气压劈裂机理与排水粉喷桩复合地基设计理论研究

摘要

气压劈裂是指岩土体在高压气体作用下产生裂隙并发展的过程。国内外学者已经开始注意到气压劈裂现象，但对该理论国内外尚缺乏深入系统的研究。事实上，国内外学者对岩土工程中的另一劈裂技术——水力劈裂已经进行了深入系统的研究，已经形成了较为成熟的水力劈裂理论，并将其成功应用于岩土工程的大坝设计、石油开采、地应力测试、地下污染物运移、地下干热岩体热能开发和环境修复工程等方面。但对气压劈裂问题，国内外尚未形成相应的理论，对其工程应用研究几乎空白，因此，对气压劈裂的机理、判别准则、气压劈裂裂隙的扩展模型及气压劈裂的工程应用等方面进行深入研究是十分必要的。 本文以土体中的气压劈裂理论与应用为研究对象，采用理论分析、室内模拟试验、现场试验及数值模拟相结合的方法，深入研究了土体的气压劈裂机理、判别准则和裂隙扩展模型等基础理论，在此基础上，对基于气压劈裂理论开发的排水粉喷桩复合地基工法的加固机理、路堤荷载下的变形与固结特性及其计算方法进行了系统研究，建立了基于变形控制的排水粉喷桩复合地基设计方法，为排水粉喷桩复合地基新工法的推广应用奠定了理论基础。主要研究内容与成果总结如下： (1)系统总结了土体中的气压劈裂和水力劈裂研究进展，对比了气压劈裂和水力劈裂的差异，指出了现有研究中存在的问题；全面回顾了与排水粉喷桩复合地基设计计算方法相关方面的研究成果，包括水泥土桩复合地基的沉降计算、固结计算及稳定性计算等的现行计算方法和研究成果，并指出了存在的问题。 (2)采用理论分析的方法研究了土体中的气压劈裂理论，提出了土体中的气压劈裂机理和起劈压力计算式；建立了气压劈裂裂隙的扩展模型；并分析了气压劈裂对土体渗透性的提高效应。 (3)通过室内模拟试验论证了土体中气压劈裂原理，并从宏观上论证了基于气压劈裂机理的地基处理新技术在地基加固中的可行性，为完善排水粉喷桩复合地基加固机理并开发基于气压劈裂机理的地基处理新技术奠定了理论基础。 (4)通过现场试验论证了排水粉喷桩复合地基工法中的气压劈裂原理。粉喷桩施工过程中，由于喷气压力和搅拌叶片的剪切力作用在桩周土中生成较大的超静孔隙水压力，产生劈裂裂隙，由排水板和劈裂裂隙组成排水导气网络，为桩周土中超静孔隙水压力的消散和残余气体的排出提供了排水导气通道，一方面加速了桩周土中超静孔压的消散，另一方面，使粉喷桩喷粉更加顺畅，搅拌更加均匀，从而提高粉喷桩桩身质量，特别是深层粉喷桩的成桩质量。 (5)基于路堤荷载下桩土间的非等应变特性，建立了排水粉喷桩复合地基总沉降计算模型。将路堤、桩体、桩间土及下卧土层整体考虑，分别建立了各自的应力和位移计算式，通过界面处的位移和应力边界条件考虑各子系统之间的相互作用，得到了路堤荷载下排水粉喷桩复合地基总沉降计算模型，并利用淮盐高速公路试验段的实测沉降验证了该方法的合理性。 (6)通过数值分析方法剖析了路堤荷载下排水粉喷桩复合地基固结机理，分析表明排水粉喷桩复合地基的固结机理包括三大部分：排水板的排水效应、粉喷桩桩体应力集中效应及桩土间荷载转移形成的孔压梯度效应。在此基础上，建立了排水粉喷桩复合地基固结计算简化模型，并通过现场实测沉降资料验证了简化模型的合理性。 (7)在气压劈裂机理、排水粉喷桩复合地基沉降与固结计算方法研究的基础上，基于变形控制设计的原则，建立了路堤荷载下排水粉喷桩复合地基实用设计方法。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1研究背景

1.2土体中的水力劈裂研究现状

1.2.1水力劈裂的试验研究

1.2.2水力劈裂的破坏机理

1.2.3水力劈裂裂隙的扩展模型

1.2.4水力劈裂的数值模拟

1.3土体中的气压劈裂研究现状

1.3.1气压劈裂简介

1.3.2气压劈裂的试验研究

1.3.3气压劈裂的理论模型和数值模拟

1.3.4气压劈裂与水力劈裂的比较

1.4水泥土搅拌桩复合地基沉降计算方法研究现状

1.4.1我国的现行沉降计算方法

1.4.2日本的现行沉降计算方法

1.4.3北欧国家的现行沉降计算方法

1.4.4现行沉降计算方法评述

1.5水泥土搅拌桩复合地基固结计算方法研究现状

1.6水泥土搅拌桩复合地基稳定性评价与计算方法研究现状

1.6.1我国现行的稳定性计算方法

1.6.2日本现行的稳定性计算方法

1.6.3北欧国家现行的稳定性计算方法

1.6.4现行稳定性计算方法评述

1.7本文主要研究内容

第二章气压劈裂的劈裂机理与裂隙扩展模型

2.1气压劈裂的劈裂机理

2.1.1张拉破坏机理

2.1.2剪切破坏机理

2.1.3破坏机理的适用性讨论

2.1.4实例分析

2.2气压劈裂裂隙的扩展模型

2.2.1基于张拉破坏机理的气压劈裂裂隙扩展模型

2.2.2基于剪切破坏机理的气压劈裂裂隙扩展模型

2.3气压劈裂对土体渗透性的影响

2.4本章小结

第三章气压劈裂的室内模拟试验

3.1试验材料

3.2试验仪器的研制

3.2.1土样制备试验装置

3.2.2气压劈裂试验装置

3.3试验方案与试验步骤

3.3.1试验方案

3.3.2试验步骤

3.4试验结果分析与讨论

3.4.1土样制备试验结果

3.4.2土体响应试验结果

3.4.3加固效果评价试验结果

3.5本章小结

第四章排水粉喷桩复合地基工法中气压劈裂之现场试验

4.1排水粉喷桩复合地基工法施工技术

4.2排水粉喷桩复合地基工法现场试验

4.2.1试验场地条件

4.2.2现场试验内容

4.2.3试验结果与分析

4.3本章小结

第五章基于桩土非等应变的排水粉喷桩复合地基沉降计算方法

5.1沉降计算模型建模思路

5.2路堤荷载下的桩土差异沉降

5.2.1桩土差异沉降实例

5.2.2数值模拟的桩土差异沉降

5.3土拱效应与桩土荷载分配

5.3.1土拱效应与土拱形状

5.3.2临界填土高度

5.3.3桩土应力比

5.4桩体和桩间土沉降

5.4.1桩侧摩阻力

5.4.2桩体压缩量

5.4.3桩间土压缩量

5.5桩端土层沉降

5.6求解步骤

5.7实例分析

5.8本章小结

第六章路堤荷载下排水粉喷桩复合地基固结分析

6.1固结机理的数值模拟

6.1.1单元体模型的建立

6.1.2塑料排水板的简化方法

6.1.3材料本构模型与参数

6.1.4计算工况

6.1.5计算结果分析

6.2固结计算简化模型

6.2.1固结计算简化模型的建立

6.2.2讨论

6.2.3计算与实测结果对比

6.3本章小结

第七章基于变形控制的排水粉喷桩复合地基设计方法

7.1设计原则与设计参数

7.1.1设计原则

7.1.2设计参数

7.2基于统计规律的粉喷桩设计强度确定方法

7.2.1水泥土强度特性

7.2.2粉喷桩设计强度

7.3设计流程

7.4设计计算步骤

7.4.1粉喷桩的布置方式

7.4.2加固范围

7.4.3总沉降计算

7.4.4工后沉降计算

7.4.5整体稳定性验算

7.4.6塑料排水板施工参数设计

7.5本章小结

第八章结论与展望

8.1本文主要研究成果

8.2展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间取得的科研成果