软粘土深基坑开挖时间效应的有限元分析

目前对开挖工程一般只作总应力法分析,本文将Ｂｉｏｔ固结有限元用法饱和软粘土地基深基坑性状的研究,通过典型算例分析土体超散负孔压的分布及分步开挖工程的固结效应,阐述了开挖速率的影响。最后对某深开挖工程实例进行了分析,旨在为基坑工程的设计和施工提供参考。     

考虑非达西渗流的单层非均质地基固结分析

各类地质作用形成的非均质粘性土地基在工程界中广泛存在,同时非均质粘性土中渗流在低水力坡降下会出现非达西渗流的现象。但考虑非达西渗流的非均质粘性土地基一维固结理论尚不完善,应用达西定律计算低水力坡降情况下非均质粘性土中的渗流,会存在较大的误差。因此通过假定粘性土压缩模量随深度线性增加且渗透系数随深度指数减小来考虑地基的非均质性,并考虑实际中变荷载作用建立了非达西渗流下非均质地基固结模型。在此基础上,运用有限差分法获其数值解,并与相应的达西渗流解析解进行对比,验证了本文解的正确性;分别研究了非达西渗流参数m、i_1和非均质地基参数α、μ、p对土体孔压、地基沉降、地基平均固结度的影响。结果表明:m和i_1值越大,非均质地基中孔压消散越慢,土体固结速率也随之变慢;非均质粘性土地基参数的影响各异,α越大或μ越大、p越小的情况下,固结速率越快,且随着α值增大,非均质土体的最终沉降值越小;而m、i_1、μ、p对地基最终沉降量没有影响。非达西渗流和地基的非均质性都会影响土体的固结性状,故此两者在固结计算过程中不可忽略。     

复合地基群井固结模型理论研究

针对复合地基固结问题,考虑井阻和土体径竖向渗流的影响,建立以"桩–土–桩"为单元的复合地基群井计算模型,采用解析解法,推导出瞬时载荷作用下复合地基群井固结解析解,讨论了复合地基固结特点和孔压等的变化规律。研究表明,复合地基群井固结模型为复合地基固结理论的研究提供了一种新思路,在井径比大于5时,基于中心桩、边桩流量相等假设,复合地基群井固结理论所求固结度和传统固结理论所求固结度相差很小,可忽略不计;桩体渗透系数、内外扰动区土体径向渗透系数、土体竖向渗透系数越大,复合地基固结速率越快;堆载越大,最终达到稳定时的沉降量和竖向应变越大;地基表层土体的孔压消散速率和竖向应变速率大于地基深部土体。     

A CONSOLIDATION MODEL OF GROUP WELLS ON COMPOSITE FOUNDATION1)

针对复合地基固结问题,考虑井阻和土体径竖向渗流的影响,建立 以"桩-土-桩"为单元的复合地基群井计算模型,采用解析解法,推导出瞬时载荷作用下复合地基群井固结解析解,讨论了复合地基固结特点和孔压等的变化规律。研究表明,复合地基群井固结模型为复合地基固结理论的研究提供了一种新思路,在井径比大于5 时,基于中心桩、边桩流量相等假设,复合地基群井固结理论所求固结度和传统固结理论所求固结度相差很小,可忽略不计;桩体渗透系数、内外扰动区土体径向渗透系数、土体竖向渗透系数越大,复合地基固结速率越快;堆载越大,最终达到稳定时的沉降量和竖向应变越大;地基表层土体的孔压消散速率和竖向应变速率大于地基深部土体。     

软土基坑变形失稳形态模拟试验研究

通过不同土性、地下水条件下软土基坑开挖变形失稳的模拟试验, 研究了软土基坑开挖变形发展直至失稳破坏的全过程。通过试验研究, 初步认为软土基坑坑壁在无支护或支护刚度较小的情况下, 其坑壁破坏形态呈抛物线型; 在基坑开挖范围内若存在有砂性土, 且地下水位较高时, 易于发生流砂渗透破坏, 并导致了地表沉陷, 但侧向变形相对较小; 而对于因承压水引起的坑底土体隆起变形, 若不考虑土体的强度特性, 计算结果是偏于安全的。     

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。     

某软土深基坑工程时间效应有限元分析

软土地区的深基坑因土体的固结作用和流变性而具有了时间效应。本文以Biot固结有限元法为基础,用三元件模型中的第一个线性弹簧模拟固结作用,弹性模量考虑了开挖应力路径和应力历史的影响;另外一部分(KELVIN模型)来模拟土体的流变性,以实际变形的反演来得到两个参数的大致取值,再对基坑的变形情况以及进一步开挖进行分析。假定为正常固结饱和粘土,平面应变问题。通过对某饱和软粘土地基深基坑开挖工程实例的分析,得到的挡墙水平位移曲线与实测曲线很吻合,表明程序较好地反映出基坑的时间效应。     

砂土地基中开挖过程对立柱桩的影响分析

立柱桩对基坑工程的稳定性有重要影响.基于快速拉格朗日法(fast Lagrangian analysis of continua-3D,FLAC3D),考虑桩土之间的相对滑移作用,深入分析了砂土地基中开挖条件下不同布桩方式对立柱桩桩身拉力、最大拉力位置及桩顶回弹量等的影响.结果表明:开挖对立柱桩的影响有明显的空间效应,开挖对中心桩的影响最大,角桩最小;开挖使立柱桩桩身内产生了拉力,群桩基础内的中心桩最大拉力值大于单桩的最大拉力值,且最大拉力值位置随桩数的增加而上移,并最终稳定在0.5倍的有效桩长;中心桩桩顶回弹量先随着桩数的增加而增大,然后当桩数增加到一定的数量后减小.     

砂土地基中开挖过程对立柱桩的影响分析简

立柱桩对基坑工程的稳定性有重要影响. 基于快速拉格朗日法（fast Lagrangian analysis of continua-3D, FLAC3D）,考虑桩土之间的相对滑移作用,深入分析了砂土地基中开挖条件下不同布桩方式对立柱桩桩身拉力、最大拉力位置及桩顶回弹量等的影响. 结果表明：开挖对立柱桩的影响有明显的空间效应,开挖对中心桩的影响最大,角桩最小;开挖使立柱桩桩身内产生了拉力,群桩基础内的中心桩最大拉力值大于 单桩的最大拉力值,且最大拉力值位置随桩数的增加而上移,并最终稳定在0.5倍的有效桩长;中心桩桩顶回弹量先随着桩数的增加而增大,然后当桩数增加到一定的数量后减小.     

黄河水下三角洲硬壳层特征及其液化过程研究

为揭示黄河口水下三角洲硬壳层的土性特征和风浪作用下的液化破坏状况,选择典型研究区,在现场利用普氏贯入仪测试硬壳层的强度特征,原位取1m原状样进行室内土工试验;利用重锤锤击荷载板的方式模拟波浪对硬壳层的动力作用,通过孔压探头和普氏贯入仪实时监测土体内孔压和振动前后强度的变化;通过理论计算研究硬壳层在不同风浪等级下的液化深度。通过研究发现,（1）硬壳层土体基本上处于超固结状态,且超固结比随深度增加而减小,大王北和刁口地区硬壳层强度约是新滩和广利港的两倍,离河口近的地区强度的变异系数比远的地区要大;（2）根据孔压随振次的变化关系,现场土体在振动过程中,孔压的增长经历了4个阶段,即初始阶段、增长阶段、稳定阶段和衰减阶段,且表层土体达到液化,深层的未液化;（3）大王北硬壳层在6~10级风浪下的平均液化深度仅为7~11cm,新滩和广利港硬壳层在6~10级风浪作用下的液化深度达32~42cm。强度高的硬壳层液化深度小,低的液化深度大,这种液化深度的差异性造成了地貌上的凹凸不平。     

A new method for solving Biot＇s consolidation of a finite soil layer in the cylindrical coordinate system

A new method is developed to solve Biot＇s consolidation of a finite soil layer in the cylindrical coordinate system. Based on the governing equations of Biot＇s consolidation and the technique of Laplace transform, Fourier expansions and Hankel transform with respect to time t, coordinate θ and coordinate r, respectively, a relationship of displacements, stresses, excess pore water pressure and flux is established between the ground surface （z = 0） and an arbitrary depth z in the Laplace and Hankel transform domain. By referring to proper boundary conditions of the finite soil layer, the solutions for displacements, stresses, excess pore water pressure and flux of any point in the transform domain can be obtained. The actual solutions in the physical domain can be acquired by inverting the Laplace and the Hankel transforms.     

考虑热渗效应的有限长圆柱热固结解

在作者已建立的饱和多孔介质耦合非线性热弹性理论基础上,考虑热渗效应,建立了饱和多孔介质耦合热弹性固结方程,并推导了有限长圆柱热固结问题的解析解,进而以温控三轴试验的试样为例进行了算例分析,同时利用COMSOL软件进行了数值模拟,并将解析结果和数值结果进行对比．结果表明：在不排水条件下,影响试样最终孔压大小的参数是：土的泊松比>弹性模量>水的体膨胀系数,渗透系数对孔压变化影响不大,考虑与不考虑水土压缩性不影响孔压的计算;相对线弹性情况,考虑非线弹性膨胀系数随温度变化时的孔压有所下降,轴向应变变化很小．     

渗透固结试验装置的改进

针对传统固结仪不能进行渗透试验的不足,对固结仪进行了改装。改装后的固结仪不仅可以交叉进行固结、渗透试验,以研究不同荷载作用下土样的渗透特性,而且可以通过三通阀控制排水条件,进行双面排水固结试验,或在单面排水条件下量测固结过程中试样不排水面处的孔隙水压力,也可通过串联固结仪分别研究试样不同截面处孔隙水压力的消散规律。新仪器具有构造简单,密封性能好的特点。通过与常规固结、渗透试验的结果对比,验证了采用改装固结仪测定固结模型参数的可靠性。另外,通过单面排水固结试验发现了孔压滞后现象。     

Chemo-Mechanical Consolidation of Clays: Analytical Solutions for a Linearized One-Dimensional Problem

Consolidation (and swelling) of clayey soils caused by change in chemistry of pore fluid is addressed. Such phenomena are caused by changes in the concentration of various species in the solution and result primarily from a stress-independent deformation of individual clusters, and from a mechanical weakening or strengthening of the clay solid matrix in the presence of stress. Second, transport of chemicals that involves concentration gradients induces additional driving forces of osmotic consolidation due to semipermeable membrane nature of clay. In this paper an extension of Terzaghi's model of the mechanical consolidation to incorporate chemical loading of soil is proposed. A linearized model is used to solve analytically two one-dimensional problems of consolidation of a homogeneous layer simulating a landfill liner with drained or undrained boundaries. The numerical results show a strong dependence of distribution of pore pressure on the chemical load and chemically induced settlements of soil to be comparable to the mechanical ones.     

CONSOLIDATION THEORY OF UNSATURATED SOIL BASED ON THE THEORY OF MIXTURE(Ⅱ)

The present paper uses the mathematics model for consolidation of unsaturatedsoil developed in ref.[1]to solve boundary value problems.The analytical solutionsfor one-dimensional consolidation problem are gained by making use of Laplacetransform and finite Fourier transform.The displacement and the pore water pressureas well as the pore gas pressure are found from governing equations simultaneously.The theoretical formulae of coefficient and degree of consolidation are also given inthe paper.With the help of the method of Galerkin Weighted Residuals,the finiteelement equations for two-dimensional consolidation problem are derived.A FORTRANprogram named CSU8 using8-node isoparameter element is designed.A plane strainconsolidation problem is solved using the program,and some distinguishing features onconsolidation of unsaturated soil and certain peculiarities on numerical analysis arerevealed.These achievements make it convenient to apply the theory proposed by theauthor in engineering practice.     

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。     

BIOT’S CONSOLIDATION ANALYSIS FOR CYLINDRICAL SOIL-SAMPLE BASED ON HANSBO’S FLOW1)

诸多黏性土渗流试验表明,在低水力梯度下渗流会出现明显偏离Darcy定律的现象. 为了分析渗流的非Darcy特性对固结过程 的影响,引入Hansbo渗流方程描述圆柱土样内的渗流,重新推导轴对称条件下的Biot固结方程,并给出方程的Crank--Nicolson有限 差分格式. 通过与Darcy渗流条件下轴对称Biot固结方程解析解的对比,验证计算方法的有效性. 然后分析Hansbo模型参数对圆柱 土样固结过程的影响. 计算结果表明：与Darcy渗流相比,Hansbo渗流会延缓圆柱土样的固结过程. 随着Hansbo渗流参数m或I¹的增大,在固结前期,Mandel--Cryer效应会更加显著,即孔隙水压力峰值将提高,且达到该峰值的时间 会延迟;在固结中后期,孔压消散滞后的现象也更加明显. 不过,Hansbo渗流对位移的影响很小.     

LARGE-STRAIN CONSOLIDATION OF FOUNDATION WITH SAND DRAINS BASED ON HANSBO'S FLOW 1)

基于Gibson大变形固结理论,通过引入Hansbo渗流模型和软黏土非线性变形特性,同时考虑土层的沉积效应,分别建立了以孔隙比$e$和超孔压$u$表示的砂井地基大变形固结方程。通过与已有研究成果的对比,验证了本文方法的可靠性和砂井地基大变形固结方程两种描述方式的等效性。通过FlexPDE得到方程的数值解,在此基础上,研究了砂井地基大、小应变固结理论与Barron固结解的差异性,探讨了Hansbo渗流参数$m$和$I_1$对砂井地基固结的影响,最后对比分析了砂井地基轴对称固结、径向固结和竖向一维固结的关系。研究结果表明：考虑Hansbo渗流的砂井地基非线性大变形固结模型的固结速率最慢,且在固结后期,Hansbo渗流时大、小应变固结与Barron固结的平均固结度基本趋近;随着Hansbo渗流参数$m$和$I_1$的逐渐增大,砂井地基的固结速率逐渐降低;随着砂井影响半径的增大,砂井地基轴对称固结与径向固结的差异性也越来越大,且在固结早期会出现一维竖向固结速率高于轴对称固结和径向固结的现象。     

Footing Settlement on a Consolidating Soil Layer with Stochastic Properties

Geotechnical engineering applications are characterized by various sources of uncertainties, most of them attributed to the stochastic nature of soil parameters and their properties. In particular, soil’s inherent random heterogeneity, inexact measurements and insufficient data necessitate numerical methods that incorporate the stochastic soil properties for a realistic representation of the soil behavior. In this paper, the process of consolidation of saturated soils is examined on the basis of the coupled u–p finite element formulation. A generalized Newmark implicit time integration scheme is implemented to treat the time integration of the coupled consolidation equations. A benchmark geotechnical engineering problem of a strip footing resting on a saturated soil layer is analyzed. The soil permeability coefficient k, as well as the elastic modulus E, are treated as lognormal random fields in two dimensions. The investigation of the effect of the spatial variability of the soil properties on the response of a footing–soil system is examined by means of the direct Monte Carlo simulation. The influence of the coefficient of variation and correlation length of the stochastic fields is quantified in terms of footing settlements, as well as excess soil water pore pressure. The effects of spatial variability of the permeability coefficient k and the elastic modulus E on the system response are demonstrated. It is shown that the footing differential settlement, along with generated excess pore pressures, is highly affected by the variation of the soil properties considered, as well as the correlation length of the underlying random fields.     

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。