降雨入渗对灰土挤密桩处理山区人工填土地基的影响研究

摘要

在中国北方及中、西部地区，年降雨量较少且地下水位较深，非饱和土是主要的建筑和工程场地。随着人们生活水平的提高，别墅区往往选址在自然风景较为优美的山区地带，而山区地形地貌条件往往较为复杂，多冲沟、陡坎分布，在进行土木工程施工时需要进行大面积的填方。当浅基础建筑单体的持力层为压缩性较高且具有湿陷性的人工填土时，需要对人工填土地基进行特殊处理，常用的方法为灰土挤密桩法。 由于人工填土地基的非均质性，沿挖填方转换面方向会存在一定程度的基础不均匀沉降现象，从而对建筑物的整体安全性产生一定隐患。而别墅区内住宅单体周边绿化面积较大，在遇到偶发持续强降雨后雨水很容易渗入到建筑物基底下的地基土层中，地基土的增湿变形会引起附加沉降的出现，这将会加剧建筑物的不均匀沉降现象，当差异沉降数值达到某一限值时将引发裂缝、沉陷等安全性问题。 本文以河南省荥阳市的实际工程项目为依托，针对灰土挤密桩处理后的山区人工填土地基，建立二维有限元模型，在降雨条件下，首先采用MATLAB进行二维降雨入渗过程的研究，再使用GeoStudio进行流固耦合条件下的渗流场计算，得出降雨条件下非均质人工填土地基含水率及孔隙水压力的发展变化情况，并分析不同土体渗透性的差异及土层间的组合关系对渗流场的影响规律。以渗流场的计算结果为基础，分别采用数值模拟和改进的分层总和法计算出在力水共载下土体的增湿变形所引起的附加沉降。分析结果表明：经灰土挤密桩处理后的人工填土渗透性显著降低，表现出了较为明显的阻水效果，但是沿深度方向雨水入渗至土层分界面时，由于下部土体渗透性较差，在分界面上雨水出现反向积存的现象，雨水入渗路径发生极大的改变，在积水入渗的作用下局部地基土含水率迅速提升，导致其强度与变形参数产生急剧变化。由于土体内部增湿变形程度的不均匀性，加剧了建筑物的不均匀沉降问题，当土体差异沉降过大时引起住宅单体填充墙及室内地坪的开裂。 本文研究了降雨入渗对非均质人工填土地基渗流场与应力场的影响，提供了定性以及定量的分析与讨论，能够在工程实践中对于建筑物的不均匀沉降量的预测提供一定的计算依据。

目录

声明

1 绪论

1.1 选题背景与研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 非饱和土降雨入渗研究现状

1.2.2 灰土挤密桩在地基处理中的应用研究现状

1.2.3 非饱和土增湿变形计算的研究现状

1.3 本文主要研究内容及创新点

1.3.1 主要研究内容

1.3.2 主要创新点

2 非饱和土基本理论

2.1 非饱和土渗流特性

2.1.1 达西定律

2.1.2 饱和-非饱和渗流控制方程

2.2 土水特征曲线及其推导

2.2.1 土水特征曲线的定义及基本规律

2.2.2 土水特征曲线的获取方法

2.3 非饱和土增湿变形理论

2.3.1 非饱和土的应力状态

2.3.2 非饱和土的增湿变形

3 非饱和土二维降雨入渗过程研究

3.1 引言

3.2 工程实例

3.2.1 工程概况

3.2.2 地层结构

3.2.3 地基土物理力学性质

3.3 二维降雨入渗过程理论分析

3.4 二维降雨入渗土体体积瞬态含水率的理论计算方法

3.4.1 非饱和土二维入渗运动方程

3.4.2 非饱和土二维入渗方程的ADI解法

3.5 非饱和土二维降雨入渗的MATLAB数值解

3.5.1 非饱和土二维入渗模型

3.5.2 降雨条件下非饱和土渗流场的演变规律

3.6 本章小结

4 非均质人工填土地基二维降雨入渗数值模拟

4.1 引言

4.2 非均质人工填土地基入渗模型的建立

4.2.1 GeoStudio软件简介

4.2.2 土水特征曲线的差异化定义

4.2.3 非均质人工填土地基模型的建立

4.3 降雨入渗对非均质人工填土地基渗流场的影响规律

4.4 MATLAB计算结果与GeoStudio数值模拟结果对比分析

4.5 本章小结

5 非均质人工填土地基工程实例分析

5.1 引言

5.2 非均质人工填土地基差异沉降的数值模拟

5.2.1 非饱和土的增湿变形的数值模拟方法

5.2.2 GeoStudio2012的二次开发

5.2.3 降雨条件下差异沉降的数值模拟

5.3 非均质人工填土地基差异沉降的理论计算

5.3.1 改进的分层总和法

5.3.2 降雨条件下差异沉降的理论计算

5.4 数值模拟与理论计算结果对比分析

5.5 本章小节

6 结论与展望

6.1 主要结论

6.2 进一步展望

参考文献

致谢

在校期间研究成果