黄土区新型地基防水结构现场试验及数值模拟研究

摘要

随着西部大开发和“一带一路”战略和城镇化战略的综合实施，黄土地区基础设施不断扩大，构筑物的数量及规模都在不断增大。天然黄土在上覆土的自重压力作用下，或在上覆土的自重压力与附加压力共同作用下，受水浸湿后土的结构迅速破坏而发生显著附加下沉的，称为湿陷性黄土。我国黄土面积63.53×104km2，其中湿陷性黄土约占3/4。对湿陷性黄土地基进行处理来避免湿陷性对工程构筑物的危害，是黄土区工程建设的关键。
　　《湿陷性黄土地区建筑规范(GB50025-2004)》在总则1.0.3条中规定，在湿陷性黄土地区进行工程建设，应根据湿陷性黄土的特点和工程要求，采取以地基处理为主的综合措施，即以全部湿陷性土层的饱和浸水湿陷量来评价场地的优劣。这种思想与工程实际常常有很大差距，黄土地基的主要威胁不是来自均匀土层的全面浸水，地基也不会达到充分浸水的饱和湿陷状态。该规范主要来源于工民建行业的建设经验，公路、铁路行业虽然有着不同于工民建行业的特点，但仍沿用了该规范地基处理为主的设计思想，因此造成了不必要的浪费。浸水是湿陷性黄土发生湿陷变形的外因，只要采取合理的工程措施保证黄土地基不受水分浸润，便可弱化地基处理，节省工程投资。本文以青海东部黄土区新建川大公路为依托，通过现场试验及数值模拟研究了一种增设止水帷幕的新型地基防水结构，主要研究内容及成果如下:
　　(1)通过现场勘察和室内试验，选取川大公路K28古鄯服务区匝道作为课题的试验工点，该试验工点地基湿陷等级判定为Ⅲ级，属于自重湿陷性地基，湿陷性黄土下限深度为10m。
　　(2)修筑了8m止水帷幕及10.5m止水帷幕试验段路基，地基采用“80cm灰土垫层+1.5m翻挖回填”的处理方式。坡脚处增设3排水泥土挤密桩形成止水帷幕，水泥土挤密桩的水泥掺量为8％，桩径40cm，桩间距80cm，正三角形布置，两试验段挤密桩桩长分别为8m和10.5m。同时在坡脚处开挖浸水坑来模拟坡脚浸水。地基的不同位置、不同深度处埋设了TDR水分探头及CDI组合式沉降仪，分别用来观测地基中水分场变化及沉降变化。
　　(3)试验段路基于2015年7月填筑完成，2015年10月浸水坑开始浸水，为期约30d。试验结果表明，8m止水帷幕试验段路基坡脚、坡中部位处地基8m深度以下的湿陷性土层被水分浸润，而8m深度范围内的地基未被水分浸润。10.5m止水帷幕试验段地基中，10m深度范围内的湿陷性土层均未被水分浸润。两试验段中止水帷幕处理深度范围内地基未受水分浸润，8m及10.5m止水帷幕均起到了良好的防水效果。
　　(4)从沉降观测结果可知，8m止水帷幕试验段路基的坡脚及坡中部位的基底沉降在浸水期间发生突变，地基发生了湿陷变形，这是因为8m止水帷幕未穿透湿陷性黄土下限深度而存在剩余湿陷量。10.5m止水帷幕试验段地基未发生湿陷变形。
　　(5)基于FLAC3D软件，利用Matlab中的神经网络工具箱对土层的变形模量进行了反演，利用实测的水分场变化特征得到了黄土的饱和渗透系数，然后利用得到的参数对新型地基防水结构进行数值分析。
　　(6)运用FLAC3D软件，模拟出止水帷幕不同设计参数时地基的水分场变化特征，对该地基防水结构进行了参数优化分析。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 公路路基现有防排水系统概述

1．2．1 地面防排水系统

1．2．2 地下防排水系统

1．3 国内外研究现状

1．4 论文选题背景及意义

1．5 主要研究内容

1．6 研究技术路线

2 新型地基防水结构现场试验概况

2．1 试验场地选择

2．2 试验场地工程地质概况

2．3 试验段设计

2．4 监测断面布置及试验方法

2．4．1 水分场观测

2．4．2 沉降观测

2．5 小结

3 新型地基防水结构现场试验研究

3．1 引言

3．2 地基水分场变化特征

3．2．1 8m止水帷幕

3．2．2 10．5m止水帷幕

3．3 地基沉降变形特征

3．3．1 8m止水帷幕

3．3．2 10．5m止水帷幕

3．4 止水帷幕工程效果分析

3．5 小结

4 新型地基防水结构数值模拟研究

4．1 非饱和土基本理论

4．1．1 土水特征曲线

4．1．2 非饱和渗透系数函数

4．1．3 非饱和土固结及本构模型

4．2 试验模型建立

4．2．1 非饱和渗流在FLAC3D中的实现

4．2．2 Van Genuchten模型参数拟合

4．2．3 参数选取及边界条件

4．3 新型地基防水结构数值模拟分析

4．3．1 地基水分场变化特征

4．3．2 地基沉降变形特征

4．4 小结

5 新型地基防水结构设计参数优化研究

5．1 引言

5．2 试验模型建立

5．3 参数优化数值分析

5．4 小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果