变附加应力条件下考虑桩体二维井阻作用的复合地基固结解析理论研究

 通过在现有解的形式基础上增加一个二次多项式,提出一种新的复合地基固结解的形式及解答方法,推导得到地基附加应力既随时间变化也随深度变化条件下考虑桩体竖向及径向二维井阻作用的散体材料桩复合地基固结解析解,通过退化、与已有解的比较等方法对解进行分析验证。结果表明,现有的瞬时荷载下考虑桩体径竖向渗流的解、考虑桩体竖向渗流与变形协调的解、太沙基一维固结解等都是本文解的特例,这说明本文解的正确合理性。地基加载历时越长,固结越慢;地基底部附加应力越小,固结越快;考虑桩体径竖向二维井阻时地基固结比只考虑竖向井阻时慢,桩径比越小,桩体渗透系数越小,两者的差异越大。本文解的表达形式及解答方法,为复合地基固结度的求解提供一种新的思路,发展和完善了现有的复合地基固结理论。     

用碎石桩处理软土固结分析

推导了等应变条件下考虑桩阻作用时的碎石桩复合地基固结方程,同时对复合地基的固结特性做了讨论,结果表明:当长细比较大、桩体渗透系数较小时,桩阻对固结速率影响较大;随着长细比的增大,桩体渗透系数对复合地基固结速率的影响逐渐增大;当桩阻较大时,虽然复合地基具有应力集中效应,但固结速率仍小于不考虑井阻作用时的砂井地基固结速率。     

多元不排水长短桩复合地基固结解析解

多元复合地基是一种新型的复合地基技术。推导出瞬时加荷条件下多元不排水长短桩复合地基桩间土的固结方程,基于双层地基一维固结理论建立了相应的固结解析解。通过与有限元解的比较验证了解析解的正确性。利用建立的固结解析解进行参数分析,研究了多元不排水桩长短桩复合地基的固结特性。计算结果表明,多元不排水长短桩复合地基的固结速率随长桩压缩模量和置换率的增加而增大。短桩压缩模量和置换的变化对复合地基固结速率的影响很小。短桩较短时,短桩长度的变化对复合地基固结速率几乎没有影响,短桩较长时,复合地基固结速率随短桩长度的增加而增大。此外,多元不排水长短桩复合地基的固结速率随短桩以下土体压缩模量的增加而增大。     

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。     

不排水桩复合地基固结解析解

以轴对称固结模型为基础,得到了不排水桩复合地基固结问题的控制方程,从理论上证明了不排水桩复合地基土体内只会产生竖向渗流,而且桩体施工扰动造成的扰动区土体径向渗透系数变化对地基固结不产生影响。然后分别给出了外部荷载瞬时施加和单级施加两种情况下的地基固结解析解,最后对不排水桩复合地基的固结性状进行了分析。结果表明：不排水桩复合地基的固结速率大于天然地基而又小于散体材料桩复合地基的固结速率;随着井径比（影响区与桩体半径之比）的减小或桩–土压缩模量比的增大,地基固结速度加快;井径比对地基固结的影响存在一个最佳值,大于该值,地基固结速率没有明显变化;加载历时对地基的固结影响较大,加载历时越久,地基固结越慢。     

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。     

考虑桩体径竖向渗流的碎石桩复合地基固结解析解

提出一种新的复合地基固结度求解方法及表达形式,推导得到了考虑桩体及土体的径竖向渗流,上部荷载分级逐渐施加,扰动区渗透系数呈线性变化等因素的一个较全面的散体材料桩复合地基固结解析解。通过退化、与已有解的比较等方法对解进行了分析验证。结果表明,现有的单级荷载及瞬时荷载下考虑桩体径竖向渗流的解、考虑桩体竖向渗流与变形协调的解、太沙基一维固结解等都是解的特例,这说明了解的正确合理性,发展和完善了现有复合地基固结理论。不考虑桩体径向渗流会高估地基固结速度;地基加载过程越缓,地基固结越慢。提出的求解方法,为复合地基固结度的求解提供了一种新的思路。     

钉形水泥搅拌桩复合地基一维固结解析解

钉形搅拌桩是具有扩大头的新型水泥土桩。基于等竖向应变假设,推导出瞬时荷载下端承钉形搅拌桩复合地基桩间土的固结方程,基于双层地基一维固结理论建立了相应的固结解析解。然后,将复合地基固结度解析解与有限元数值解进行比较,评价解析解的计算精度。最后,通过对各主要影响因素的分析,研究钉形水泥搅拌桩复合地基的固结特性。结果表明:钉形水泥搅拌桩复合地基的固结速率随桩的压缩模量、扩大头下部水泥桩的置换率和它周围土体压缩模量的增加而增大。增加扩大头的直径,复合地基的固结速率随之小幅减小。扩大头的长度不到桩长的一半时扩大头长度的变化对钉形水泥搅拌桩复合地基固结速率的影响较小,扩大头的长度超过桩长一半以后钉形水泥搅拌桩复合地基的固结速率随扩大头长度的增加而快速增大。     

路堤荷载下不排水端承桩复合地基固结分析

将复合地基视为均质复合材料,考虑桩土相互作用,建立了不排水端承桩复合地基固结方程,并给出复合地基固结度的解析解。通过与有限元法解答的对比,证明了此解析解的正确性和有效性。根据此解答对不排水端承桩复合地基固结性状进行了分析。研究发现,端承桩复合地基固结速率远大于天然地基,复合地基固结速率随置换率、桩土模量比的增加而增大,随加固深度的增加而减小。     

散体–柔性桩组合和散体–刚性桩组合复合地基的固结解

 在考虑散体桩涂抹作用非散体桩对下卧层排水通道的减弱作用的基础上,依据应力条件下的平衡方程和连续条件下的固结方程,由假定的无穷级数解,推导出特征方程,进而得到散体桩–柔性桩组合和散体桩–刚性桩组合时的多元复合地基固结解析解,经与实例数值计算结果进行对比表明,该解析解基本与数值解吻合。解析解计算结果表明,土层的固结快慢与各自的渗透系数和压缩模量有关。土层渗透系数越大,刚度越大,则孔压越小,固结越快;桩径比越小,桩体刚度越大,则固结越快。说明该分析方法是可行的,且具有一定的工程应用参考价值。     

刚性基础下T形劲性搅拌桩复合地基固结解析解

采用等竖向应变假设,推导出瞬时荷载下芯桩打穿软土的T形劲性搅拌桩复合地基桩间土的固结控制方程。基于双层地基固结理论建立了相应的固结解析解,包括超静孔隙水压力和复合地基平均固结度解。通过与有限元固结度计算结果的比较,验证了解析解的正确性。利用建立的固结度解析解进行参数分析,研究T形劲性搅拌桩复合地基的固结特性。结果表明:T形劲性搅拌桩复合地基的固结速率随截面含芯率和芯桩压缩模量的增加而显著增大,随水泥搅拌桩壳长度的增大而小幅增大,水泥搅拌桩壳置换率和压缩模量的变化对复合地基固结速率的影响很小。     

砂井-钉形搅拌桩组合型复合地基固结分析

建立了砂井为中心、砂井影响区边界上零星分布的钉形搅拌(TDM)桩简化为等面积桩环的轴对称固结模型。基于此轴对称固结模型,推导出瞬时荷载下砂井-TDM桩组合型复合地基的固结控制方程并给出相应的定解条件。用分离变量法求解固结方程,获得砂井、砂井周围土体和加固区的平均超静孔隙水压力,进而得到复合地基整体平均固结度。通过与三维有限元固结度计算结果的比较验证了解析解的正确性。利用固结解析解进行参数分析,研究了砂井-TDM桩复合地基的固结特性。结果表明：砂井-TDM桩复合地基的固结速率远大于TDM桩复合地基,它随整个TDM桩的压缩模量、扩大头高度、扩大头以下小直径搅拌桩的压缩模量和直径的增加而增大,扩大头直径的变化对复合地基固结速率的影响较小。     

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...     

非瞬时加载下土工袋装砂石桩复合地基固结解析解

 针对土工袋装砂石桩复合地基,推导非瞬时加载情况下土工袋装砂石桩复合地基固结度的解析解。该解析解不仅同时考虑了桩体和土体的径向和竖向变形,而且考虑了桩体和土体的径向和竖向渗流。在通解的基础上,给出了附加应力线性施加并沿深度梯形分布情况下的固结度计算公式,并通过将土工袋装砂石桩复合地基退化为普通砂石桩复合地基与已有固结理论的计算结果做比较。结果表明,由于采用了桩土体积应变的完整解答,本文计算的固结速度要比已有固结理论的计算结果小。     

悬浮长芯劲性搅拌桩复合地基固结解析解

推导出瞬时加荷情况下悬浮长芯劲性搅拌桩复合地基的固结方程和相应的定解条件,利用三层地基一维固结理论,建立了相应的固结解析解,包括桩间土和下卧层土中超静孔隙水压力解答和复合地基整体平均固结度解答。通过固结速率解析解与有限元数值解的比较,证明了解析解的合理性。利用解析解进行复合地基固结速率影响因素分析,研究了悬浮长芯劲性搅拌桩复合地基的固结性状。结果表明:悬浮长芯劲性搅拌桩复合地基的固结速率主要受桩的贯入比和下卧层刚度的影响。复合地基的固结速率随桩的贯入比和下卧层土压缩模量的增加而增大。搅拌桩壳长度、厚度和刚度以及芯桩截面含心率的变化对复合地基固结速率没有影响。增加芯桩的压缩模量只会使固结前期复合地基的固结速率略微减小,不会影响固结后期复合地基的固结速率。     

悬浮长芯劲性搅拌桩复合地基固结解析解

推导出瞬时加荷情况下悬浮长芯劲性搅拌桩复合地基的固结方程和相应的定解条件,利用三层地基一维固结理论,建立了相应的固结解析解,包括桩间土和下卧层土中超静孔隙水压力解答和复合地基整体平均固结度解答。通过固结速率解析解与有限元数值解的比较,证明了解析解的合理性。利用解析解进行复合地基固结速率影响因素分析,研究了悬浮长芯劲性搅拌桩复合地基的固结性状。结果表明:悬浮长芯劲性搅拌桩复合地基的固结速率主要受桩的贯入比和下卧层刚度的影响。复合地基的固结速率随桩的贯入比和下卧层土压缩模量的增加而增大。搅拌桩壳长度、厚度和刚度以及芯桩截面含心率的变化对复合地基固结速率没有影响。增加芯桩的压缩模量只会使固结前期复合地基的固结速率略微减小,不会影响固结后期复合地基的固结速率。     

混凝土芯砂石桩复合地基固结解析解及性状分析

通过计算,得到了混凝土芯砂石桩复合地基固结计算的解析解,并根据解析解对复合地基的固结性状进行了分析,结果表明:砂石桩桩体长细比越大,地基固结速率越小;随芯桩直径增大固结速率先增大后减小。     

路堤荷载下不排水桩复合地基固结特性的数值分析

采用有限元法对路堤荷载下不排水桩复合地基的固结进行数值模拟分析。通过对端承桩复合地基、悬桩复合地基及天然地基固结速率的比较,对不排水桩复合地基固结性状进行系统研究。研究表明,端承桩复合地基固结速率远大于天然地基,置换率和桩土模量比是影响其固结速率的主要因素;悬桩复合地基的固结性状与端承桩复合地基显著不同,相对加固深度是影响其固结速率的主要因素。     

不排水桩复合地基非线性固结解析解

考虑桩土模量比随固结而不断变化,在等应变条件下,通过理论推导,得到了适用于不排水桩复合地基的非线性固结解析解,并进行了地基固结性状分析。结果表明:土体压缩指数与渗透指数比值越小,地基固结越快,当比值等于1时,地基非线性固结解与线性固结解不相等,而是非线性固结度始终小于线性固结解;另一方面,考虑桩土模量比随固结变化情况下地基固结比假设桩土模量比不变情况下固结要慢,并且压缩指数与渗透指数比值越大,桩土初始模量比越大,两者差距越大。因此,对不排水桩复合地基,假设桩土模量比不变高估了地基的固结度,对工程安全不利。     

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.