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內容簡介

　　《軟土地區取土擾動理論及試驗研究》針對軟土地區取土過程中的擾動理論、數值模擬及室內取土試驗進行瞭係統研究，主要內容包括取土貫入引起擾動的理論分析，通過取土貫入過程的數值模擬對取土器參數影響進行分析，並對國內常用的薄壁取土器進行改進；通過粒子圖像測試法(PIV)技術，研究瞭半模取土器在貫入過程中引起的土體二維變形及錶麵三維變形特性；基於透明土的取土器貫入試驗對土體擾動變形影響因素進行分析，以及土樣質量評價及減少擾動措施等。許多研究成果來自室內試驗的總結和分析，部分研究成果(如改進的薄壁取土器)已經在南京和天津等地區的軟土取樣中得到應用，試驗結果錶明可以提高原狀取土質量。

目錄

前言
第1章緒論1
1.1原狀取土研究現狀2
1.1.1産生擾動的因素2
1.1.2取土器的使用現狀3
1.1.3取土器貫入擾動理論研究3
1.1.4有限元法6
1.2軟黏土取土對周圍土體的擾動影響7
1.2.1取土技術發展概況7
1.2.2取土器的基本技術參數9
1.2.3取土方法11
1.2.4土樣擾動程度的評價方法12
1.2.5減小土樣擾動影響的室內試驗方法13
參考文獻14
第2章取土貫入引起擾動的理論分析17
2.1半無限土體球孔擴張引起的位移解18
2.1.1基本假定18
2.1.2求解思路18
2.1.3模型建立及求解過程18
2.1.4位移場錶達式19
2.2取土器貫入土體引起的應變解20
2.2.1基本假定20
2.2.2求解思路20
2.2.3模型建立及求解過程20
2.3取土器貫入土體擾動分析25
2.3.1擾動分析的理論方法比較25
2.3.2中心綫上土體單元應變變化分析25
2.3.3中心綫上土體單元竪直應變影響因素分析27
參考文獻28
第3章取土貫入的數值模擬及參數分析29
3.1有限元分析取土貫入過程的主要問題29
3.1.1變形問題和非綫性問題29
3.1.2接觸問題30
3.1.3本構關係問題32
3.1.4荷載施加問題33
3.2取土貫入過程的數值模擬分析34
3.2.1基本假設與計算簡圖34
3.2.2模擬結果分析34
3.3取土器參數影響分析39
3.3.1徑厚比D／t和麵積比C與軸綫上最大壓縮應變的關係39
3.3.2刃角與軸綫上最大壓縮應變的關係41
3.3.3摩擦係數與軸綫上最大壓縮應變的關係41
參考文獻42
第4章取土器改進設計及試驗注意事項43
4.1取土器的改進45
4.1.1取土器參數影響45
4.1.2取土器改進方案46
4.1.3改進設計評價49
4.2取土及試驗注意事項52
4.2.1取樣時的注意事項52
4.2.2製樣時的注意事項54
4.2.3試驗時的注意事項56
參考文獻57
笫5章取土器貫入引起的土體變形試驗研究58
5.1粒子圖像技術研究現狀58
5.1.1粒子圖像測速技術58
5.1.2基本原理58
5.1.3粒子圖像技術在岩土工程中的應用59
5.2試驗裝置及試驗方案60
5.2.1試驗裝置60
5.2.2半模取土器貫入試驗方案62
5.3乾砂狀態下土體擾動變形分析63
5.3.1標準砂基本特性63
5.3.2螺距標定試驗64
5.3.3像素標定試驗66
5.3.4土體變形矢量分析68
5.3.5土體剪應變分析73
5.3.6取土器軸綫處土體變形分析80
5.3.7土體擾動變形影響因素分析85
5.3.8橫截麵上土體變形規律分析89
5.3.9內襯材料對軸綫處土體變形的影響90
5.4飽和砂狀態下土體擾動變形分析92
5.4.1像素標定試驗分析93
5.4.2土體變形矢量分析94
5.4.3土體剪應變分析96
5.4.4取土器軸綫處土體變形分析99
5.5黏土狀態下土體擾動變形分析102
5.5.1試驗土樣102
5.5.2土樣液塑限試驗103
5.5.3土樣擊實試驗103
5.5.4重塑土樣製備104
5.5.5像素標定試驗106
5.5.6土體擾動變形分析106
5.5.7土體剪應變分析109
5.6取土器貫入土體錶麵三維變形試驗研究110
5.6.1PIV技術三維應用110
5.6.2土體三維變形分析流程111
5.6.3土體砂三維變形重組與分析118
參考文獻119
第6章基於透明土的取土器貫入試驗研究121
6.1透明土製備基本原理121
6.2透明土的製各122
6.2.1模擬自然土顆粒材料122
6.2.2模擬孔隙流體材料122
6.2.3透明土製備過程123
6.2.4製樣過程中需要注意的問題125
6.3激光散斑技術126
6.4試驗裝置及試驗方案127
6.4.1試驗裝置127
6.4.2試驗方案128
6.5軸綫處土體擾動變形分析129
6.6土體擾動變形影響因素分析132
6.6.1像素標定試驗132
6.6.23檔貫入速率土體擾動變形分析133
6.6.34檔貫入速率土體擾動變形分析135
6.6.4取土器內徑對擾動變形影響分析136
6.6.5貫入速率對擾動變形影響分析137
參考文獻138
第7章土樣質量評價及減小擾動措施139
7.1取土擾動對土樣的影響139
7.1.1對土樣的殘餘有效應力和飽和度的影響139
7.1.2對土樣的強度特性的影響140
7.1.3對土樣固結特性的影響142
7.2取土擾動的評價指標143
7.2.1取土擾動的現場判彆143
7.2.2取土擾動的室內評價方法143
7.3改進的敞口薄壁取土器146
7.3.1背景146
7.3.2改進的敞口薄壁取土器147
7.4現場取土質量評價150
7.4.1鹽城電廠擴建工程取土質量分析151
7.4.2天津北疆發電廠工程邾南京梅山能源工程取土質量評價154
7.4.3改進的薄壁取土器取土質量分析157
7.5引起土樣擾動的原因及預防措施158
7.5.1引起土樣擾動的因素158
7.5.2減小擾動的室內試驗方法159
7.5.3預防和減小機械擾動的措施162
參考文獻164
索引165

精彩書摘

　　第1章緒論
　　原狀土取樣是岩土工程勘察中的一項基礎工作，取樣的質量直接影響到工程地質評價和岩土工程設計、施工。原狀土樣質量低劣就不可能正確反映地基土層的真實性狀，可能導緻對地基的估計過高，使工程設計偏於危險；更多的是導緻對土質的評價降低，無形中浪費大量寶貴的建設資金。我國傳統土的試樣隻分為原狀土樣和擾動土樣兩類，原狀土樣可做各種物理力學性質試驗，而擾動土樣（一般是保濕土）僅做含水量、液塑限、顆粒分析等試驗。實際上絕對的原狀土樣是不存在的，國際上一般將“能滿足所有室內試驗要求，能用以近似地測定土的原位強度、固結、滲透以及其他物理性質指標的土樣”稱為“不擾動土樣”[z]。李廣信教授[3]指齣，目前研究土的結構性模型的論文有很多，但是不擾動土樣的采取技術方麵的工作卻非常少，這種情況是不正常的。
　　在解決實際土工問題時，設計、計算所需土的性質參數的取得方法一般有兩種：現場原位測試方法和室內土工試驗方法。室內土工試驗方法采用在現場取土，將土樣帶到實驗室進行試驗，取得相關物理力學參數，然後以這些參數代錶原位土的參數進行設計計算。在某種程度上，這些用於試驗的土樣的性質決定瞭整個設計的安全性和經濟性。因比，判斷室內試驗測定的參數在何種程度上代錶天然土層的性質就顯得十分重要。
　　1932年，Casagrande發現天然黏土具有復雜的顆粒結構，這種結構受到擾動破壞後在實驗室內無法恢復，而且用這種結構受到破壞後的土樣測齣的力學指標與原位力學指標迥然不同。至此，人們纔認識到用原狀土測定土的力學性質指標的重要性，不擾動取土技術也因此日益發展起來。
　　正如1949年Hvorslev[51所指齣的，要取得完全不擾動的土樣是不可能的。因為僅僅由於卸去上覆和周圍壓力就會不可避免地引起某些擾動。對於附加擾動多數學者研究認為這是引起擾動的最主要的因素，有時可以使不排水強度降低達90Vo)，盡管可以通過精心操作加以減小，但要減小到可以忽略的地步恐怕也是不現實的。特彆是砂性土，即使目前可以采用凍結法取到擾動較小的砂樣，但由於該方法成本高，操作復雜，很難在工程中普遍推廣。因此對砂土力學參數的測定，主要采用與原位密實度相等的重塑土樣進行三軸試驗，或采用休止角方法測定內摩擦角。可是許多學者通過對比凍結法取得的原位土樣和重塑土樣的力學性質後，發現兩者存在很大差彆，這說明取原狀砂性土是非常必要的[6]。
　　正因為取原狀土存在上述種種問題，有些學者懷疑室內試驗的意義，提齣用原位測試代替室內試驗[7，8]。但是，由於原位測試本身還存在許多不完善的地方，且除十字闆剪切試驗外，很多原位測試不能直接得到設計參數，需要利用已有的室內試驗將這些原位測試數據與設計所需參數建立關係，即原位測試的使用還是以室內試驗為基礎，例如，觸探試驗。實踐證明，這的確是一種簡易快速的方法，但是該方法還不能直接給齣所有設計參數，通常是根據已有室內試驗成果利用觸探數據提齣某些設計參數，即原位測試成果的使用是建立在室內試驗的基礎上；另外，觸探機理問題、不同地區和不同成因土的影響問題以及地基土的承載力深度修正問題等都是非常復雜的問題，有待深入研究[o]。同室內試驗相比，原位測試還存在應力、變形等邊界條件不明確的缺點，因此，目前完全拋棄室內試驗是不可能的。
　　1.1原狀取土研究現狀
　　1.1.1産生擾動的因素
　　取土引起的擾動會使土樣的強度和變形特性發生顯著改變[10]。引起土樣擾動的因素錯綜復雜，許多學者對此進行瞭大量研究。Matsuo和Shogaki[11]，Baligh等[12]，Shogaki等[13]分析總結瞭很多擾動因素，涉及取士器類型、鑽孔方法、取樣方法、土樣運輸、儲存時間和環境、室內開土和試驗方法等。Hvorslev認為在取土過程中産生擾動的因素有：含水量和孔隙比的變化、卸荷作用、土體結構的破壞和化學變化等。
　　魏汝龍和王年香[14]認為這些擾動因素可以概括為下述3種：
　　(1)土樣原位應力的釋放和重新分布。土樣取齣後由初始的天然不等嚮應力狀態改變為各嚮總應力相等，且等於零，土樣的平均有效應力大小發生瞭改變，進而引起土樣擾動；僅經曆這一擾動作用的土樣被稱為“理想”土樣。
　　(2)土體中氣體的逸齣。上麵所敘述的解除應力的一部分變為土中孔隙水的錶麵張力，這樣就使得孔隙水承受負壓，所以會有一部分溶解於水中的氣體逸齣，使土樣中的殘餘有效應力變小，體積有所膨脹，土樣産生擾動。
　　(3)附加機械擾動。這是最復雜的擾動因素，也是影響最大的因素。自土樣從地基中取齣到室內試驗的各個環節均會受到不同程度的機械擾動作用。機械擾動主要錶現在使土樣産生變形，從而破壞其天然結構。其中，取土器是決定土樣擾動程度的關鍵因素，但鑽孔方法、取土操作、土樣的運輸和儲藏、試驗的切削和安裝等均會引起土樣機械擾動，但是可以通過選用閤適的取土器、正確的鑽孔和取士方法、精心細緻的操作來大大降低。
　　鬍中雄[15]總結瞭引起土樣擾動的原因和不同的擾動情況，包括原位應力的卸除、人工擾動（包括鑽探、取樣、運輸等）、環境擾動（儲藏條件、實驗室的介質和環境、濕度與溫度等）和生物擾動等。
　　1.1.2取土器的使用現狀
　　為瞭盡量減少取樣時的擾動對土樣的強度和變形特性的影響，在鑽探、取土以及土樣的運輸、儲存和製備試驗時，必須嚴格遵守有關規範和操作規程。從錶1-1中可以看齣在取土器的類型選用方麵，國內外仍有較大差異。國內大部分勘察部門在取土時常規采用的是內加襯筒的敞口厚壁取土器，由於該類取土器取得的土樣往往擾動很大，因此，目前科研機構也在推廣應用較好的取土設備，例如薄壁取土器(也是屬於敞口式取土器）和自由活塞取土器等。在我國《岩土工程勘察規範》(GB50021-2001)中列為唯一能在軟土中取得1級土樣的固定活塞薄壁取土器，因其操作較麻煩，需要用兩套鑽杆，效率較低，每個鑽杆颱班的進尺不到10m，因此在國內極少采用。魏汝龍[16]曾將固定活塞薄壁取土器與常規取土器進行對比試驗，結果錶明，采用固定活塞薄壁取土器可使快剪強度提高40%～60%，固快指標減少10%～15%。
　　錶1-1國內外常用取土器類型
　　1.1.3取土器貫入擾動理論研究
　　主要包括應變路徑法(strainpathmethod，SPM)和圓孔擴張法(cavityexpan-sionmethod，CEM)。
　　1．應變路徑法理論研究
　　Baligh[17，181根據對原位測試和取土裝置的研究於1985年首先提齣“應變路徑法(SPM)”，此法是Lambe應力路徑法的發展。在Baligh提齣SPM後，Houlsby等[20]、Teh[21]和Teh等[22]嘗試將SPM應用到淺基礎中，采用Mises屈服準則，並考慮平衡方程，用有限差分法分析錐形貫入計貫入問題。Sagaseta[231吸收瞭SPM貫入過程中土體運動形成無鏇的速度場的假設，在點源和流場求解位移場的基礎上，提齣源匯(source-sink)法，將土體不排水貫入過程，看作一個點源在無限土體中勻速下沉形成柱狀孔的過程，貫入過程會在土體的應力自由邊界上産生正應力和剪應力。
　　應變路徑法認為在深層貫入的土體變形計算中，在不考慮土體本構模型的條件下仍然能夠保證足夠的精度。在均質、各嚮同性的土體中，利用一個點源(source)和一個均勻的竪直方嚮的流場相結閤模擬貫入過程，如圖1-1所示。首先估算速度場，接著利用流速沿著流綫對時間積分得到位移場，再由幾何方程得到應變，最後由本構模型得到應力。
　　(a)水平麵示意圖(b)重直麵示意圖
　　圖1—1應變路徑法示意圖（圖片來源：文獻[17]）
　　如圖1-1所示，Baligh[17，181提齣的應變路徑法假設土體中的圓孔徑嚮擴張具有體積擴張速度y，並用流速勢函數o錶示為
　　(1-1)
　　則可得土體各點的速度為
　　(1-2)
　　(1-3)
　　式中，y為體積擴張速度。
　　在軸嚮速度上疊加軸嚮均勻流速U，疊加後可得最終的流速勢函數為
　　(1-4)
　　與基於球對稱和平麵軸對稱的CEM相比，SPM由於疊加瞭竪嚮的流場，因而對貫入的模擬更符閤實際情況。SPM基於流速勢函數和流綫的分析，可以直接由平衡方程得到土體中的位移分布。
　　SPM存在一定的不足，主要體現在以下幾個方麵：
　　(1)由於采用無限土體的假定，沒有考慮地基土的錶麵，即應力自由麵，這與實際情況是不符閤的；此外，在貫入過程中還會産生地麵的隆起。
　　(2)由於采用流場來模擬貫入問題，土體顆粒被假設為與流體相似的無黏性的材料；而實際上土體與流體之間在性質上有較大的差異，如黏性、塑性和剪脹性等。此外，SPM法得到的解中，有效應力解有可能不滿足土體的本構關係，總應力解可能不滿足平衡方程。
　　(3)土體中竪嚮速度上疊加竪嚮均勻流速U，適用於體積不可壓縮的流體，但並不完全符閤土體，囚此SPM隻能近似處理黏土中的不排水貫入問題，而不能考慮接觸摩擦的影響。
　　2．圓孔擴張理論研究
　　1961年，Giboson和Anderson[241首次將圓柱空腔體擴張法應用於岩土工程。Bishop等[25]建議將圓孔擴張極限壓力理論用於沉樁擠土性狀研究，隨後用來分析樁的承載力、旁壓試驗、靜力觸探等土工問題，並在岩土工程領域得到廣泛的應用。Butterfield和Banerjee[261首次將平麵應變條件下的柱形孔擴張理論用來解決樁體貫入問題；Randolph等[27]用圓孔擴張理論結閤有限元分析瞭黏土中沉樁産生的應力及隨後的固結；Cao等[28，29]采用圓孔擴張理論，並結閤修正劍橋模型分析瞭旁壓試驗、靜力觸探等土工原位測試問題。傳統的圓孔擴張理論是在研究金屬壓痕問題時提齣的，它將孔周金屬分為塑性區、彈性區2個區域。而在岩土工程中，由於土的剪脹、軟化等特性以及在土孔擴張過程中孔側土所受到的徑嚮擠壓力很大，其附近土體已經達到破壞，故實際應將土體分為3個區域：破壞區、屈服區（塑性區）、彈性區[30]。
　　圓孔擴張理論的共同假設條件為：①土體是連續、均勻且各嚮同性材料；②土體內具有均布的初始應力。
　　現有很多的CEM的模型，總體上可以分為以下3種：①綫性或非綫性彈性模型；②彈塑性模型包括理想彈塑性模型、應變硬化模型和應變軟化模型；③黏彈性模型和黏彈塑性模型。
　　圖1-2為圓孔擴張的力學模型示意圖。設空心球殼（球孔擴張）或圓柱筒（柱孔擴張）區域的初始內徑和外徑分彆為ao、60，初始應力為Po，當半徑為ao的孔壁上，法嚮壓力由初始壓力Po增大到p時，此時研究區域的塑性區半徑為c，內徑和外徑分彆變為o、6，則把此過程稱為圓孔擴張。
　　圖1—2圓孔擴張的力學模型示意圖
　　當bo一∞時，即錶示無限土體中初始半徑為ao的小孔擴張問題。
　　根據力學模型的邊界條件，上述3種CEM模型都可以分為：
　　(1)ao>0，bo　　(2)ao>0，bo-∞。，適用於無窮介質，為部分擠土；
　　(3)bo-∞，ao=0，適用於無窮介質，一般為擠土樁。
　　……

前言/序言

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