為揭示堆載作用下軟土固結(jié)沉降過(guò)程中樁土相互作用機(jī)理,首先,基于非達(dá)西流動(dòng)定律推導(dǎo)土體非達(dá)西一維固結(jié)非線性方程,考慮土體固結(jié)過(guò)程中孔隙比和滲透系數(shù)等參數(shù)變化導(dǎo)致土體的非線性特性,通過(guò)有限差分法獲得超孔隙水壓力的數(shù)值解答,建立樁側(cè)土體固結(jié)沉降計(jì)算模型;其次,基于樁土荷載傳遞模型,考慮土體有效應(yīng)力增加對(duì)樁土界面強(qiáng)度的影響,提出固結(jié)土體中樁基長(zhǎng)期承載時(shí)間效應(yīng)計(jì)算理論;第三,采用Python語(yǔ)言編制迭代求解計(jì)算程序,獲得樁身下拉荷載、樁側(cè)負(fù)摩阻力以及中性面隨時(shí)間變化的分布規(guī)律;最后,對(duì)比本文計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)有試驗(yàn),并進(jìn)一步研究排水條件對(duì)摩擦樁與端承樁下拉荷載分布及中性面位置變化的影響。研究結(jié)果表明:與非達(dá)西流動(dòng)相比,按照達(dá)西流動(dòng)定律計(jì)算結(jié)果高估了土體的有效應(yīng)力和樁土界面強(qiáng)度;排水條件對(duì)樁基礎(chǔ)中性面位置有很大影響,雙面排水時(shí)摩擦樁中性面位置隨結(jié)時(shí)間向上移動(dòng),端承樁則穩(wěn)定在樁尖附近,單面排水時(shí)中性面位置隨固結(jié)均向下移動(dòng);本文計(jì)算結(jié)果與離心機(jī)模型試驗(yàn)結(jié)果總體變化規(guī)律相似,誤差可以接受,提出的樁身下拉荷載及中性面位置計(jì)算方法可以高效、準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)樁周土體在堆載作用下非達(dá)西流動(dòng)固結(jié)過(guò)程中樁基長(zhǎng)期承載響應(yīng)。 

【文章來(lái)源】：中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 2020,51(08)北大核心EICSCD

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【部分圖文】：

不同時(shí)刻差分沉降示意圖

圖3所示為超孔隙水壓力和有效應(yīng)力計(jì)算結(jié)果對(duì)比。由圖3(a)可見：采用非達(dá)西流動(dòng)定律計(jì)算的土層超孔隙水壓力消散速度比達(dá)西流動(dòng)計(jì)算的超孔壓消散速度慢，由于是雙向排水條件，在上下2個(gè)分界面開始水流逐漸排出，消散區(qū)域慢慢向土層中間擴(kuò)散，總體而言中間消散速度最慢，呈拋物線形式分布。KIM等[35]的計(jì)算結(jié)果中超孔壓最大值位于地面以下7.6 m處，本文理論解位于地面以下6.3 m，形成該現(xiàn)象的原因是考慮土體自重的影響后，超孔隙水壓力朝向端部消散的速率要比朝地表方向的更快。固結(jié)1,2和5 a后，超孔隙水壓力最大值分別為45,44和37 k Pa,KIM等[35]按照達(dá)西流動(dòng)計(jì)算的結(jié)果可以看出固結(jié)1,2和5 a后，超孔隙水壓力最大值分別為39,26和6 k Pa。由圖3(b)可見：由于土層邊界水流較快，超孔隙水壓力消散最快，因此在0～2 m段有效應(yīng)力沿深度逐漸減小，在2 m到土層下邊界之間有效應(yīng)力沿深度逐漸增大。經(jīng)過(guò)對(duì)KIM等[35]的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)雖然土層初始有效應(yīng)力取固定值即平均有效應(yīng)力，但分析的有效應(yīng)力圖中結(jié)果是用實(shí)際初始有效應(yīng)力減去超孔隙水壓力，因此，可以與本文計(jì)算結(jié)果按照達(dá)西流動(dòng)和非達(dá)西流動(dòng)的方式進(jìn)行對(duì)比。本文計(jì)算結(jié)果總體而言比達(dá)西流動(dòng)計(jì)算結(jié)果小，這會(huì)導(dǎo)致土體的固結(jié)過(guò)程如果按照達(dá)西流動(dòng)定律計(jì)算，根據(jù)有效應(yīng)力原理分析的土體有效應(yīng)力、樁土界面強(qiáng)度均會(huì)被高估。

為研究堆載作用下軟土在不同排水條件的沉降對(duì)樁基礎(chǔ)下拉荷載分布的影響，將18 m長(zhǎng)混凝土樁穿過(guò)軟黏土層，樁徑為1.5 m，樁身彈性模量為31.5 GPa，樁端分別支撐在軟黏土和砂土之上，對(duì)應(yīng)考慮為摩擦樁和端承樁，地表大面積堆載為150 k Pa，砂土和黏土的物理力學(xué)參數(shù)與前述取值相同。如圖7所示為不同排水條件下端承樁在固結(jié)過(guò)程中樁身下拉荷載分布隨時(shí)間變化曲線。由圖7可見：對(duì)于端承樁而言，固結(jié)時(shí)間越久，樁身下拉荷載越大；經(jīng)歷相同時(shí)間土體固結(jié)后，土體排水條件為雙面排水時(shí)樁身下拉荷載最大值為單面排水的1.4～6.8倍，最大下拉荷載比值隨著固結(jié)時(shí)間發(fā)展逐漸減小。這主要是因?yàn)闃渡硎艿截?fù)摩阻力作用，端承樁的下拉荷載最大值一般位于深層位置，而單面排水條件下深層土體的變形很小，雙面排水則相反，這導(dǎo)致了雙面排水時(shí)樁土相對(duì)位移更大，在相同的側(cè)向剛度作用下，雙面排水樁的下拉荷載遠(yuǎn)大于單面排水樁的下拉荷載。

【參考文獻(xiàn)】：
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