考虑非达西流固结土体中桩基承载时间效应研究

发布时间：2021-10-07 23:14

　　为揭示堆载作用下软土固结沉降过程中桩土相互作用机理,首先,基于非达西流动定律推导土体非达西一维固结非线性方程,考虑土体固结过程中孔隙比和渗透系数等参数变化导致土体的非线性特性,通过有限差分法获得超孔隙水压力的数值解答,建立桩侧土体固结沉降计算模型;其次,基于桩土荷载传递模型,考虑土体有效应力增加对桩土界面强度的影响,提出固结土体中桩基长期承载时间效应计算理论;第三,采用Python语言编制迭代求解计算程序,获得桩身下拉荷载、桩侧负摩阻力以及中性面随时间变化的分布规律;最后,对比本文计算结果与现有试验,并进一步研究排水条件对摩擦桩与端承桩下拉荷载分布及中性面位置变化的影响。研究结果表明:与非达西流动相比,按照达西流动定律计算结果高估了土体的有效应力和桩土界面强度;排水条件对桩基础中性面位置有很大影响,双面排水时摩擦桩中性面位置随结时间向上移动,端承桩则稳定在桩尖附近,单面排水时中性面位置随固结均向下移动;本文计算结果与离心机模型试验结果总体变化规律相似,误差可以接受,提出的桩身下拉荷载及中性面位置计算方法可以高效、准确地预测桩周土体在堆载作用下非达西流动固结过程中桩基长期承载响应。 

【文章来源】：中南大学学报(自然科学版). 2020,51(08)北大核心EICSCD

【文章页数】：11 页

【部分图文】：

不同时刻差分沉降示意图

图3所示为超孔隙水压力和有效应力计算结果对比。由图3(a)可见：采用非达西流动定律计算的土层超孔隙水压力消散速度比达西流动计算的超孔压消散速度慢，由于是双向排水条件，在上下2个分界面开始水流逐渐排出，消散区域慢慢向土层中间扩散，总体而言中间消散速度最慢，呈抛物线形式分布。KIM等[35]的计算结果中超孔压最大值位于地面以下7.6 m处，本文理论解位于地面以下6.3 m，形成该现象的原因是考虑土体自重的影响后，超孔隙水压力朝向端部消散的速率要比朝地表方向的更快。固结1,2和5 a后，超孔隙水压力最大值分别为45,44和37 k Pa,KIM等[35]按照达西流动计算的结果可以看出固结1,2和5 a后，超孔隙水压力最大值分别为39,26和6 k Pa。由图3(b)可见：由于土层边界水流较快，超孔隙水压力消散最快，因此在0～2 m段有效应力沿深度逐渐减小，在2 m到土层下边界之间有效应力沿深度逐渐增大。经过对KIM等[35]的计算结果进行对比，发现虽然土层初始有效应力取固定值即平均有效应力，但分析的有效应力图中结果是用实际初始有效应力减去超孔隙水压力，因此，可以与本文计算结果按照达西流动和非达西流动的方式进行对比。本文计算结果总体而言比达西流动计算结果小，这会导致土体的固结过程如果按照达西流动定律计算，根据有效应力原理分析的土体有效应力、桩土界面强度均会被高估。

为研究堆载作用下软土在不同排水条件的沉降对桩基础下拉荷载分布的影响，将18 m长混凝土桩穿过软黏土层，桩径为1.5 m，桩身弹性模量为31.5 GPa，桩端分别支撑在软黏土和砂土之上，对应考虑为摩擦桩和端承桩，地表大面积堆载为150 k Pa，砂土和黏土的物理力学参数与前述取值相同。如图7所示为不同排水条件下端承桩在固结过程中桩身下拉荷载分布随时间变化曲线。由图7可见：对于端承桩而言，固结时间越久，桩身下拉荷载越大；经历相同时间土体固结后，土体排水条件为双面排水时桩身下拉荷载最大值为单面排水的1.4～6.8倍，最大下拉荷载比值随着固结时间发展逐渐减小。这主要是因为桩身受到负摩阻力作用，端承桩的下拉荷载最大值一般位于深层位置，而单面排水条件下深层土体的变形很小，双面排水则相反，这导致了双面排水时桩土相对位移更大，在相同的侧向刚度作用下，双面排水桩的下拉荷载远大于单面排水桩的下拉荷载。

【参考文献】：
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本文编号：3422968