饱和黏土中考虑土塞效应的柱孔扩张分析

为研究静压开口管桩的挤土效应,在考虑土塞效应的前提下,采用柱孔扩张理论对管桩压入饱和软黏土时的扩孔过程进行了分析。基于可以合理描述黏性土强度特性的拓展Lade-Duncan屈服准则,对柱孔扩张过程中的桩周土体进行了弹塑性理论推导,得到了桩周土体应力场、位移场、塑性区半径、极限扩孔压力和塑性区外侧边界径向位移的解析解。在此基础上,通过室内模型实验获得了软土中开口管桩的土塞高度,且运用等效替代法验证了理论解答的合理性;并通过引入土塞长度比对参数进行了分析。结果表明:在沉桩过程中随着土塞长度比的增大,塑性区半径、极限扩孔压力和塑性区外侧边界径向位移均逐渐减小;土体的剪切模量和黏聚力对沉桩挤土效应有显著的影响,挤土效应始终随着土塞效应的增强而减弱。该研究成果对开口管桩工程的实际应用具有一定理论指导意义。     

沉桩挤土位移应力变分解和积分泛函收敛性分析

静压桩是一种挤土桩,沉桩挤土作用将引发很多工程问题. 实际的贯桩过程发生在半无限成层土体中,且单桩具有空间轴对称性,桩的形状和长度也各不相同,因此需要研究半无限土体中一般桩孔扩张的特性和解. 通过对沉桩挤土的研究现状和实际存在问题的分析,建立沉桩挤土三维模型、设定符合变分约束条件的位移函数. 根据研究区域的积分泛函得到问题的位移和应力解. 由于能量泛函涉及三维广义积分问题,所以重点对积分和解的收敛性进行了分析,并应用经典土压力理论、小孔扩张理论和Ansys计算结果对计算和分析结果进行验证.      

成桩后黏性土中超孔压和有效应力试验研究

针对预制桩沉桩挤土效应问题，采用现场原位试验和数值模拟方法，分析了桩土界面超孔压和竖向有效应力随时间的变化规律，并应用水力压裂理论、孔穴扩张理论和修正剑桥(modified Cam-clay, MCC)模型，揭示了成桩后桩周土体固结过程的超孔压沿桩长的分布形式。结果表明：桩周超孔压大小同孔压与传感器入土深度成正比；在外载荷作用下，黏性土中超孔压和竖向有效应力分别随时间呈“增–减–平”和“平–增–平”的三段式变化趋势；成桩后约25天，超孔压基本消散完毕，竖向有效应力趋于稳定最大值；基于修正理论公式的数值模型得出，不同载荷下，桩侧中下部出现负超孔压，距桩的水平距离和距桩端竖向距离越小，超孔压越大。可为同类静压沉桩挤土效应问题提供参考依据。     

球(柱)孔扩张问题的扩孔压力与扩孔半径分析

为研究无黏性土中沉桩扩孔和静力触探试验等岩土工程问题,采用Tresca准则对球(柱)孔扩张问题的扩孔压力和扩孔半径关系进行理论分析。以圆孔扩张理论为基础,利用弹塑性交界面处的边界条件建立平衡方程,推导出球(柱)孔扩张问题中塑性区半径rp与扩孔压力p和扩孔半径a的关系,并结合孔周土体体积变化规律,得到了初始半径a0、扩孔半径a和对应的扩孔压力p三者之间的理论关系;同时为判断孔周围土体是否进入弹塑性状态,确立了可由扩孔半径a判定的公式。此外,基于上述理论公式推导出了不排水条件下球(柱)孔扩张的应力场、位移场和扩孔压力极限值pu。分析结果表明:同一初始状态下,扩孔压力p随初始半径a0与扩孔半径a的比值而变化;且塑性区半径rp仅与扩孔半径a的变化有关;当扩孔半径a大于某一定值时孔周土体进入弹塑性状态。最后通过算例分析,对球(柱)孔扩张中应力场和位移场分布、塑性区半径、扩孔压力以及扩孔压力极限值的变化规律进行了分析。     

不同排水条件下非饱和土中柱孔扩张问题的解析分析

现有的圆柱孔扩张理论已可为诸如石油工程中井筒稳定性鉴定、 及旁压和圆锥贯入实验分析等提供理论依据, 但在非饱和地基压力注浆, 复合地基处理等实际工程问题中却鲜有应用. 基于弹塑性理论和非饱和土力学原理, 采用统一强度理论, 对非饱和土中柱形小孔扩张问题进行了解析研究. 首先将柱孔周围土体分为弹性区和塑性区, 并考虑在弹性区遵循小应变理论, 在塑性区遵循大应变理论, 同时考虑了中间主应力及粒间吸力对非饱和土体强度的影响. 其次应用有效应力表示的统一强度准则, 在本构关系、几何方程、动量平衡方程等基本方程的基础上, 结合相应的边界条件, 最终获得了不同排水条件下柱孔扩张时周围弹塑性区域内的应力场、应变场、位移场及极限扩孔压力的解析表达式. 通过数值算例和参数分析, 在与现有的饱和及非饱和土中柱孔扩张理论进行退化验证的同时, 分析了吸力、剪胀参数、中主应力效应参数及初始径向有效应力等对弹塑性区域内的应力场、应变场及位移场的影响规律, 验证了本文理论的正确性及有效性, 以期为实际工程问题提供合理的理论依据.      

基于广义SMP准则的球孔扩张理论解及其应用

通过广义空间滑动面(广义SMP)准则,结合非相关联流动法则对球孔扩张问题进行了理论分析。利用应力不变量推导了符合黏性土中球孔扩张的屈服准则;通过弹塑性区边界条件,推导了孔周土体应力场和考虑剪胀角影响的应变场、位移场。利用体积守恒和塑性区平均体应变表达式,推导出扩孔压力p与初始孔半径a0、扩孔后半径a三者之间的理论关系式,通过该关系式给出了求解球孔扩张问题的具体方法和极限扩孔压力pu的计算式。此外,运用镜像法推导了考虑半无限空间下的压密注浆挤土竖向位移计算公式。最后通过算例分析了球孔扩张问题中应力场分布、不同剪胀角下位移场分布,以及扩孔后半径a对塑性区半径rp和扩孔压力p的影响规律。结果表明,剪胀角是球孔扩张问题中的一个重要参数,随着剪胀角增大,径向位移减小,塑性区半径和扩孔压力均增大。     

静压沉桩挤土机理探讨及有限元分析

针对预制桩在静压沉桩过程中出现的挤土现象,从土体小主应力方向加载的角度考虑,视浅层土体的隆起为小主应力方向(水平向)加载引起大主应力(垂直向应力)增加所致.在已有的柱形小孔扩张理论基础上,通过引入考虑位移的土压力计算方法提出了桩周土体隆起分界面表达式.利用该表达式分析浅层土体的隆起量,并利用Randolph提出的深层土体径向位移解析公式给出深层土体的变形量.最后运用有限元数值模拟计算与本文的数值解答进行对比分析,结果相近.     

饱和土中剪切带宽度的研究

主要对饱和土在简单剪切和耦合载荷下的剪切带宽进行了理论分析. 在模型中考虑了剪胀、孔压耗散、惯性及孔隙水和土颗粒之间阻力等因素的耦合效应，将有效应力考虑为应变、应变率和孔隙压力的函数. 通过对模型的简化分析得到简单剪切和耦合应力状态下的剪切带宽度的近似计算公式. 分析表明，当土体失稳后，会出现有限厚度的剪切带, 且其形成是一个后期过程，可以忽略惯性效应. 剪切带的厚度依赖于孔隙压力特性和土体骨架的剪胀特性，但是不依赖应力状态. 最后将分析与实验结果进行了对比，在一定程度上，两者是符合的.     

自钻式旁压试验推求土性参数的研究进展

自钻式旁压试验(SBPT)因其具有扰动小,能同时测量土体应力、应变及孔隙水压力的变化,在确定地基土性参数上有广阔的应用前景,成为岩土工程测试中利用率最高的原位测试手段之一。由于试验挤土过程与孔扩张过程具有很好的相似性,故多采用柱形孔扩张理论对旁压试验机理进行分析。本文详细阐述了SBPT力学机理分析的难点及假设条件适用性,并以Yu一文为基础,总结了SBPT推求土性参数及本构模型参数的理论分析方法、土性参数估测的误差来源与误差修正研究,为SBPT在国内广泛应用提供理论参考,最后对SBPT的机理解释及应用研究趋势进行了讨论。     

考虑渗流影响的球孔扩张理论解答

为研究沉桩过程中渗流作用下球孔扩张引起的土体力学响应,基于桩端应力为三轴压缩状态下的空间滑动面(SMP)准则和非相关联流动法则,考虑渗流和剪胀特性等因素的综合影响,结合弹塑性边界条件推导了饱和无黏性土球孔扩张问题的弹塑性解答。利用体积守恒并考虑塑性区的弹性变形条件,得出了极限扩孔压力的理论解答。在此基础上,通过与不考虑渗流影响的球孔扩张解答对比,研究了渗流体积力对球孔扩张中应力和塑性区半径的影响。研究结果表明:随着渗流体积力的增大,扩孔压力和塑性区半径均减小;剪胀特性对土体的位移和变形影响显著,随着剪胀角的增加,扩孔周围土体的径向位移减小,并沿径向逐渐趋于零;随着土体强度的增大,扩孔压力明显增大。该解答可为富水工程中进行扩底沉桩等岩土渗流问题提供必要的理论依据。     

侧移土体被动桩成拱效应及主动侧土压力计算

采用三维数值模型模拟土体水平位移条件下被动桩的成拱效应。分析结果表明,被动桩的成拱效应和桩间距关系最为密切,桩间距较小时,侧移土体在桩周附近呈现出明显的土拱效应,应力等值线密集,相互连通成一整体,并向两端突出,桩间距增大时土拱效应减弱;随着作用于土体侧向荷载的增大,土拱效应增强,桩周应力区增大。在数值分析的基础上,以T.Itos土压力为依据,考虑土体的实际分层,探讨了考虑土拱效应的土压力计算方法,给出了被动桩计算模式,最后将简化方法与数值分析的桩侧土压力进行了对比。     

基于微结构指标主成分分析的沉桩挤土效应研究

前期研究已认识到,土的宏观力学性质及其表现从本质上应取决于土的微观结构。在结构性较强的软土中沉桩,桩周土体内部结构会发生显著变化,土体的强度与变形性质是这种内在变化的宏观表现,研究土体微观结构与宏观力学行为变化之间的关系,对认知土体的力学性质,从微观出发去认识沉桩挤土效应的机理,指导工程实践具有重要地理论和现实意义。本文基于天津滨海地基土实际静压桩工程,在沉桩的不同时刻、沿桩身的不同位置取桩周土体原状土样进行室内三轴固结不排水剪切试验,得到土体强度指标参数,同时进行对应的微观结构试验,得到垂直与水平方向的10个微结构指标。采用主成分分析方法,在微结构指标中提取3个主成分,较好地分析了土体微结构特征。研究表明: 3个主成分与黏聚力之间存在较好的相关关系,而与内摩擦角之间的相关性相对较弱; 第一主成分对各微结构信息的提取比较充分,第二、第三主成分是对第一主成分未反映信息的进一步补充。同时主成分分析表明,土体微结构性质对强度性质起控制作用,在沉桩过程中,近地表和下部土层宏观力学指标表现出了相反的变化规律。主成分分析方法较好地表述了土体的微结构性质,为进一步从微观入手解释沉桩挤土效应机理提供了有力依据。     

RESEARCH OF CONSTITUTIVE RELATION CORRECTION OF GEOTECHNICAL MATERIALS AND THEORETICAL SOLUTION DUE TO PILE-SOIL INTERACTION

地基土的变形模量值不仅和土层所受的先期固结压力大小直接相关, 还受桩土作用产生的附加体积应变的影响.首先, 针对岩土散体材料分析其本构关系的主要影响因素, 研究模量随埋藏深度和体积应变的变化规律, 并对Duncan-Chang本构模型进行抗拉模量值修正.其次, 综合考虑岩土材料拉压模量不等修正以及桩土作用位移边界特点, 应用变分理论推导桩土作用造成的位移、应变和应力场理论解答.最后, 应用已有的经典土压力理论和小孔扩张理论对理论推导结果进行对比和分析验证.研究结果对桩基础设计施工、相应环境保护措施的选择和设计有较大的指导作用.     

沉桩扩孔速度对非饱和土中柱形扩孔挤土效应的影响

以柱形孔扩张模型模拟沉桩过程,推导出考虑速度因素时桩周土体的位移、应力解析解.以弹塑性交界面处单元体的运动情况作为参考标准,将区域内任何一点的应力、位移描述成塑性区半径和扩张后土体单元距孔心的距离函数.采用小变形理论求解出r处的径向扩张速度与弹塑性交界面的径向扩张速度之比应满足的关系式.最后结合沉桩扩孔速度的已知条件推导出沉桩后桩周土体塑性区、破坏区的范围.整个土体范围内应力、位移表达式形式仍与不考虑沉桩扩孔速度因素时一样.对比分析表明:相同桩径条件下,随着沉桩扩孔速度的增加,沉桩影响范围也越来越大;随着桩径的增加,沉桩影响范围受沉桩扩孔速度的影响程度则降低.此外,相应于一定的桩径存在一个临界速度,当沉桩扩孔速度大于临界速度时,需要考虑速度因素;小于临界速度时不考虑则是偏于安全的.本文的研究成果主要适合于软土.     

饱和土–隧道动力响应的2.5维有限元–边界元耦合模型

针对饱和土中异形隧道的三维动力响应问题,建立了2.5维有限元与边界元耦合模型.将隧道结构视为弹性体,采用2.5维有限元建立隧道模型;将地基土视为饱和多孔介质,采用2.5维边界元建立饱和土体模型.借助组合辅助问题基本解消除了边界积分方程的奇异性.利用饱和土与隧道接触面的位移、面力连续和完全透水或完全不透水边界条件,实现2.5维有限元和边界元模型的耦合求解.模型具有计算效率高、适用范围广的优点.通过与完全透水和完全不透水边界条件下轴对称问题的半解析解以及单相介质的2.5维有限元与边界元耦合模型对比,验证了本文模型的正确性.最后利用该模型计算了饱和土体中类矩形隧道在移动载荷作用下的三维动力响应,分析了不同土体渗透性下位移及孔隙水压力沿隧道轴向、环向和深度的分布规律.结果表明:(1)孔隙水压力随土体渗透性增大而显著减小,位移受土体渗透性影响小;(2)位移及孔隙水压力在隧道环向主要分布在距载荷作用点两侧约2 m的范围内;(3)孔隙水压力沿深度的衰减比土体位移快,且孔隙水压力和轴向位移沿深度的分布受土体渗透性影响大.     

超固结饱和黏性土的弹塑性本构模型及三轴试验模拟

针对饱和超固结黏性土现有的下加载面修正剑桥模型破坏应力比为定值,不能反映土体在不同应力状态下强度特性存在差异这一问题,为了更好地反映应力状态变化对破坏应力比的影响,基于三剪统一强度准则确定超固结土的破坏应力比。在此基础上得到了超固结土的弹塑性本构模型,该模型的特点是能够描述土体受力时的中间主应力效应、应力区间效应、拉压差影响。基于该本构模型作了常规三轴压缩条件下超固结饱和黏性土的模拟结果与试验结果对比,结果表明:该模型能够反映不同超固结比下土的变形、剪胀、孔隙水压力变化特性和规律。利用该本构模型模拟了排水和不排水条件下的真三轴压缩试验,得到了相应的应力-应变特性曲线。     

有压水环境中的混凝土动态抗压性能试验研究

对有压水环境中的混凝土进行了不同应变速率下的动态压缩试验研究,获得了水压为0~10MPa时的混凝土含水量特征以及不同应变速率下的应力应变曲线。试验结果表明:应变速率不高于10~(-3)/s时,混凝土的应力应变曲线与干燥混凝土的相似,受力状态如同单轴加载;在应变速率为10~(-2)/s时,其应力应变曲线的后半支随水压力增加而提高,与三轴受力状态类似,水压力对混凝土形成了围压效应。混凝土的强度及其动态增强因子随应变速率呈非线性增加趋势,水压力越高则增长速度越快。强度压力增强因子随水压力的变化趋势在不同应变速率下存在差异。在慢速加载时,强度压力增强因子变化幅度为10%,而快速加载时,其随水压力提高而增加,且显著高于慢速加载时的情况。在深入研究混凝土强度动态增强因子和压力增强因子的基础上,构建了有压水环境中混凝土的经验本构模型。该模型考虑了水压力和应变速率共同作用对混凝土强度的影响,与试验数据吻合较好。结合混凝土的含水量特征,进一步分析了不同应变速率下孔隙水对其力学性能影响的作用机理,分析表明含水量不同导致了粘滞应力和超孔隙水压力的差异,从而引起混凝土强度的非线性增长。     

真空预压法加固吹填土的孔隙水压力试验研究

利用真空预压法处理吹填土时,孔隙水压力变化常常反映土体固结程度的好坏。通过6个模型箱试验,监测不同排水系统下孔隙水压力变化,确定有效排水体间距。研究发现0.4m间距的土内孔压下降效果比0.8m间距的土内孔压下降效果好; 排水体内的孔隙水压力与排水体类型有关,且距离排水体10cm处土体内的孔隙水压力仅为排水体内孔隙水压力的1/2弱; 滤膜排水系统中的吹填土孔隙水压力下降幅度最快,B型排水板系统次之,而砂井系统最慢。另外,对于吹填土而言,排水体有效间距介于0.4m与0.8m之间,其中滤膜的有效间距最大,B型排水板次之,砂井远小于前两者。     

动力排水固结法加固吹填黏性土的模型试验研究

为了研究动力排水固结法加固吹填土地基的效果,研发了大比例尺的室内模拟试验装置并开展了试验。重点对夯沉量、土体内孔隙水压力的瞬时和长期变化进行了监测和分析,得到如下结论:夯击产生的能量以波的形式向土体内部传播,由于波的作用造成土体拉伸形成裂隙,这些裂隙成为初期的排水通道; 孔隙水压力的动态变化具有明显的脉动特性,夯击瞬间出现负增长,然后再累积增长; 不同深度土体的孔隙水压力增幅不一样; 土体表面铺设的砂垫层不仅可以用做排水,还可以作为静力荷载,有助于土体的排水固结。     

桩-土接触效应及对桥梁结构地震反应的影响

目前有关涉及桥梁桩基础地震反应的研究大多是基于桩与桩侧土体之间无相对滑动、位移保持协调的假定。本文针对地震作用下桥梁桩基础的接触面效应及其对结构地震反应的影响问题，以某桥梁工程为背景，通过在桩-土交界面处设置接触单元来模拟桩-土间的接触非线性，建立了土-桩-桥梁结构相互作用体系的三维分析模型。利用这一模型，分析了地震作用下桩-土交界面处的动力反应形态，探讨了桩-土间的接触非线性及其对桥梁结构地震反应的影响。初步分析结果表明：在强震作用下，桩-土间会产生较强的接触非线性，在本文模型中，这种非线性主要表现为桩-土交界面处的滑移；考虑桩-土间的接触面效应将使结构的位移反应结果较基于桩-土间位移协调的情形有所增大。