认识,但能够同时考虑非达西渗流及应力历史影响的土体固结理论还很鲜见。在传统太沙基一维固结理论基础上,引入经典的Hansbo渗流模型,并考虑土体在不同应力状态下的变形特性,建立实际变荷载作用下土体的非线性固结模型。利用有限差分法对模型进行数值求解。在保证数值解可靠性的基础上,着重分析非达西渗流对超固结土固结性状的影响及非达西渗流下应力状态对固结性状的影响,并分析比较其异同点。结果表明:非达西渗流下超固结土的固结速率要比达西定律下慢,且随非达西渗流模型参数m、i_1值的增大,固结速率的减慢愈加明显;对考虑非达西渗流的不同应力状态土体而言,超固结土的固结速率最快,且超固结土在外荷载作用下产生的地基最终沉降值最小;对考虑非达西渗流的超固结土而言,前期固结压力越大、回弹再压缩指数越小,则土的固结速率越快,地基土的最终沉降值越小。     

桩基负摩阻力时间效应试验研究

由于黏土固结缓慢,桩基负摩阻力存在明显的时间效应,然而目前相关研究仍显不足。设计实施了能实现桩顶加载及较大超载值的单桩及双桩负摩阻力模型试验,桩周土采用砂土和软黏土夹层,测定了模型桩身应力、桩顶位移以及土体分层沉降随固结时间的变化。试验结果显示,沉降、负摩阻力具有明显的时间效应。土表超载作用下土体沉降带动桩沉降,桩与土体的沉降均表现出早期快、后期慢的趋势。试验加载初期,黏土夹层处的负摩阻力略小于砂层,但随土体固结而增长,其基本变化规律与沉降相同。因桩端砂土层沉降稳定迅速,中性点随桩身沉降增长略呈上移趋势。此外,相同荷载作用下桩间距较小的双桩,由于下拉力较小,其沉降较小。试验条件下,3D桩间距的负摩阻力群桩效应系数在0.71～0.77之间,6D桩间距时不存在负摩阻力群桩效应。     

刚性桩复合地基工作特性分析

通过分析桩－土－垫层的共同作用,讨论了刚桩复合地基的工程特性,推导出在荷载作用下,当桩端土层为文克勒地基时的桩顶荷载、土体表面荷载、桩体沉降、土体沉降、受荷后垫层厚度等的计算公式,并根据出的应力比公式对应力比的多种影响因素进行了探讨。     

洞庭湖地区典型网纹红土的单轴固结实验研究

为研究洞庭湖地区典型网纹红土的单向固结特性和规律,分别取原状土样和扰动土样在不同的荷载下进行单轴固结实验。分析实验结果表明：原状网纹红土的压缩性比扰动土低很多;在次固结阶段,原状土样的蠕变曲线不平滑,且没有明显的稳定蠕变阶段,而扰动土样的蠕变曲线平滑,有明显的稳定蠕变阶段;原状土样达到变形稳定所需时间比扰动土样短的多。研究还发现非饱和网纹红土的单向固结存在线性规律,并推导出其单向固结经验方程,方程中的一个参数可用于准确预测网纹红土单向固结的最终沉降量。     

黏土地基中能量桩力学特性数值分析

能量桩是将地源热泵系统中的换热管埋置在桩体内部,桩同时起到承载和换热的作用,是一种新型的基础型式。为了合理分析黏土地基中能量桩的力学特性,需要了解能量桩运行过程中桩和地基土的温度响应,并考虑温度变化对土体力学性能的影响。基于有限元软件ABAQUS建立了能量桩传热分析三维有限元模型,把能量桩的传热简化为换热管内液体与管壁之间的对流传热、桩体中的热传导和地基中的热传导,将计算结果与常规理论和实测数据进行了对比验证。对热力耦合边界面本构模型进行了二次开发,通过算例验证了模型对土体压缩和剪切性状温度效应的模拟能力。利用所提出的能量桩传热分析方法和热边界面模型,考虑不同的桩顶工作荷载水平,对正常固结黏土地基中能量桩单桩的长期性能进行了研究,分析了温度循环对桩顶沉降、桩侧摩阻力和桩身轴力的影响。结果表明,工作荷载越高,温度循环次数越多,桩顶累积沉降越大。     

考虑应力应变时间效应的桩基长期沉降计算方法

土体的应力应变时间效应对桩基长期沉降有重要影响。在长期荷载作用下桩基的沉降主要包括两个部分：桩尖刺入量和桩底土体的蠕变压缩沉降。采用Mesri蠕变模型描述土体的蠕变行为，用桩的Mindlin应力公式计算桩端和桩侧荷载在桩端平面以下产生的附加应力，用Boussinesq应力公式计算承台分担荷载产生的应力。分别给出了桩尖刺入量和桩底土体蠕变压缩量的计算方法，从而提出了一种考虑土体蠕变效应的桩基长期沉降计算方法。计算结果与桩基长期监测结果较为吻合，表明在获得可靠的计算参数后可用提出的方法估算桩基长期沉降。     

桩柱结构在地震作用下非线性响应研究

基于试验基础上建立的经典弹塑性模型--剑桥模型能够准确描述正常固结土的应力-应变关系。当土体的应力历史上经历过卸载或受到循环交变荷载作用即进入超固结状态,它作为土的应力历史的反映,相比正常固结土受力特性有着显著的差异。为研究超固结因素对土体加载特性的影响,在引入能考虑超固结状态影响的下负荷面剑桥模型后,通过三轴压缩和剪切试验对处于超固结状态下土体的受力特性进行了对比分析,并对循环剪切加载下的应力-应变关系以及超固结比的演化规律进行了研究。结果表明,下负荷面剑桥模型能准确反映超固结因素对土体力学特性的影响,相比原状土有着更高的屈服强度。而通过数值模拟自由场地基在地震作用下的动力响应可以看出,超固结因素对地基的动力响应起到了不可忽略的影响,尤其在强震下更需要考虑其影响。在自由场地基地震动力响应基础上,通过对桩柱结构桩-土耦合系统在地震作用下非线性动力响应的模拟对土体非线性以及超固结因素的影响进行了对比研究,研究表明：土体的非线性因素能显著降低结构振动响应中的高频成分,由于土体在交变加载下很快进入超固结状态,相对于剑桥模型,下负荷面剑桥模型在考虑超固结因素后土体的承载性能显著提高,尤其在强震作用下超固结因素带来的影响更加明显,因此,建议对桩基结构物地震响应研究考虑超固结因素影响,以提高桩基结构物地震响应模拟的精确度和可靠性。     

非饱和粉质粘土固结压缩特性及体变试验研究

为进一步研究与基质吸力相关联的非饱和土固结压缩特性,扩展非饱和土固结理论在工程实际中的适用性,通过分析非饱和粉质粘土水土特征曲线变化规律,对非饱和土固结变形机理进行研究。试验结果表明：非饱和土的最终沉降量仅与土骨架的压缩模量有关。对于不同饱和度的非饱和土而言,固结速度随初始饱和度的增加而减小,饱和土固结过程所需要的时间比非饱和土固结过程所需要的时间短。由于孔隙流体的压缩性导致高饱和土体的瞬时沉降比低饱和土体的瞬时沉降小,但高饱和土体的后期固结沉降受饱和度和吸力的影响,比低饱和土体要大得多。      

桥头粉喷桩复合地基工后沉降原因分析

为了研究引起搅拌桩复合地基工后沉降的原因,针对粉喷桩加固桥头软基沉降进行Biot固结有限元正反分析。有限元分析时的土体本构模型采用Duncan-Chang非线性弹性模型,反分析时的土体本构模型分别采用Duncan-Chang非线性 弹性模型和Merchant黏弹性模型。计算分析表明,引起粉喷桩加固地基工后沉降的主要因素：早期时是交通荷载引,而后期土体蠕变的影响则占主导地位。     

考虑次固结效应的流变固结理论研究

软土的固结与蠕变是土力学研究和工程建设中需要考虑的重点问题, 但是传统的固结理论, 例如太沙基固结理论没有考虑软土的流变特性, 对软土的次固结沉降无法做出准确的解释。为了研究软土的固结与蠕变以及次固结沉降特性, 掌握其应力和变形规律, 本文对传统的固结理论进行了改进。在太沙基一维固结理论的基础上, 利用次固结系数和修正的Singh-Mitchell经验蠕变模型, 建立了考虑次固结效应的一维流变固结微分方程。在太沙基三维固结理论和比奥固结理论的基础上, 利用修正的Singh-Mitchell经验蠕变模型, 建立了考虑次固结效应的三维流变固结微分方程。新建立的流变固结微分方程能够更加准确地反映软土固结和蠕变性状的应力-应变-时间关系, 为软土固结沉降研究提供新的理论依据。     

A procedure for theoretical estimation of dewatering-induced pile settlement

Dewatering in geotechnical excavations may cause soil consolidation and settlement, which would exert negative skin friction on nearby piles and cause additional pile settlements. Incorporating four steps that include a pumping model, a simplified consolidation evaluation, a pile–soil interaction model and a semi-theoretical pile settlement prediction, this paper presents a procedure to estimate the drawdown, the soil consolidation settlement, the negative friction on the pile shaft and the additional pile settlement, induced by dewatering in phreatic zones. Numerical calculations for a simplified situation of dewatering operation illustrate the proposed procedure in estimating the mechanical effects of dewatering on nearby piles.     

Group interaction on vertically loaded piles in saturated poroelastic soil

The pile-to-pile interaction was obtained for vertically loaded piles embedded in homogeneous poroelastic saturated soil. Deduced from Biot’s theory, the fundamental functions of the quasi-static development for the force, displacement and pore pressure were acquired in cylindrical coordinates. The pile–soil system was decomposed into extended soil and fictitious piles, and the compatibility condition was set up between the axial strain of the fictitious piles and the corresponding average strain over the extended soil. This approach results in the governing equations, which consist of the Fredholm integral equations of the second kind and the basic unknowns of the axial forces along the fictitious pile shaft. The axial force and settlement along the pile shaft were calculated based on the axial forces of the fictitious piles. The interaction between the piles was investigated under different consolidation conditions through a two-pile model, and two pile interaction factors were obtained. Stemming from the two-pile analysis, numerical analyses on the settlement of the pile groups were conducted to probe pile interaction with consolidation. The conventional solutions for the single-phase soil-pile problem seem to underestimate the interaction factor if the consolidation effect is taken into account as pile settlement continues. The pile-to-pile interaction can also aggravate the percentage of consolidation settlement (PCS), and as the pile number increases, the value of the PCS will also increase. Several key factors, such as the pile stiffness, pile slenderness ratio and pile spacing, are investigated to better understand the impact of consolidation on pile analysis.     

改进Koppejan蠕变模型及其应用

将基于固结试验建立的Koppejan蠕变模型应力-应变-时间关系改进为增量形式,并泛化到三维应力空间,建立了改进的Koppejan蠕变模型。基于ABAQUS软件对改进模型进行二次开发,采用上海软黏土的长期固结试验结果对模型进行验证,结果表明,Koppejan模型能较好地描述上海软黏土的蠕变特性,且改进Koppejan模型的计算精度比经典Koppejan模型高,两种模型应用于淤泥质粉质黏土的计算效果均比粉质黏土好。将改进Koppejan蠕变本构模型应用于某高速铁路桥梁桩基长期变形的三维有限元分析,与现场实测沉降的对比表明,改进Koppejan模型能较好地应用于实际工程的长期变形计算,且计算效果较好。     

Negative skin friction on pile groups

A numerical procedure is presented for the downdrag analysis of group piles which penetrate a consolidating upper soil layer to socket into a firm bearing stratum of finite stiffness. The settlement of the consolidating upper soil layer under a surcharge load is estimated using Terzaghi's one-dimensional consolidation theory. Parametric solutions are presented to show the influence of various parameters on the performance of the socketed pile groups in terms of the development of the induced downdrag forces and associated pile head settlements. In general, pile–soil–pile interaction has the beneficial effect of reducing the downdrag forces and settlements of the group piles when compared to the corresponding single pile values, provided that the soil settlements are not so large as to cause full slippage at the interface in all the piles. Reasonable agreement is obtained between the theoretical and experimental results for pile groups subjected to negative skin friction.     

Influences of soil consolidation and pile load on the development of negative skin friction of a pile

Negative skin friction (NSF) along a pile caused by soil consolidation is of great concern to engineers. The development of NSF is time-dependent because soil consolidation is also time-dependent. In this paper, a numerical solution is provided for the development of negative skin friction of a pile in nonlinear consolidated soil under different loads on a pile top. A hyperbolic interface model is also developed. This model considers the development of shear strength during soil consolidation and loading–unloading scenarios at the pile–soil interface. One-dimensional nonlinear consolidation theory is invoked to estimate the soil settlement and shear strength. The distributions of NSF and the axial force along the pile are obtained using the differential quadrature method (DQM). The influences of soil consolidation and different pile loads on the negative skin friction of a pile are discussed.