大厚度湿陷性黄土湿陷变形机理、地基处理及试验研究

摘要

以国家电网重大科技攻关项目为依托,通过大型现场浸水试验、地基处理试验、理论研究和多个工程地基处理的实例分析,对大厚度自重湿陷性黄土地基的湿陷变形规律、湿陷变形计算方法、地基处理方法、复合地基弹性塑性理论、石灰桩复合地基热固结及温度场-渗流场-应力场耦合分析、孔内深层强夯动力固结等问题进行了深入系统的研究。主要工作和创新成果如下:
　　 (1)对大厚度自重湿陷性黄土浸水试验的变形过程进行了理论分析,论述了黄土的成因、土层和分布,黄土湿陷的影响因素,研究了湿陷性黄土湿陷变形机理及计算方法,选取合理、简单、实用的本构模型,通过二次开发,用有限元软件ADINA计算了黄土湿陷变形,最后采用统计回归、试验和数值计算结果给出了一个简单实用的湿陷变形计算公式,结合现场试验验证了本文方法的正确性,这种计算方法给黄土的湿陷变形及评价提供了理论基础,是一种新的途径。
　　 (2)在兰州市和平镇湿陷性土层厚度达36m的场地,进行了大规模浸水试验,在确定试坑直径、深度和水头高度的基础上进行现场大面积浸水试验,并分别在坑内和坑外竖向埋设水分计和张力计,在坑内设置分层变形沉降观测点,地表设置地表沉降观测点,进一步分析场地在饱和、非饱和、非达西渗流浸水条件下的自重湿陷特征,研究湿陷量的区域分布规律。揭示出大厚度自重湿陷性黄土的湿陷变形具有与中小厚度(小于15m)自重湿陷性黄土的湿陷变形不同的3个显著特征:①湿陷量随浸水历时的发展过程包含5个阶段,即初期平缓段、浸水陡降段、中期平缓段、停水后的陡降段和后期平缓段;②湿陷速率在浸水期间呈显“小→大→小→稳定”的变化规律,在停水后则呈显“大→小→稳定”的变化规律;③湿陷量、试坑周边裂缝的宽度和裂缝两侧地面的高差远远大于既往同类研究记录;④大厚度黄土场地的不同深度土层均会出现多次湿陷,湿陷次数随着土层深度的增加将减少;⑤体积含水率在不同深度土层中呈现不同的变化规律;25m以上范围内水分入渗较为容易,该深度以下土层,由于上部土体发生湿陷压密以及空隙中的气体压力增大导致了水分入渗缓慢。
　　 (3)根据圆孔扩张理论,建立了石灰桩复合地基膨胀弹塑性计算模型,并进行了解析求解,获得了石灰桩挤密有效半径和桩壁膨胀压力增量的计算公式;建立了石灰桩复合地基热固结分析模型,利用Fourier变换、Laplace变换及其逆变换,给出了非等温条件下石灰挤密桩圆柱形热源周围饱和土体热固结问题的一个近似的解析求解方法;建立了石灰桩复合地基温度场-渗流场-应力场耦合控制方程,并用有限元法进行了数值求解,基于Prandtl-Reuss准则,进行了复合地基蠕变模拟;建立了孔内深层强夯动力简化计算模型,并进行了分析,获得了强夯夯锤质量与距离的函数关系,及强夯深度和桩周土体有效密度的关系;最后,采用地基处理技术对一实例设计及分析,通过理论分析与实测对比发现二者结果很接近,处理效果都达到了规范要求,而综合比较发现DDC优于石灰桩处理技术,结果说明这两种地基处理技术对大厚度湿陷性黄土是适用可靠的。
　　 (4)设计了灰土挤密桩和DDC两种地基处理技术的现场试验,并进行了现场实测及分析,获得了一些为工程设计提供主要参考的有益结论:①经DDC桩处理后的区域,水分很难从承台周边渗入。3个处理区域承台没有发生较大沉降,冻胀作用引起的地表膨胀甚至大于由于承台下降和土体湿陷引起地表沉降;②3个不同DDC桩长处理后的地基都能抵抗20t/m2的荷载,选用DDC桩长15m可以有效节约成本,降低工程造价;③桩间距1.0m～1.4m无论从挤密系数和湿陷系数都能满足规范要求。如果选用较大的桩间距,这可以有效降低工程地基处理费用30％左右;④在大厚度自重湿陷性黄土场地上,针对涉及面广的乙、丙类建筑,地基处理要求过严,将增加建设投资;灰土和素土在处理大厚度自重湿陷性黄土地基时,两者在承载力方面表现差异不大,可在以后工程建设中直接采用素土桩,可以降低工程造价;⑤在深层注水情况下,承台、深层以及地表沉降基本呈现三段式发展规律,先期稳定,中期缓降,后期突降;⑥桩长6m、10m和12m在深层注水情况下以及20t/m2荷载作用下,承台和场地周边发生沉降较大,而15m区域则沉降稍小,但其剩余湿陷量也未能满足要求。地基处理深度达到20m～25m时,剩余湿陷量能够满足要求,同时佐证了前文关于20m～25m深度难于发生湿陷的结论。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景、目的和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 黄土湿陷机理研究

1．2．2 黄土湿陷结构性研究

1．2．3 湿陷性黄土地基处理研究

1．3 本文主要研究内容

第2章 湿陷性黄土湿陷变形机理及计算方法

2．1 引论

2．2 黄土的成因及分布

2．2．1 黄土的成因

2．2．2 黄土的分布

2．3 湿陷性黄土变形影响因素

2．4 黄土的变形机理

2．5 湿陷性黄土湿陷变形计算

2．5．1 黄土“水力等效”原理

2．5．2 湿陷性黄土浸水沉陷计算表达式

2．6 有限元分析软件ADINA

2．7 基于ADINA的湿陷性黄土本构二次开发

2．7．1 湿陷性本构模型

2．7．2 二次开发程序

2．7．3 程序的验证

2．7．4 湿陷变形模拟

2．8 小结

第3章 大厚度湿陷性黄土湿陷变形现场试验

3．1 引论

3．2 试验场地工程地质条件

3．3 试验设计

3．3．1 浸水试坑设计

3．3．2 探井和沉降观测点设置

3．3．2 水分计和张力计设置

3．4 浸水试验结果分析

3．4．1 地表沉降分析

3．4．2 分层沉降分析

3．4．3 渗流分析

3．4．4 吸力分析

3．5 小结

第4章 湿陷性黄土复合地基理论

4．1 引论

4．2 湿陷性黄土地基处理的原则

4．3 湿陷性黄土地基处理深度

4．3．1 消除建筑物地基全部湿陷量的处理厚度

4．3．2 消除建筑物地基部分湿陷量的处理厚度

4．3 湿陷性黄土地基处理宽度

4．4 石灰桩加固地基机理

4．4．1 放热现象

4．4．2 吸水现象

4．4．3 体积膨胀

4．4．4 离子交换

4．4．5 碳化反应

4．5 灰土处理地基的作用

4．5．1 桩体作用

4．5．2 垫层作用

4．5．3 排水作用

4．5．4 挤密作用

4．6 石灰桩复合地基弹塑性分析

4．6．1 弹性分析

4．6．2 塑性分析

4．6．3 灰土桩挤密影响区有效半径计算

4．6．4 桩壁膨胀压力增量的计算

4．7 石灰桩复合地基热固结分析

4．7．1 石灰桩复合地基温度场分析

4．7．2 石灰桩复合地基热固结控制方程

4．7．3 石灰桩复合地基热固结解析

4．8 石灰桩复合地基温度场-渗流场-应力场耦合分析

4．8．1 温度场-渗流场-应力场耦合控制方程

4．8．2 温度场-渗流场-应力场耦合方程的求解

4．8．3 石灰桩复合地基蠕变求解

4．9 孔内深层强夯的工作机理及动力计算模型

4．9．1 孔内深层强夯的工作机理

4．9．2 孔内深层强夯的理论

4．9．3 孔内深层强夯的动力简化计算模型

4．10 复合地基承载力及变形计算

4．10．1 复合地基承载力

4．10．2 复合地基变形

4．11 案例分析

4．11．1 工程概况

4．11．2 地基处理方案及设计要求

4．11．3 复合地基分析

4．12 小结

第5章 湿陷性黄土复合地基试验研究

5．1 引论

5．2 试验方案

5．2．1 试验区划分及测桩布置

5．3 试验结果分析

5．3．1 DDC处理湿陷性黄土地基试验结果分析

5．3．2 灰土挤密桩处理湿陷性黄土地基试验结果分析

5．4 小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间已发表的学术论文