软土地层盾构掘进土体稳定性模型试验研究

针对软土地层盾构掘进周围土体稳定性问题,自主研制了TJ-TBM2015多功能微型隧道掘进试验平台,通过改变外壳直径以模拟地层损失,采用动力控制系统,微型隧道掘进机可以实现盾构隧道的连续动态机械开挖。基于试验平台进行了地表无超载、地表有局部超载和隧道临近穿越群桩基础3种工况的盾构隧道掘进试验,通过传感器监测不同工况掘进过程中地表沉降变形和隧道周围土体的应力变化,研究土体的稳定性特征,并进行横向对比分析。结果表明,隧道开挖引起的土体应力重分布主要发生在隧道中心1倍直径范围内;局部超载对土体稳定性影响有限,但超载会造成其所在位置附近地表沉降增大;群桩基础对地层起到了一定的加固和隔离作用。     

软土归一化本构关系的离心试验验证

提出一个用于描述软土应力应变特性的本构模型,将该模型引入到CRISP有限元程序中。采用离心模型试验对本构关系进行验证。结果表明,试验与数值预测有很好的一致性。     

隔振沟围护桩的稳定性分析及设计

采用人工挖孔灌注桩支护形成隔振沟,同时发挥了其刚性隔振作用.在沟中填充柔性物质如珍珠岩等进行柔性吸能减振.分析了隔振沟围护桩周围土压力的分布及其稳定性,并给出了围护桩的设计参数,结果表明围护桩和隔振沟体系具有良好的隔振和减振效果.     

边坡稳定的三维极限平衡分析法

提出一种边坡稳定分析的三维极限平衡法,用其对小湾式岸坝前堆积体边坡进行稳定性分析,所得结论与离心模型试验及三维非线性有限元件计算结果基本吻合。由于该法需要较少的试验参数,适用于大面积复杂地形地质条件上的边坡稳定分析,全部计算过程可以编程进行,故有很好的应用价值。     

Centrifuge model test on earthquake-induced differential settlement of foundation on cohesive ground

Dynamic centrifuge model test was conducted to study the earthquake-induced differential settlement of foundation on cohesive ground, and the influence of asymmetry of building was investigated. During the experiment, the overconsolidated kaolin clay ground with a three-dimensional asymmetrical structure model was shaken by a basically balanced input motion, and bender elements were used to measure shear wave velocities of model ground to reveal the soil fabric evolution during and after shaking. The test results show that, the total seismic settlement of foundation is composed of instantaneous and long-term post-earthquake settlements, and most of the differential settlement occurs immediately after the earthquake while the post-earthquake settlement is relatively uniform despite its large amplitude. The asymmetry of building affects the settlement behavior considerably. Compared with 1-or 2-dimensional structures, more evident differential settlement occurs under three-dimensional asymmetrical building during shaking, which accounts for one-half of the total seismic settlements and results in complex spatial tilting effects of foundation. Supported by the National Basic Research Program of China (“973” Project) (Grant No. 2007CB714203), the China Postdoctoral Science Foundation (Grant Nos. 20080430219, 20081476) and the Foundation for Seismological Researches, China Earthquake Administration (Grant No. 200808022)     

石灰、石膏及混合絮凝剂对钻孔废弃泥浆压滤脱水性能的影响

以钻孔粘土废弃泥浆为研究对象,选用石灰和石膏作为絮凝剂,采用先单一、后混合添加的方法,按照先絮凝、后压滤的试验步骤,研究不同加药量时,石灰、石膏两种絮凝剂单独使用以及不同配合比时,絮凝剂对钻孔粘土废弃泥浆絮凝脱水的规律.试验结果表明,添加石灰和石膏絮凝剂后,泥浆压滤脱水规律呈非线性增长.添加单一絮凝剂时,泥浆压滤脱水速率随加絮凝剂加药量的增加而增大,存在最优加药量;添加混合絮凝剂时,石灰絮凝剂加药量的变化对泥浆压滤脱水具有较大的影响;当石灰絮凝剂加药量未达到最优时,石膏絮凝剂加药量的变化对泥浆压滤脱水影响较小,当石灰絮凝剂加药量达到最优后,石膏絮凝剂加药量变化对泥浆压滤脱水影响较大.并建立两者添加方式最优加药量时泥浆脱水数学模型.研究结果为工程中泥浆固液分离提供重要指导.     

泥水盾构开挖面前泥浆渗透距离预测算法

为了计算泥水盾构开挖面前泥浆渗透地层的距离,基于泥浆渗透不伴生泥膜的假设,提出改进模型来分析不同泥浆的渗透距离. 结果表明：在泥浆渗透时间小于20 s的情况下,与Xu模型相比,改进模型的最大精度提高6%,且无须泥浆渗透试验. 在不考虑泥膜的情况下,纯膨润土泥浆的最大渗透距离为5.8~6.3 m;添加高分子材料的膨润土泥浆最大渗透距离为0.3~1.6 m,是纯膨润土泥浆的5%~25%;羧甲基纤维素钠对泥浆的改性效果最好. 微透水泥膜的形成时间为3.2~5.0 s. 考虑泥浆渗透伴生泥膜的情况,得到改进模型的修正系数为0.72~0.92. 预测常用的泥浆渗透距离,当盾构刀盘切削周期为10 s时,泥浆渗透距离为2.3~6.3 cm,最大的渗透距离是一般盾构直径（6 m）的1.05%.     

软土夹层地基上土堤的稳定性分析

以胜利油田软土夹层地基上的海堤为背景.用旋转式滑动法及平移式滑动法分别计算海堤的稳定安全系数,并对计算结果进行回归分析,得出了旋转式单圆弧滑动法和平移式双圆弧滑动法的土堤稳定安全系数经验公式,及其判别式.     

抛填饱和粉质黏土夹淤泥质土围堰稳定性分析

江西信江双港航运枢纽采用导流明渠开挖的饱和粉质黏土夹淤泥质土进行围堰填筑,施工过程中,水下围堰由明渠浚挖土直接采用挖泥船进行水上抛填,饱和粉质黏土受浚挖和抛填双重扰动,强度低且堰体内分布极不均匀,不仅围堰难于成型,且运行期内易发生堰坡失稳。为了评估这类围堰堰坡的稳定性、探究水位涨落条件下抛填饱和粉质黏土围堰边坡的变形破坏模式,采用有限元软件PLAXIS对信江双港航运枢纽上下游围堰开展不同水位及不同水位升降速率条件下的稳定性计算分析;针对抛填形成的围堰土体强度变化范围大、受环境影响明显的特性,开展堰坡稳定性的敏感性分析,同时,基于安全系数接近于1.0时的坡体最大侧向变形随时间的变化曲线,提出堰体稳定自动监控的预警和报警值。结果表明：采用坡度为1：4~1：5的平缓围堰边坡,通过设置反压平台,围堰在正常水位涨落条件下处于稳定状态;抛填土的强度降低会诱发滑动体从背水面坡脚贯通到堰顶;由于抛填饱和粉质黏土围堰的强度低和不均质性,为确保围堰稳定,须进行侧向变形、渗压及降雨量监测实时监控预警;抛填饱和粉质黏土围堰侧向变形报警值和预警值宜取1.5~2.0、1.1~1.5 mm/d。     

非饱和土诱导减载涵洞的竖向土压力研究

为准确计算诱导减载涵洞的主要荷载,采用圆弧小主应力轨迹描述诱导减载涵洞上方回填土拱效应,以推导考虑土拱效应的滑移面土压力系数表达式,继而基于非饱和土的双应力状态变量强度理论确定滑移面摩擦切应力,建立诱导减载涵洞顶部的竖向土压力解析解,结合等沉面高度求解给出应用步骤,最后对比文献现场实测进行正确性和适用性验证,并定义减载率分析基质吸力及分布形式、吸力角、减载材料厚度和变形模量等因素的影响特性。结果表明：所得涵顶竖向土压力解析解可合理反映基质吸力及分布形式、土拱效应、减载材料性能和等沉面高度的综合影响,完善了诱导减载涵洞设计理论;非饱和土强度提升使摩擦作用增强与等沉面下降同时发生,基质吸力和吸力角对减载率具有双重影响,表现为减载率均先增大后减小,且均布吸力下双重影响更为明显;减载率随减载材料厚度增加而非线性增大并趋于稳定,但随减载材料变形模量增加非线性减小。     

下覆倾斜地层软土桩-网复合地基破坏机理试验

为研究嵌岩桩和摩擦桩同时存在下桩-网复合地基的破坏机理,以浙江沿海某高速铁路工段为背景,基于典型断面开展相似比尺为1∶100的土工离心机模型试验,分析下覆倾斜地层软土桩-网复合地基的变形特征及破坏模式.结果表明:路堤顶面的竖向、水平位移主要发生在施工阶段及工后静置阶段,且进入运营阶段后亦有明显发展,路堤顶面竖向沉降差随运营时间的推移逐渐增长;复合地基的沉降呈非对称分布,形成一个偏向下覆倾斜地层斜坡向下一侧的不对称沉降盆;在上部荷载作用下,复合地基的沉降主要由下卧层的压缩、桩体的向上向下刺入及桩体倾倒或横移3部分组成;桩顶水平位移沿下覆地层斜坡向下方向逐渐增大并伴随不同程度的淤泥质黏土绕流破坏,桩顶竖向位移呈现偏向下覆地层斜坡向下一侧的不对称“V”字型分布;嵌岩桩的潜在破坏模式为弯拉或弯剪破坏,斜坡桩的潜在破坏模式为弯剪或倾倒破坏,摩擦桩的潜在破坏模式为倾倒及横移破坏.通过试验可知,采用等长桩的桩网复合结构对下覆倾斜地层软土地基进行处理是不合理的,将威胁高铁的安全运营.此外,对此类既有铁路地基的维护及有效加固措施亟待进一步研究.     

软土超深基坑失稳破坏的离心模型试验研究

通过土工离心机对三组挖深24 m软土超深基坑的开挖施工过程及失稳破坏进行模拟,研究了软土超深基坑稳定影响因素、破坏特征与征兆等.结果显示,墙趾进入硬土层后的嵌固作用对"踢脚"变形控制非常有利,也显著提高了基坑稳定性.嵌固作用在墙趾插入到硬土层中一定深度以后不再随插入深度增加而增强.挡墙位于上海典型软黏土中且不进入硬土层时,其临界插入深度比为0.78.软土深基坑失稳破坏征兆:(1)挡墙"踢脚"明显,量值约为墙体最大水平位移1/3;(2)坑外地表沉降达到1.38%H(开挖深度),地面出现大量横裂缝;(3)坑底靠近挡墙的土体隆起大于基坑中部,最大量值达到3.1%～3.8%H;(4)坑内土体处于被动土压力极限状态.可用于综合评判基坑的稳定性,指导类似超深基坑的设计、施工和安全监控.     

软土的等效时间线剪切流变模型

为反映软土剪切流变的非线性特性,建立剪切流变模型,修正了Singh-Mitchell提出的指数型剪切蠕变经验公式,使之适用于低修正应力水平工况.根据黏塑性剪应变-耗散剪应力-等效时间之间的关系方程推导出黏塑性剪应变速率与剪应力和黏塑性剪应变之间的函数表达式.把该表达式和剪切弹性模型相结合,建立了剪切弹黏塑性模型.以此模型为基础,不但获得了有效围压恒定时单级和多级荷载作用下的剪切流变解析解,而且还获得了有效围压和剪应力均随时间变化时的剪切流变积分解答.结果表明,流变模型能够较好地定量模拟三轴固结排水试验中多级加载作用下的剪切蠕变发展过程,合理地反映剪应变随修正应力水平(或剪应力)、有效围压和持续时间等影响因素变化的流变规律.     

武汉地区软土固结蠕变耦合性状模型研究

运用数理统计方法对武汉地区软黏土固结蠕变试验资料进行处理,得出了各试验曲线的经验公式;通过对经验公式的分析,建立了非线性弹性黏性固结蠕变模型,其中,以Duncan-Chang模型描述土体的瞬时弹性,以Burgers模型的一部分描述土体的黏弹性;对Burgers模型中的参数进行了改进,根据固结蠕变模型特征及试验资料,用数理统计方法求出改进的Burgers模型中参数的经验值。     

砂层盾构隧道泥水劈裂试验与数值研究

开展砂层盾构隧道泥水劈裂平面模型试验,研究不同覆土厚度条件下的泥水劈裂破坏机制、土体表面竖向位移和土体内部土压力变化规律. 结果显示,劈裂机制为加压泥浆向掘削空间表面砂层渗透形成致密砂层及其表面泥膜（泥膜-砂层结构）,泥膜-砂层结构在泥浆挤压作用下发生拉剪破坏. 劈裂压力随覆土厚度的增加呈近似线性增大. 劈裂扩展从刀盘顶部起始分别呈“斜直线”或“先竖直后斜线”型向上扩展. 基于自主开发的模拟泥水劈裂的有限元计算程序,参照模型试验建立二维数值模型,计算获得与模型试验较一致的劈裂扩展形态以及土体内部竖向位移与水平位移的变化规律. 结果表明,土体竖直向位移主要分布在刀盘上方以劈裂面为边界的“三角形”区域内,土体水平位移主要分布在掘削面土层.     

基于Verhulst模型的软土路基沉降预测

目的为提高软土路基的工后沉降量预测精度,给设计和造价控制提供反馈信息.方法在深入分析沉降发生发展规律的基础上,引入Verhulst模型,采用改进的曲线拟合的经验计算方法,挖掘施工期的实测数据所蕴含的信息.结果计算表明:该方法拟合误差小,后期沉降预测准.结论在模型参数的反演上运用改进的非线性拟合算法,可避免常用的灰色建模方式下的理论缺陷和其他处理方法的弊端;实例分析表明,本方法的适应性较好,预测精度也有所提高.     

粘土中铝对高铁酸盐的稳定作用探讨

分析了几种粘土对高铁酸盐溶液稳定性的影响，发现粘土在碱性溶液中对高铁酸盐有稳定作用，实验结果表明粘土中的铝对稳定高铁酸盐无明显的贡献。     

循环荷载下软黏土阻尼比特性及其简化计算方法

土体的阻尼比是土层动力分析和评价必不可少的重要动力性能参数,但滞回曲线具有多样性和复杂性,利用规范法计算阻尼比时数据量过多导致数据的筛选和整理困难,适当地对滞回曲线进行简化有助于快速处理和分析试验数据。为研究南京地区长江漫滩淤泥质粉质黏土在地铁列车循环荷载作用下阻尼比的变化和特性,对土体进行动三轴试验,分析土体的阻尼比在不同固结围压和动荷载幅值下的变化过程,并根据土体动应力-应变滞回曲线的几何特征和循环荷载的物理意义,采用多个循环次数作为一个代表性循环单元的思路对阻尼比进行简化计算。结果表明：土体的阻尼比随着动应变的增加呈快速增长—缓慢增长—保持平稳的3阶段发展趋势;随着固结围压的增加,土体的阻尼比逐渐减小;随着动荷载幅值的增大,土体的阻尼比增加。简化方法中,代表性循环单元内循环次数越多,计算得到的阻尼比规范法所得数值越小,在精度合适的情况下,可以作为阻尼比计算的实用方法,以减少计算时的数据处理及计算量。     

Determination of consolidation behaviour of clay slurries

The main objective of this study was to determine the consolidation behaviour of clay slurries.A finegrained clay with high consistency limits(W_L = 180%,w_P= 120%) was investigated using conventional oedometer and bench-top centrifuge tests.Results indicated that the slurry had an apparent preconsolidation(due to initial conditions,electrochemical interactions,tortuous drainage,and thixotropic strength) from e = 5.7 to e = 5.5 followed by virgin compression.Likewise,the low hydraulic conductivity(10~(-10)-10~(-12) m/s) was due to low porosity(small pore throats) and high tortuosity(long flow paths).Unlike consolidation of soils,the c_v and m_v decreased with increasing σ' but increased with increasing e and k.The data from the two tests correlated well in the range of σ' = 10-65 kPa,e = 5.5-3.86,k= 1.7 × 10~(-10)-5×10~(-11) m/s,F_c = 1-40 MN.New equations were developed to correlate the consolidation parameters(e,σ',k) with F_c.The deviation of k beyond 40 MN(e = 4.65) was due to deviation from the initial straight line portion of the settlement curve in the centrifuge test.     

纳米蒙脱土对软黏土性能影响的试验

由于土地需求量的日益增大,沿海、沿江地区对淤泥质软黏土的改造也更加迫切。现有的技术对淤泥质土的加固效果不太理想,纳米材料作为一种新材料在其他领域已经有了广泛的运用,但在岩土工程方面应用较少。通过加入纳米蒙脱土对淤泥质软黏土的抗剪强度、承载力及电渗排水的影响做了一些探索,得出以下结论：纳米蒙脱土可有效提高淤泥质软黏土的内摩擦角,对土体黏聚力影响不大,因此可有效提高土体的抗剪强度,改善土体工程性能;淤泥质软黏土加入纳米蒙脱土导致土体排水孔道减少,对电渗排水不利;纳米蒙脱土可明显提升电渗后土体的抗剪强度。