考虑变井阻的增压式真空预压固结解析模型及解答

增压式真空预压法是一种新兴的软土改良技术，目前对其固结理论的研究成果相对较少，基本处于起步阶段。基于等体积应变假设和达西定律，提出一种包含增压管和排水板的新型等效固结解析模型。首先，针对地基固结过程中排水板出现的淤堵问题，考虑排水板的变井阻效应，假定其渗透系数随时间指数衰减并随深度线性衰减；另外，考虑排水板涂抹作用以及土体内径–竖向渗流，推导了该模型的固结控制方程及其解析解。通过理论退化和比较研究，并与实际工程案例进行对比分析，验证了该解答的合理性。最后，通过参数敏感性分析对增压式真空预压固结特性进行研究，分析各种参数对固结性状的影响。结果表明：与传统真空固结解析模型相比，增压法能更有效地促进土体固结；考虑排水板的变井阻效应时，地基的固结进程将会减缓，且时间井阻因子αb的变化对地基后期固结速率的影响很大；单元内排水板布置越密集、土体泊松比越大、增压管影响区域越小或增压压力越大，均会导致地基固结加快。     

考虑涂抹作用的未打穿砂井地基固结理论分析

 在等应变假设和瞬时加载条件下,研究单面和双面排水情况下未打穿砂井地基的固结问题。通过设置虚拟砂井的方法考虑未打穿土层的径竖向组合渗流;同时,为考虑施工对土体的扰动随离砂井的距离增大而逐渐减小的事实,引入一个函数,将土体水平渗透系数统一表达,并在假设的3种模式下(涂抹区水平渗透系数不变、呈线性变化和呈抛物线变化),得到未打穿砂井地基固结解析解。编制计算程序,详细阐述编程过程中要注意的几个问题,对未打穿砂井地基的固结性状进行分析。结果表明,考虑涂抹区水平渗透系数呈抛物线变化时地基固结最快,呈线性变化时次之,不变时最慢;施工扰动范围、程度越大,固结越慢;砂井打入深度越深,固结越快;砂井渗透系数越大,固结越快。     

考虑井阻随时间变化下砂井地基的非线性固结解

针对砂井地基固结过程中砂井的渗透系数会逐渐降低这一特性,通过引入e-lg??和e-lgk对数模型来描述土体的非线性固结特性,同时考虑井阻随时间变化和涂抹区径向渗透系数变化等因素,推导砂井地基非线性固结的控制方程,并采用分离变量法求得该方程的固结解。通过退化研究并与已有的解析解进行对比分析,对该解答的正确性进行验证。基于该解答,对砂井地基的非线性固结性状进行分析。分析表明:砂井地基的固结速率随井阻因子的增大而减小,井阻的变化主要对砂井地基后期固结速率的影响较大;在涂抹区径向渗透系数变化的3种模式中,抛物线变化模式固结速率最快,线性变化模式次之,常数变化模式固结速率最慢;压缩指数与渗透指数的比值越大,砂井地基的固结速率越慢;在非线性压缩关系下,砂井地基固结过程中的平均孔压固结度始终慢于平均沉降固结度。     

复杂条件下复合地基固结解析理论研究

与砂井地基相比,复合地基具有桩体压缩模量较大、直径较大、受荷后应力向桩体集中以及桩体发生侧向膨胀等特点,因此,复合地基固结虽然类似于砂井地基固结但又与之不同.针对现有复合地基固结理论不能合理充分地考虑复合地基这些特点的不足,基于复合地基桩、土共同承担外部荷载的原则,提出一个新的关于复合地基固结初始条件,并对复合地基施工扰动引起的土体渗透系数变化、附加应力随深度和时间变化、桩体固结压缩、土体非线性以及桩、土发生侧向变形等复杂情况下的复合地基固结问题进行了较详细深入的研究,主要的工作和创新成果如下:(1) 给出能同时考虑扰动区土体渗透系数变化、附加应力既随时间变化又随深度变化的复合地基固结普遍解,以及荷载单级施加、附加应力沿深度线性变化时超静孔压和平均固结度的具体表达式,并对地基的固结性状和桩-土应力比的发展规律进行了分析.(2) 鉴于传统桩周流量连续的假定与等应变条件矛盾,对现行桩周流量连续假定进行了修正,建立新的能够考虑桩体压缩的复合地基固结控制方程,给出瞬时加荷和附加应力沿深度均匀分布情况下复合地基超静孔压和平均固结度的表达式,将其与以往解答进行了对比,分析复合地基的固结性状.研究结果表明:采用修正的桩周流量连续条件给出的地基平均固结度小于传统桩周连续假定给出的平均固结度,而且,随着井径比的减小,两者之间的差值变大.(3) 为考虑由于桩径较大而实际存在于桩体内的径向渗流,建立能考虑桩体内的径、竖向组合渗流的复合地基固结控制方程,引入2个新的边界条件,并给出相应解析解.对比分析结果表明:所给出的解答可以合理地退化到5种简单情况下的地基固结解答;不考虑桩体内径向渗流将高估复合地基固结度速率,而且,井径比越小,高估值越大.(4) 通过引入广为认同的土体孔隙比和有效应力以及孔隙比和渗透系数的对数关系,考虑土体固结过程中压缩模量非线性增长和渗透系数非线性减小的特征,给出一种复合地基非线性固结解析解,并对复合地基的非线性固结性状进行了分析.分析结果表明:考虑非线性时按应力和按变形定义的2种固结度不相等,并且按变形定义的固结度一般大于按应力定义的固结度;当压缩指数小于渗透指数时,不考虑土体的非线性特征会低估地基的固结度;而当压缩指数大于渗透指数时,不考虑土体的非线性则会高估地基的固结度.对于按应力定义的固结度来说,当压缩指数小于渗透指数时,随着附加应力的增大,地基固结速度加快,而当压缩指数大于渗透指数时,附加应力增大,地基固结减慢;对于按变形定义的固结度而言,不论压缩指数大于还是小于渗透指数,复合地基固结速度总是随着附加应力增大而加快.(5) 在竖向变形相等的条件下,给出能考虑桩体和土体在固结过程中发生侧向变形的复合地基固结解析解,并对该解和不考虑桩、土侧向变形的现有解答进行比较.结果表明:考虑桩体的侧向变形会降低地基的固结速率.最后分析桩体和土体的变形模量和泊松比对地基固结的影响以及桩-土应力比随时间的发展规律,结果表明:桩、土的泊松比越小,地基固结越快;桩、土的弹性模量之比越大,变形模量之比越大,则复合地基固结越快;考虑桩、土的侧向变形后,复合地基的桩-土应力比虽然随固结逐渐增大,但与现有理论预测的不同,该应力比不会增长到桩-土模量比的值.     

刚性基础下组合渗流碎石桩–不排水桩复合地基固结分析

基于等竖向应变假设,考虑桩碎石桩的径、竖向井阻和不同桩体周围的涂抹效应,推导出瞬时加载条件下碎石桩–不排水桩复合地基的固结控制方程,在单面排水条件下建立相应的固结解析解,包括复合地基整体平均固结度解答。将解析解计算出的复合地基固结速率与有限元数值解进行比较,验证解析解的合理性。利用建立的固结解析解进行参数分析,获得组合渗流碎石桩–不排水桩复合地基的固结特性。结果表明:在桩体置换率相等的条件下,碎石桩–不排水桩复合地基的固结速率远大于不排水桩复合地基,略小于碎石桩复合地基。碎石桩–不排水桩复合地基的固结速率随碎石桩和不排水桩置换率和压缩模量的增加而增大。碎石桩直径较大时复合地基固结速率随碎石桩径、竖向井阻的增加而减小,碎石桩直径较小时径向井阻的影响可以忽略不计。不排水桩桩侧土的扰动对复合地基固结速率的影响很小,实际工程设计中可以忽略不计。     

逐级加荷下考虑施工扰动的复合地基固结解

在线性加载的情况下,考虑了扰动区土体水平渗透系数抛物线变化以及桩周土体的径、竖向组合渗流,给出了该问题的控制方程以及解答。在超静孔压解的基础上,给出了复合地基的固结度的表达式。最后对复合地基的固结性状进行了分析并与以往解做了比较,结果表明:加荷历时越久,地基固结越慢;桩体施工对周边土体的扰动越大,地基固结越慢;所给出的地基固结度较考虑扰动区土体水平渗透系数直线变化或者保持不变的解给出的固结度要快。     

恒荷载作用下复合地基非线性分析

从桩周土体径竖向渗流方程出发,采用土体e–logσ和e–logk半对数模型,对于排水桩桩体仅考虑竖向渗流并考虑涂抹区影响,建立恒荷载作用下复合地基非线性固结方程。通过与已有解的对比,证明此解析解的正确性。根据对复合地基非线性固结分析发现:复合地基固结速率随土体非线性参数Cc/Ck和荷载增量σ0/σsi的增大而减小,但相比Cc/Ck,荷载增量σ0/σsi对固结速率影响很小;随着桩土模量比增大,复合地基固结速率加快,且非线性参数Cc/Ck对固结速率的影响程度减小;排水桩复合地基固结速率受kh/kc即桩体渗透性影响很大。     

考虑井阻随时空变化的竖井地基大应变非线性固结分析

高压缩性软土具有典型的几何非线性和材料非线性特征，但目前能考虑井阻随时空同时变化的高压缩性土竖井地基大应变非线性固结解答还很鲜见。考虑土体的非线性压缩渗透特征，引入随时间和深度同时变化的变井阻模型，在拉格朗日坐标系下建立以超静孔压为变量的竖井地基大应变非线性固结模型。利用有限差分法获得模型的数值解答，并将其与特殊情况下竖井地基小应变解析解及大应变固结解对比分析以验证其可靠性。不同工况下竖井地基大应变固结性状分析表明：井阻随时空演化的变井阻效应会明显降低竖井地基的固结速率，且井阻的时间效应对固结速率的影响更明显，但变井阻效应并不会影响竖井地基的最终沉降量；初始有效应力均匀分布下的竖井地基固结速率相比其随深度线性增加时较慢，且2种情况下的竖井地基最终沉降值一般不再相等，沉降曲线间的差异也较大；任意深度处井周流入砂井的流量均相等的假定导致竖井地基固结速率偏快，使实际计算会过高估计竖井地基的固结速率；竖向渗流对地基固结的促进作用随竖井长度与竖井影响区半径之比的增大而减小。     

土体水平渗透系数变化的多层砂井地基固结性状分析

在考虑涂抹区土体水平渗透系数3种变化模式即水平渗透系数不变、呈线性变化和呈抛物线变化的情况下,对单面排水和双面排水条件下多层砂井地基的固结问题进行分析,推导出解析解,并对双层砂井地基的固结性状进行分析。结果表明,只有在各层土的压缩模量相同时,成层砂井地基按孔压定义的固结度才等于按变形定义的固结度,否则前者大于后者;当涂抹区水平渗透系数呈抛物线变化时地基固结最快,呈线性变化时次之,不变时最慢;施工扰动范围、程度越大,固结越慢;增大任何一层土的压缩系数,均可加快整个地基中的孔压消散。     

考虑桩体固结和土体渗透性抛物线分布固结解

在传统的复合地基固结理论中,等应变条件和桩土流量连续的假设之间存在着不一致的地方。为此,抛弃了桩土界面上水流量相等的假设,考虑了桩体径向渗流引起的桩体固结和变形,同时考虑了桩体施工扰动而造成的扰动区土体水平渗透系数抛物线分布的特点,给出了此类固结问题的控制方程和解答以及复合地基固结度的表达式,并对复合地基固结度的解进行了讨论,可以看出无论井径比(影响区半径和桩体半径之比)趋于1或无穷大,本文固结解均能退化到Terzaghi天然地基一维固结的解答。最后对本文的解和以往的解做了比较,结果表明:本文解给出的地基固结度比考虑扰动区土体水平渗透系数为直线变化或者保持不变的解给出的固结度更大;随着井径比的减小,本文解和以往的解得到的固结度差值变大。     

砂井地基的大变形固结

基于一维大变形固结理论,考虑饱和黏土的压缩性和渗透性的非线性变化,取消了小应变的限制条件,在流动柱体坐标系下,推导建立了以孔隙比为变量的砂井地基大变形固结控制方程。采用交替隐式差分法编程求解了砂井地基大变形固结方程,通过工程实例分析,验证了控制方程及差分求解程序JEFD02的合理性和适用性。本文将大变形固结理论引入砂井处理超软地基的固结计算,对该类地基的固结预测估算方法进行了一次有意义的探索。     

考虑桩土侧向变形的复合地基固结解

在竖向变形相等的条件下,同时考虑了桩、土在固结过程中发生竖向和侧向变形、土体中的径向和竖向渗流以及土体水平渗透系数的3种变化模式,给出了此类复合地基固结问题的解析解,并对该解和不考虑桩、土侧向变形的现有解答进行了比较,最后对地基的固结性状进行了参数敏感性分析.结果表明:考虑桩体的侧向变形会降低地基的固结速率;桩、土的泊...     

基于Hansbo渗流的理想砂井地基固结分析

室内试验和现场观测表明,许多饱和黏性土中的渗流在小水力梯度时不能用Darcy定律描述,这应该是导致基于Darcy渗流的传统砂井固结理论有时不能很好地解释某些砂井地基固结特性的原因。引入同时考虑低速渗流幂函数曲线段和较高速渗流直线段的Hansbo渗流方程描述非Darcy渗流,在自由竖向应变假定下修正了Barron的理想砂井地基固结方程,并给出了有限差分法数值求解格式。据此探讨了Hansbo渗流参数、地基厚度等对砂井地基固结进程的影响。计算结果表明:和Darcy渗流相比,Hansbo渗流延缓了砂井地基内的孔压消散速度,导致固结速度变慢,并且径向排水对孔压消散的作用会更显著。如将Hansbo渗流方程简化为幂函数形式,则往往会高估砂井地基的固结程度,特别是在固结的初期。最后对比了自由竖向应变假定和等竖向应变假定对计算结果的影响。     

路堤下等应变复合地基的固结分析

 路堤下等应变复合地基固结沉降时,桩间土承担的荷载向桩体转移,桩土总应力不断变化,超静孔压增减量不等于有效应力增减量。考虑桩土总应力的变化、竖向排水体的压缩和孔隙水压力、桩体的排水性能、桩与排水体的距离等对复合地基的固结产生的影响。推导考虑桩体排水性能、桩土荷载转移、排水体压缩性和井阻的路堤下复合地基孔压、固结度、桩土应力比的解析解。固结分析表明,不透水桩可以加速地基固结,透水桩可能减缓固结,复合地基固结的快慢受桩身固结系数影响很大,高固结系数桩复合地基固结度大于小固结系数桩复合地基。     

基于大变形的未打穿砂井固结理论研究

 吹填土往往具有含水率高、初始孔隙比大、压缩性大等特点,加固过程中渗透系数、压缩系数及渗流路径都会发生较大变化,加固过程中砂井以下土体在砂井排水通道和真空压力下也会发生固结。基于大变形固结理论,在流动柱体坐标系下,通过建立渗流连续方程,进而推导了能够同时考虑砂井加固层及下卧土层的未打穿砂井大变形固结控制方程,并采用有限差分方法对建立的方程进行了求解。结合黏土渗透压缩模型,利用研究成果对一吹填地基浅层加固工程进行了分析,计算结果与实测结果吻合较好,证明了计算方法的可行性。     

Radial consolidation of PVD-Installed normally consolidated soil with discharge capacity reduction using large-strain theory

The radial consolidation rate of prefabricated vertical drain (PVD)-installed soft deposits is known to be closely related to the PVD discharge capacity, which usually decreases during consolidation. Conventional solutions for radial consolidation of PVD-installed deposits have been developed to consider discharge capacity reduction using small-strain theory, in which the volume compressibility coefficient and soil permeability were assumed to be constant. This paper formulates a general expression for discharge capacity reduction with time in numerical analysis based on large-strain theory. Soil disturbance effects caused by PVD installation, such as a nonlinear distribution for radial hydraulic conductivity, are captured in the proposed solution. The proposed solution was applied to field data from a test embankment at Saga Airport. The proposed solution provides a good result which is close to the measured data.     

均质未贯穿竖井地基粘弹性固结分析

针对均质深厚软土地基竖井未打穿情况,采用Merchant流变模型,将现有未贯穿竖井地基线弹性固结理论进行了推广,推导了竖井未打穿均质地基的粘弹性固结解析解。该解考虑了涂抹和井阻作用以及竖井打设区和下卧层的相互影响。将解答编制成应用程序,用该程序分析了一竖井未打穿均质地基。分析表明,土体粘滞性对前期固结几乎没有影响,但后期固结度明显降低。土体粘滞性对下卧层的影响程度大于对竖井打设区的影响程度。     

A simple solution for prefabricated vertical drain with surcharge preloading combined with vacuum consolidation

Prefabricated vertical drains (PVDs) with the surcharge preloading and vacuum consolidation has become considerably popular for ground improvement projects. A simple solution that incorporates the fundamental embankment features, such as the average degree of consolidation and excess pore pressure, are essential for the design of soft ground improvements by PVDs with vacuum preloading. However, most of the solutions for vertical drains with vacuum consolidation require numerical simulations, whose implementation tends to be laborious. In contrast, a simple solution for vacuum consolidation under time-dependent loading has not yet been proposed. In this study, a simple solution that can be easily incorporated into a conventional spreadsheet is derived for PVDs with vacuum preloading by applying the Laplace transform technique. The proposed solution accounts for several actual construction conditions, such as initial surcharge load, vacuum pump trial period, variations of radial permeability, and time-dependent loading. The results obtained from this proposed approach were validated with those from the finite element method and field data from the case study of the Cai Mep International Terminal project in southern Vietnam. The derived solutions, including the excess pore pressures and average degrees of consolidation, were in good agreement with the predicted and observed data.     

Design of horizontal drains for the mitigation of liquefaction risk

Drainage is one of the most popular protecting measures to mitigate ground liquefaction. Deploying the drains horizontally may be convenient where conventional vertical ones cannot be used, like beneath existing structures. The spacing among drains must be designed to limit the pore pressure build-up during shaking. The usual assumptions of radial consolidation around vertical drains, stemming from the assumption of an infinite number of drains, may not be appropriate for horizontal ones, since the latter are generally arranged in few rows at a shallow depth, especially if drainage at the ground level is possible as well. Hence, existing solutions for vertical “earthquake” drains have been modified in this work to take into account such different geometrical features. The resulting solution has been validated against numerical and experimental sets of data. Charts covering a wide range of geometrical layouts, soil properties, and seismic actions are finally proposed. They can be used to design the drain spacing that is needed so as not to exceed the target value of excess pore pressure in the ground.     

变荷载下竖向排水井地基粘弹性固结沉降解析解

就实际工程中荷载逐渐施加情况下的竖向排水井地基粘弹性固结问题进行了研究,给出了相应的解析解,根据该解,通过编程计算,探讨了变载下竖井地基粘弹性固结的一般规律.并应用本文提出的理论对工程实例进行了分析.揭示了粘弹性参数和加载历时对固结过程的显著影响和在实际工程当中考虑这些因素的必要性.