水泥土桩加固边坡变形破坏机理与稳定性研究

摘要

在航道开发建设的同时，不可避免产生大量的人工开挖高边坡，边坡土质多存在淤泥质粘土，粘土，填土等软弱及不稳定岩土层，边坡稳定性不足，必须对边坡进行治理。因边坡高度大，坡线长，范围广，采用传统的钢筋混凝土抗滑桩方案存在建设工期长，工程造价高等问题。目前，通过深层搅拌法或高压喷射注浆法形成水泥土桩来加固软土地基在工程建设中得到了广泛的应用。但水泥土桩用于基坑、边坡和路堤等工程加固时，稳定性分析尚无统一的规范遵循，水泥土桩加固边坡的变形破坏特性、抗滑机理、合理布桩结构形式以及设计计算理论等都缺少相关研究资料，理论研究滞后于工程实践。
　　基于此，本文在国内外相关研究的基础上，通过室内试验、模型试验、数值模拟、理论分析等方法，对水泥土桩加固边坡的抗滑特性、工作机理以及设计计算理论等进行了系统研究，主要的研究工作与结论如下:
　　(1)完成了178个试样的室内试验，内容包括单轴抗压、径向劈裂和三轴压缩，分析了水泥土的强度特性和变形破坏特性。根据水泥土剪胀过程所受到的影响因素，建立了水泥土剪胀角模型方程。同时根据论文研究目的，选取了适合描述水泥土材料力学性质的本构模型和强度准则。
　　(2)详细介绍极限平衡法和有限元强度折减法应用于边坡稳定性分析的原理、方法及其各自的适用性。分析了D-P强度准则与M-C强度准则的等效性，并对相关参数进行探讨，结果表明D-P准则参数α有效范围为0≤α≤√3/6。对D-P系列准则的在边坡稳定计算上的精度进行了分析，扩展了强度折减法所采用的屈服准则范围。
　　(3)运用Abaqus结合强度折减技术对水泥土桩加固边坡的变形破坏特性和抗滑机理进行数值模拟分析。结果表明:采用离散水泥土桩加固边坡，当边坡失稳时，刚度和强度都较大的水泥土桩呈S型挠曲变形而发生弯折破坏。传统极限平衡法假设桩体只发生剪切破坏，计算结果将会高估加固边坡的稳定性。提出了水泥土剪力墙的概念，通过数值模拟发现，采用水泥土剪力墙加固边坡，因墙土界面摩擦力的作用，下滑力在剪力墙和滑体间得到调整，最终促使加固边坡产生整体剪切破坏，从而有效发挥剪力墙的抗滑能力。
　　(4)以20∶1的几何相似常数建立水泥土桩复合地基水平剪切模型试验，试验结果显示离散水泥土桩和水泥土剪力墙的变形破坏特性、抗滑机理与数值模拟的结果相似，模型试验得出的规律证明了数值模拟结果的合理性。
　　(5)基于数值模拟和模型试验研究，提出了几个离散水泥土桩加固边坡的整体稳定性分析简化计算方法，通过对8个算例的分析证明等效抗剪强度法精度较高，宜在设计中优先采用。进一步地，将支持向量机(SVM)、粒子群算法(PSO)和强度折减法(SRM)相结合，建立了水泥土剪力墙加固边坡的SRM-SVM-PSO设计优化技术，利用Matlab编制了相关程序，算例分析表明，通过优化剪力墙的设计变量，加固边坡的安全性和经济性都得到了满足。
　　(6)以长洲水利枢纽三线四线船闸引航道边坡加固工程为例，进一步阐明了高压旋喷桩加固引航道软土边坡的变形破坏特性及合理加固结构形式。采用饱和-非饱和土渗流固结理论，分析了航道水位变化对饱和-非饱和加固边坡渗流场和稳定性的影响，根据分析结果，为高压旋喷桩加固引航道边坡的设计施工提供了相关建议。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 相关研究文献综述

1．2．1 土质边坡的形成及其稳定性

1．2．2 边坡稳定分析方法研究综述

1．2．3 水泥土桩概念及其工程应用

1．2．4 水泥土桩加固边坡研究现状

1．3 有待研究的问题

1．4 研究内容和技术路线

1．4．1 研究内容

1．4．2 技术路线

第二章 水泥土强度理论与本构模型

2．1 引言

2．2 土的强度理论

2．2．1 概述

2．2．2 岩土材料常用强度准则

2．3 土的本构模型

2．3．1 概I述

2．3．2 弹性理论

2．3．3 塑性理论

2．3．4 弹塑性本构模型

2．4 水泥土强度与变形特性研究

2．4．1 水泥土材料研究现状

2．4．2 水泥土强度及变形特性试验

2．4．3 水泥土强度特性分析

2．4．4 水泥土变形特性分析

2．5 水泥土本构关系与强度准则

2．5．1 水泥土本构模型研究进展

2．5．2 水泥土应力-应变关系模型

2．5．3 水泥土变形破坏强度准则

2．5．4 关于水泥土强度准则的讨论

2．6 本章小结

第三章 边坡稳定性分析计算方法

3．1 引言

3．2 边坡稳定分析的极限平衡法

3．2．1 安全系数定义

3．2．2 极限平衡法原理

3．2．3 各种条分法介绍

3．2．4 各种条分法评述

3．3 边坡稳定分析的有限元强度折减法

3．3．1 有限元强度折减法原理

3．3．2 强度折减法在ABAQUS中的实现

3．3．3 边坡失稳判据的比较分析

3．3．4 边坡稳定分析初始地应力平衡

3．3．5 边坡稳定性的大变形问题探讨

3．3．6 开挖的模拟及原理介绍

3．4 D-P系列屈服准则在边坡稳定分析中的应用

3．4．1 D-P系列屈服准则介绍

3．4．2 D-P系列准则参数有效性分析

3．4．3 D-P系列准则强度折减技术

3．4．4 D-P系列准则分析边坡稳定性精度研究

3．5 本章小结

第四章 水泥土桩加固边坡稳定分析数值模拟研究

4．1 引言

4．2 边坡模型及土层特性描述

4．2．1 边坡模型

4．2．2 水泥土桩及土层的材料参数

4．2．3 桩土接触问题的处理

4．2．4 分析方法及步骤

4．3 离散水泥土桩加固边坡稳定性分析

4．3．1 离散水泥土桩加固边坡变形破坏特性

4．3．2 离散水泥土桩加固边坡抗滑机理

4．3．3 离散水泥土桩加固边坡影响因素分析

4．3．4 离散水泥土桩等效平面模型计算方法及结果比较

4．4 水泥土剪力墙加固边坡稳定性分析

4．4．1 水泥土剪力墙加固边坡抗滑机理

4．4．2 水泥土剪力墙加固边坡数值模拟分析

4．4．3 桩体搭接形式对剪力墙抗滑性能影响分析

4．4．4 水泥土剪力墙等效平面模型计算方法及结果比较

4．5 离散水泥土桩与水泥土剪力墙比较分析

4．6 两种水泥土加固结构模型的适用性分析

4．6．1 基于水泥土材料力学参数的分析

4．6．2 基于水泥土材料强度准则的分析

4．6．3 基于水泥土桩埋入方式的分析

4．6．4 基于边坡不同土层分布的分析

4．7 本章小结

第五章 水泥土桩加固边坡模型试验研究

5．1 引言

5．2 模型试验相似条件概述及模型建立

5．2．1 模型试验相似条件

5．2．2 模型试验的建立

5．3 水泥土桩复合地基水平剪切模型试验设计

5．3．1 模型试验装置

5．3．2 模型试验材料

5．3．3 模型试验方案

5．3．4 模型试验过程

5．4 模型试验结果分析

5．4．1 无桩模型试验结果

5．4．2 水泥土群桩模型试验结果

5．4．3 水泥土墙体模型试验结果

5．5 水泥土桩复合地基模型试验抗滑机理分析

5．5．1 水泥土群桩模型变形破坏模式

5．5．2 水泥土墙体模型变形破坏模式

5．5．3 基于水泥土桩破坏模式的等效抗剪度计算

5．6 本章小节

第六章 水泥土桩加固边坡设计及优化方法研究

6．1 引言

6．2 水泥土桩加固边坡设计方法探讨

6．2．1 离教水泥土桩加固边坡设计方法

6．2．2 水泥土剪力墙加固边坡设计方法

6．3 水泥土桩加固边坡的设计施工流程

6．4 机器学习和智能优化理论

6．4．1 概述

6．4．2 支持向量机理论

6．4．3 粒子群优化算法

6．5 水泥土剪力墙加固边坡优化计算分析

6．5．1 水泥土剪力培加固边坡优化问题

6．5．2 水泥土剪力墙加固边坡优化技术

6．5．3 算例分析

6．6 本章小结

第七章 高压旋喷桩加固边坡工程实例分析

7．1 高压旋喷桩复合地基加固技术

7．1．1 高压旋喷桩应用概述

7．1．2 高压旋喷桩加固机理

7．1．3 高压旋喷桩注浆技术及施工工艺

7．2 长洲三线四线船闸工程引航道边坡开挖及加固分析

7．2．1 工程概况

7．2．2 引航道开挖边坡的稳定性分析

7．2．3 引航道开挖边坡加固方案

7．2．4 引航道加固边坡稳定性分析

7．3 航道水位变化影响下加固边坡稳定性分析

7．3．1 概述

7．3．2 饱和-非饱和土渗流固结理论

7．3．3 计算模型及相关分析技术

7．3．4 计算结果分析

7．4 本章小节

第八章 结论与展望

8．1 结论

8．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表论文情况