考虑非达西渗流和变荷载影响的软土大变形固结分析

软土中的非达西渗流和大变形特性已为人们所认识,但能考虑土中非达西渗流的软土大变形固结理论还鲜有报道。考虑实际中的变荷载,基于土中的非达西渗流现象在拉格朗日坐标系中建立以超静孔隙水压力为变量的软土一维大变形固结模型。利用有限差分法对所建立的模型进行数值求解,并与特定条件下的解析解对比,以验证数值解的可靠性。最后着重分析非达西渗流模型参数对软土大变形固结性状的影响及大、小应变不同几何假定下非达西渗流固结性状的异同。结果表明非达西渗流模型的参数m及i1值越大,地基的固结速率就越慢;如果小应变固结理论中自重应力的计算也考虑沉积作用,此时尽管软土在大变形几何假定下的固结速率要比小变形假定下快,但大、小应变固结理论计算的地基最终沉降值相等;基于此,鉴于大变形固结理论的复杂性,此种情况下应用小变形代替大变形几何假定所引起的计算误差是可接受的。     

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。     

基于Hansbo渗流的理想砂井地基径向弹黏塑性固结分析

传统砂井固结理论没有考虑软黏土显著的流变特性以及渗流的非Darcy特性,常常导致计算结果与实际偏差较大。为进一步探究软黏土地区的砂井固结机理,通过引入考虑时间效应的统一硬化(UH)本构模型以及Hansbo渗流模型分别描述土体变形的非线性和渗流的非Darcy特性,在不考虑井阻和涂抹效应的情况下,对Barron自由应变假定下的砂井固结方程进行改进,并给出方程的隐式有限差分求解格式。与Berry的显式数值解的对比表明该算法是有效性的。据此对土体黏滞性以及Hansbo渗流参数对砂井非线性固结过程的影响进行分析。结果表明:软黏土的黏滞性使固结初期砂井影响区外边界附近的孔压升高,且黏滞性越强,这种现象就越明显;同时Hansbo渗流对孔压升高具有增强作用。但在固结的中后期,土体的黏滞性及渗流的非Darcy特性会延缓砂井地基中孔压的整体消散。     

真空预压–电渗联合作用下软黏土非线性大变形固结模型

基于分段线性差分法,建立轴对称真空预压–电渗耦合非线性大变形固结模型,可用于分析真空预压、电渗任意组合形式下的软黏土大变形固结问题。模型充分考虑固结过程中土性参数的非线性变化并采用FORTRAN编写计算程序,分别采用小变形解析解和大变形固结试验验证模型的准确性,模型在小变形情况下与现有解析解吻合,大变形情况下与室内试验实测值接近。开展真空预压与电渗不同组合形式下的工况分析,结果表明:真空预压–电渗联合作用的固结效果优于单一工法;不同真空预压与电渗组合形式下,土体最终平均沉降量接近,电渗滞后工况对降低能耗效果最好;为进一步降低能耗,工程中应将真空预压–电渗组合工况的固结度控制在80%以内。     

水平排水板–真空预压联合处理高含水率疏浚淤泥模型试验研究

水平排水板(prefabricated horizontal drain,PHD)联合真空预压是处理疏浚淤泥的有效手段,在浅层专用对堆置场的应用中具有很大优势。通过2个室内模型对照试验,研究了竖向排水板(prefabricated vertical drain,PVD)和水平排水板联合真空预压处理高含水率疏浚淤泥的差异性。研究主要分析了真空荷载下PVD和PHD的排水特点、试验中模型土体的沉降和板材变形情况以及试验结束时的土样含水率等结果,试验表明使用水平排水板处理疏浚淤泥可有效避免板材的弯折问题,且试验过程中土体变形非常均匀;随着固结过程水平排水板上下土层厚度不断减少,缩短了排水路径,PHD固结模型试验的整体排水速率高于PVD固结;380 h真空固结以后,水平排水板处理的疏浚淤泥含水率从360%降为150%相较于PVD固结低30%～40%。最后,针对模型试验和现场工程实际之间可能的差异性,对试验结果进行了详细讨论,以期可以为更大尺寸的模型、现场试验提供指导。     

软黏土一维非线性大应变固结解析理论

给出了软黏土一维大应变固结中土体总应力、有效应力、孔隙水压力、孔隙比和沉降等一般相互关系,通过对土体压缩性和渗透性的假定得到了拉格朗日坐标下以超静孔压为变量的一维非线性大应变固结方程及其解析解。利用此解分析了土体一维非线性大应变固结性状,并与传统的小应变固结理论作了比较。此解也可用于对大应变固结问题的各种数值解法的验证。     

压实黄土连续加载K0固结特性

 基于静三轴仪,进行控制不同加载速率的连续加载K0固结试验,研究连续加载条件下K0固结过程中土体的变形特性及加载速率的影响。试验结果表明：加载过程中没有产生超静水压力,加载阶段应力–应变关系可以分为两个阶段,前一个阶段呈幂函数关系,后一阶段呈直线关系;连续加载的加载速率对加载阶段应力–应变特性影响不明显;加载阶段完成时K0值随加载速率的增大而略有减小;稳压阶段应变–时间关系呈双曲线关系,且加载速率对稳压阶段变形特性有较大影响。提出连续加载条件下的K0固结过程应变–应力–时间关系模型,为研究K0固结过程中土体变形特性及路堤沉降提供参考。     

压实黄土连续加载K0固结特性

基于静三轴仪,进行控制不同加载速率的连续加载K0固结试验,研究连续加载条件下K0固结过程中土体的变形特性及加载速率的影响。试验结果表明：加载过程中没有产生超静水压力,加载阶段应力–应变关系可以分为两个阶段,前一个阶段呈幂函数关系,后一阶段呈直线关系;连续加载的加载速率对加载阶段应力–应变特性影响不明显;加载阶段完成时K0值随加载速率的增大而略有减小;稳压阶段应变–时间关系呈双曲线关系,且加载速率对稳压阶段变形特性有较大影响。提出连续加载条件下的K0固结过程应变–应力–时间关系模型,为研究K0固结过程中土体变形特性及路堤沉降提供参考。     

吹填软土一维大变形自重固结的有限差分数值解

吹填软土发生自重固结的物理本质在于超孔隙水压力的消散与有效应力的增长,以往有关土体大变形自重固结问题的求解方法多基于Gibson大变形固结理论,未从物理本质上反映土体的固结过程。文章基于Gibson大变形固结理论的有关假定,推导建立以超孔隙水压力为变量的一维大变形自重固结控制方程,该方程的形式简单,系数的物理意义明确。结合吹填软土自重固结的边界条件及初始条件,采用修正隐式差分格式的有限差分法求解得到方程的有限差分数值解,该数值解能够求解任意e-σ′和e-k函数关系下吹填软土的自重固结过程。通过与Lee和Sills求得的解析解及SWC模型解对比,从超孔隙水压力、孔隙比及沉降3个方面对数值解的正确性进行验证。利用文章所提方法分析初始厚度、初始孔隙比及土粒比重对自重固结性状的影响。分析表明,土体自重固结过程中的沉降固结度始终大于孔压固结度,初始厚度对孔压固结度的影响更大,初始孔隙比及土粒比重对沉降固结度的影响更大。     

两种Lagrangian大变形比奥固结有限元法及其与小变形法的比较

从非线性连续介质力学出发,采用Jaumann应力率和Biot平面固结理论,用同一程序结构和土性参数计算比较了饱和土体大变形Lagrangian法(TL和UL法)与小变形法的沉降和孔压差异。计算结果表明,当应变较小时,三种方法计算的变形和孔压值相同;当应变很大时,大变形法和小变形法计算的沉降和孔压差异很大。因此,大小变形法分析结果的比较应采用总应力法。文中还指出,大变形分析地基最终沉降小于小变形法,而且时间步长对计算沉降值有严重影响     

Consolidation behavior of dredged ultra-soft soil improved with prefabricated vertical drain at the Mae Moh mine,Thailand

The effectiveness of the prefabricated vertical drains (PVDs) in the consolidation of ultra-soft dredged soil with various soil water contents (W) in Mae Moh mine, Lampang, Thailand was researched via a series of large-scale model tests and numerical analysis. Large settlements with the delay of excess pore pressures is a distinct behavior of ultra-soft soil. The PVD dimensions were found to have a significant effect on the rate of consolidation and the delay of excess pore pressure at low total vertical stress (σ_v). The smaller PVD dimension resulted in the smaller rate of consolidation and longer delay of excess pore pressure. The undrained shear strength (S_u) of ultra-soft clay at various degrees of consolidation could be approximated by the vertical effective stress (σ′_v) based on the SHANSEP where the σ′_v was determined from the Asaoka's observational method. The finite element analysis with axisymmetric and plane strain models showed that the axisymmetric model produced an excellent settlement prediction. However, the excess pore pressures were not well predicted by the axisymmetric model, due to the delay of excess pore pressures at the early stages of consolidation. In practice, the plane strain models proposed by Chai et al. and Indraratna and Redana's methods are suggested to predict the consolidation settlement of the Mae Moh dredged soil improved with PVD. The outcome of this research will facilitate the geotechnical design of reclamation of ultra-soft dredged soil in Mae Moh mine and other similar soils.     

粒间应力、土骨架应力和有效应力

有效应力的概念和有效应力原理对于土力学具有奠基性的意义。但对于诸如"有效应力是虚拟的应力还是真实应力","有效应力方程是否需要修正"等问题在土力学界一直存有争议,尚没有形成共识。在明确有效应力就是不包含孔隙流体压强作用的土骨架应力的基础上,由土颗粒间力的平衡分析和土骨架单元体的平衡分析得到有效应力与总应力以及孔隙流体压强关系的表达式。对于饱和土,这一表达式就是Terzaghi的有效应力方程。表明Terzaghi的有效应力是真实的物理量,具有明确的物理意义,Terzaghi的有效应力方程不需要做任何修正。文中阐明了有效应力、粒间应力和土骨架应力的物理意义及其相互关系。说明在分离考虑孔隙流体压强作用的情况下,有效应力、粒间应力和土骨架应力三者可以是一致的,即不包含孔隙水压强作用的粒间应力和土骨架应力就是有效应力。土骨架应力可以分成孔隙流体压强产生的土骨架应力和有效应力两部分,两者都对土体的变形和强度有贡献,但是作用效果不同。在孔隙流体压强作用对土体的变形和强度的贡献可以忽略的条件下,有效应力决定土的变形和强度。     

盾构隧道开挖及补偿注浆对地层扰动影响的室内试验及数值模拟研究

针对盾构法施工过程中产生的土体损失,补偿注浆是一种应用广泛的沉降控制措施。通过模型试验及数值模拟,研究了盾构隧道开挖及补偿注浆对周围土体的扰动影响。将开挖和补偿注浆连续考虑,重点研究了既有土体损失情况下补偿注浆对地表沉降和周围土体应力的影响规律,研究结果表明,盾构隧道开挖过程中,地表沉降可以用Peck公式有效预测,且沉降最大值与土体损失率呈线性关系,隧道周围土体按照应力变化情况分为正拱区、卸荷区、塑性区。补偿注浆过程中,土体按应力变化情况分为抬升挤压区和正拱补偿区。应用小应变本构模型(HSS)进行数值模拟,模拟结果与试验规律对应良好,进一步验证了模型试验揭示的隧道开挖和补偿注浆对土体的扰动机理。     

蠕变黏性土固结沉降计算的新简化方法及验证

针对黏性土的固结与蠕变之间的关系,目前存在两个观点:假设A认为固结期间黏性土不会发生蠕变变形,蠕变变形发生在固结变形之后;假设B则认为黏性土的蠕变是土骨架的固有属性之一,它与固结变形同时发生。室内单元体试验结果和现场监测数据表明假设A常常低估了黏性土的总变形。然而,基于假设B的精确解常需要将土体弹黏塑性本构模型导入有限元软件才能进行固结沉降的分析,因而限制了该观点的应用。提出了一个考虑多级变荷载作用下蠕变与固结近似耦合分析的新简化方法。该简化方法具有形式简洁,参数明确的优点,可适用于黏性土的各种应力–应变状态和加载—卸载—再加载的复杂受力情况。选取瑞典的典型填筑工程,将新简化方法计算的沉降变形与有限元模拟结果、46 a的现场监测数据进行了对比分析,验证了新简化方法的正确性、精确性和广泛的应用范围。     

Consolidation analysis of clayey deposits under vacuum pressure with horizontal drains

A method has been developed for the consolidation analysis of dredged mud or clayey soil deposits containing strip-type, prefabricated horizontal drains (PHDs), based on either the axisymmetric or plane strain unit cell theory. An approximate consolidation theory has also been proposed for a surface soil layer subjected to vacuum pressure applied through the PHDs at a shallow depth from the surface. The proposed method and the consolidation theory have then been applied to the analysis of a field project in Japan involving dredged mud consolidated by vacuum pressure with PHDs. By comparing the field-measured and analyzed results in terms of water content distributions with depth and the thickness variation of the deposit, the usefulness of the proposed method has been demonstrated.     

基于大变形的冲填土自重固结分析及离心模型试验

基于大变形理论和离心模型试验对上海临港新城地区冲填土自重固结沉降进行分析研究。研究结果表明：大变形理论计算和离心模型试验所得冲填土自重固结沉降量及最终固结时间基本一致，但在未完成固结之前，对于相同的固结度，理论计算的固结时间均明显大于试验所得时间；冲填土的自重固结过程包括快速和缓慢固结2个阶段，快速固结阶段大约需要1 a时间；在快速固结开始阶段，沉降很快，0.5 a的固结度可达50%，快速固结阶段的沉降量占最终沉降的80%，而缓慢固结阶段的沉降量只占最终沉降量的20%。通过对试验数据回归分析，得出冲填土的自重固结沉降与时间的关系式，利用该式可对冲填土地区沉降变形进行预测。     

天津滨海吹填泥浆的自重沉降固结特性研究

以天津滨海新区吹填泥浆为研究对象,对初始含水率w_0=200%~2000%的泥浆开展长达100 d的自然沉降模型试验,研究吹填泥浆的自重沉降固结规律与形成土的微观结构特性,据此提出吹填工程设计的控制指标,为吹填工程的设计与施工提供可靠的技术支撑。结果表明,天津吹填泥浆的沉降类型主要是沉积沉降和固结沉降,沉积沉降过程分为絮凝阶段、阻碍沉降阶段、自重固结阶段。含水率临界值(或土的形成含水率)w_0*=400%,且w_0*与液限w_L具有较好的线性关系。初始含水率w_0≤w_0*,发生固结沉降,沉降量可以用一维固结理论计算;w_0w_0*,发生沉积沉降,沉降量可以用沉积规律计算。土的形成孔隙比e_0*=10.92;沉降稳定时间Tc可用Tc=159(w_0/w_L)~(-1)计算;稳定孔隙比e_c可由分段公式计算,e_c=0.08+5.4(e_0≥13.65),e_c=0.4+1.03(e_013.65);絮凝屈服应力P_s=0.3 k Pa,界限孔隙比e_s=6.4。研究还表明,泥浆沉降过程其实是絮凝屈服应力与有效应力相互影响的过程,进而产生不同的沉降特征;吹填形成土在平行于沉降方向为絮凝结构,而垂直沉降方向呈堆叠结构。     

维多利亚褐煤的固结和渗透特性试验研究

维多利亚褐煤一般被认为是一种中级岩土材料(IGMs),其岩土工程性质介于常规土体和岩石之间。褐煤富含有机质,其自然结构和物理组分比较复杂。褐煤具有不同于常规软黏土的基本岩土参数,包括自然密度和相对密度低、天然含水率高、孔隙比大,渗透系数相对较低等。采用原状褐煤试样开展了标准室内固结试验,褐煤材料的固结变形曲线主要表现为:初始阶段变形明显且很快完成,初始阶段变形占比很大,在数分钟内应变可达50%,在较明显的拐点之后,后续变形相对较缓慢。标准Terzaghi固结并不能很好地适用于褐煤材料。设计开展了褐煤材料的常水头渗透试验,基于不同超静孔压消散路径采用2种方法测量了褐煤的渗透系数,试验测得的褐煤材料渗透系数值相对较小。