考虑软粘土结构性损伤的群桩沉桩挤土效应机理研究

基于GDS应力路径三轴试验，研究结构性软粘土在复杂应力路径下的屈服特性，探讨结构性对天然软土力学特性的影响规律。考虑沉桩顺序和已沉入桩遮拦效应，进行室内土力学试验、原位测试和现场小比例尺模型试验，分析沉桩前后不同时间和空间桩周土抗剪强度、应力-应变关系、超孔隙水压力以及位移变化规律。与宏观试验工况平行取土，进行比表面积孔径分析和扫描电镜等微观测试，研究沉桩前后桩周土体微结构特征，提取孔径大小及分布等微观量化参数。建立宏观物理力学性质指标与微观参数之间的定量关系，寻求描述软粘土在沉桩过程中结构性变化规律的损伤内变量，建立适合群桩沉桩过程中桩周土体结构性损伤的本构理论框架。从时间和空间角度，分析桩周环境的应力场、位移场及超孔隙水压力差异的微观机理，揭示群桩挤土效应本质。通过模型试验及工程实例进行模拟并与实测结果对比，验证模型的合理性。结合所建模型，提出适用于软土中群桩沉桩的设计及施工对策。

本项目考虑群桩沉桩顺序和已压入桩的影响，通过沉桩前后桩周土宏观力学试验和微观结构测试，建立不同工况下群桩沉桩时桩周土微结构特征参数与宏观力学指标间的定量关系，分别从时间和空间角度，分析饱和软土中群桩沉桩挤土环境效应的微观控制机理，并提出适用于软土中群桩沉桩的设计及施工对策。通过室内土力学实验、现场监测、小型模型试验和软土微观结构测试，对软土地区群桩沉桩引起的挤土效应进行研究，认识到：（1）单桩侧向挤土位移随着距桩边距离的增加而以近似对数规律衰减，群桩压入后土体水平侧移和地表隆起是不断累积的，存在着已压入桩的遮帘作用，而且桩施工顺序对土体位移起到了关键作用，应该在实际工程中得到重视。（2）随着沉入土体内桩数的增加，超孔隙水压力不断积累，但累积到一定程度后增幅变缓。沉桩顺序对超孔隙水压力有影响。超孔压的消散与土体的渗透性有关，消散要经过一个缓慢的过程，群桩施工时要注意采取能使孔隙水快速排出的措施，以减小沉桩挤土效应。（3）压桩前后土体各微观结构参数均发生了较大变化，其变化规律从时间上大致分为三个阶段；压桩初始阶段表征孔隙微观形态的各参数变化明显，而后进入相对稳定的变化阶段，大约在10d以后开始进入恢复阶段。压桩后土体孔隙数量明显增多，但大孔隙数量减少，定向性明显；从空间位置来看，近桩处土体微结构变化要明显于远处。（4）利用主成分分析方法，将10个微结构指标提取出3个主成分，利用这3个主成分建立了桩周土体微观结构变化与凝聚力、内摩擦角等宏观力学性质的对应关系。3个主成分与粘聚力之间存在较好的相关关系，而与内摩擦角之间的相关性相对较弱。土体微结构性质对强度性质起控制作用，在沉桩过程中，近地表和下部土层宏观力学指标表现出了相反的变化规律，近地表桩周土体第二主成分对于土体强度参数c值的变化起主导作用；中下部土体c值变化的原因相对较为复杂，但在变化过程中第一主成分作用更加明显，在压桩后恢复阶段后期第二主成分的作用有所加强。(5) 基于微结构分析，在施工期间，主要从减小压桩过程产生的孔隙水压力及降低土体扰动方面着手，提出了减少沉桩挤土效应的对策措施。