湿陷性黄土地区公路涵洞复合地基沉降特性研究

摘要

在西部大开发和“一带一路”国家战略中，公路交通基础设施建设处在先导的地位。涵洞作为公路工程中的重要组成部分，无论是在工程数量上还是工程造价上，都占有很大的比重。早期在湿陷性黄土地区修建的涵洞，由于所处地形地貌、地质条件复杂，湿陷性黄土物理力学性质特殊，如地基处理不当，浸水后地基产生显著沉降及不均匀沉降，将导致涵洞出现不同程度的病害，严重影响公路正常运营。因此，选用合适的方法进行湿陷性黄土地基处理显得尤为关键。
　　对于湿陷性黄土地区涵洞地基处理，《公路桥涵地基与基础设计规范》(JDGD63-2007)要求的处理深度不大于3.0m。对于强湿陷性陇西黄土，工程实践表明这种地基处理方式强度偏弱，建议根据黄土场地湿陷性特征来确定。
　　本文以新建青海东部民和至小峡一级公路Ⅲ级（严重）自重湿陷性黄土地区的两座公路涵洞为实际工程背景，采用室内土工试验、现场试坑浸水试验、复合地基沉降监测和有限元数值模拟等方法，探讨了湿陷性黄土地区公路涵洞复合地基的沉降特性。在上述研究的基础上，提出涵洞复合地基优化设计方案。主要研究内容及结果如下:
　　(1)阐述湿陷性黄土地区涵洞地基沉降特征，总结了公路涵洞发生病害的原因。归纳湿陷性黄土地基处理常用方法，分析了灰土换填法和灰土挤密桩法的加固机理和适用条件。
　　(2)在试验基础上定量分析了涵洞试验工点场地湿陷性黄土的压缩性、湿陷性和渗透性:①通过室内土工试验得到两座公路涵洞试验工点场地不同深度处原状黄土的压缩系数，判定两座涵洞试验工点场地土均呈中等压缩性。②现场试坑浸水试验采用直径为20.0m，深度为50cm的试坑，并在试坑底部铺设15cm厚的卵砾石。现场试坑浸水试验停止注水后，测得试坑的自重湿陷性黄土层厚度为15.0m，试坑地表发生明显湿陷并呈漏斗形，且不同位置沉降变形量大小不一。③通过在试坑不同位置和深度埋设TDR水分探头，分析水分在试坑竖直方向和水平方向的入渗过程。试验发现场地黄土在竖直方向的渗透速率处于1.7～5.9×10-4cm/s之间，在水平方向的渗透速率处于1.2～4.6×10-4 cm/s之间。
　　(3)涵洞场地地基处理及处理效果试验研究:①分别采用地基处理深度为3.0m的灰土换填法和地基处理深度为6.0m的灰土挤密桩法对涵洞地基进行处理。②现场监测复合地基的沉降变形，对比分析湿陷性黄土地区涵洞地基处理效果。③采用双曲线法、三点法和Asaoka法预测两座涵洞复合地基最终沉降。
　　(4)涵洞场地复合地基数值模拟对比研究:①采用MIDAS/GTS软件对灰土换填复合地基和灰土挤密桩复合地基进行数值模拟。②对比分析现场监测得到的复合地基沉降结果与数值模拟结果，验证数值模拟的合理性与有效性。③选择灰土挤密桩复合地基有限元模型，分别考虑桩长、桩径、桩间距对灰土挤密桩复合地基沉降的影响。
　　(5)基于两座涵洞复合地基的沉降特性和现有设计规范要求提出湿陷性黄土地区涵洞复合地基优化设计方案:在湿陷性黄土地区修筑涵洞工程时，建议在相应设计规范要求的基础上加大地基处理深度，建议处理深度在5.0m及以上，同时要求提高涵洞排水功能和涵洞地基防渗性能。研究成果可为设计规范相关条文的修订提供工程实例参考。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 黄土湿陷性研究现状

1．2．2 湿陷性黄土地基研究现状

1．2．3 涵洞地基与基础研究现状

1．3 主要研究内容及技术路线

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 技术路线

2 涵洞试验工点湿陷性黄土基本性质

2．1 涵洞试验工点工程地质条件

2．1．1 气象与水文

2．1．2 地形地貌特征

2．1．3 地层岩性

2．2 涵洞试验工点湿陷性黄土地基工程评价

2．3 涵洞试验工点湿陷性黄土的压缩性

2．4 涵洞试验工点湿陷性黄土的湿陷性

2．5 涵洞试验工点湿陷性黄土的渗透性

2．6 本章小结

3 复合地基加固机理与涵洞复合地基设计

3．1 垫层法和挤密桩法的加固机理

3．1．1 垫层法的加固机理

3．1．2 挤密桩法的加固机理

3．2 涵洞复合地基的设计

3．2．1 灰土换填复合地基设计

3．2．2 灰土挤密桩复合地基设计

3．3 本章小结

4 公路涵洞复合地基沉降特性试验研究

4．1 复合地基承载力计算

4．1．1 灰土换填地基承载力计算

4．1．2 灰土挤密桩地基承载力计算

4．2 复合地基沉降计算

4．2．1 复合地基加固区压缩量计算

4．2．2 复合地基下卧层压缩量计算

4．3 涵洞复合地基沉降变形分析

4．3．1 复合地基土层工程特性

4．3．2 复合地基沉降变形监测

4．3．3 复合地基沉降监测结果分析

4．4 灰土换填法和挤密桩法处理效果对比分析

4．5 复合地基沉降预测

4．5．1 复合地基沉降预测方法

4．5．2 复合地基沉降预测分析

4．6 本章小结

5 公路涵洞复合地基沉降数值模拟分析

5．1 数值模拟分析基本理论

5．1．1 有限单元法简介

5．1．2 MIDAS／GTS软件简介

5．2 复合地基有限元模型的建立

5．2．1 模型的基本假定

5．2．2 计算本构模型的选取

5．2．3 模型参数的选取

5．2．4 模型网格划分

5．2．5 施工阶段设计

5．3 有限元分析结果与实测值的比较

5．3．1 数值模拟结果与分析

5．3．2 数值结果与实测结果对比分析

5．4 涵洞复合地基沉降影响因素有限元分析

5．4．1 灰土挤密桩桩长的影响分析

5．4．2 灰土挤密桩桩径的影响分析

5．4．3 灰土挤密桩桩间距的影响分析

5．5 本章小结

6 结论与展望

6．1 主要研究结论

6．2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果