堤防振动沉模防渗墙材料与受力变形特性研究

摘要

病险堤坝的处治工程中，形成了一些比较成熟的治理技术，积累了丰富的经验。垂直防渗技术已广泛用于堤坝的除险加固，是病险堤坝工程的主要防渗加固措施。工程中，常用的垂直防渗技术有：灌浆法、防渗墙法、高压喷射注浆法、深层搅拌法和垂直铺塑等。 堤坝的垂直防渗是一个系统工程，垂直防渗方案的选择主要涉及到筑堤料、堤基土和防渗料的性状。然而，每项垂直防渗技术都有一定的针对性和局限性，各种堤坝病害的产生机理、出现部位和破坏程度也不尽相同。为确保病险堤坝的防渗处治效果，必须加强防渗技术的研究，选择科学、经济、合理的综合治理方案。 垂直防渗技术的发展，也促进了防渗料的不断更新。本文在回顾和总结国内外垂直防渗技术的研究成果及其应用现状的基础上，针对振动沉模防渗墙技术，侧重研究了堤防振动沉模防渗料的性状及其防渗墙的受力变形特性。 为了保证振动沉模防渗料的和易性、可泵性、流动性、离析性、泌水性和防渗性，保证振动沉模防渗墙体的纵向均匀性，使墙体与堤防填料协调变形，加大振动沉模防渗墙的处理深度，需降低墙体防渗料的分层性及其刚度。通过振动沉模混合砂浆防渗料的室内配比试验，研究了混合砂浆防渗料的优化配比设计及其分层性状，揭示了混合防渗料的固化增强及其破坏机理。根据室内和现场试验，分析了防渗料各组分不同掺量对其性状的影响程度及其影响规律，揭示了防渗料各组分对强度的影响规律。混合砂浆防渗料的破坏特性及其判别准则是评价振动沉模防渗墙体安全性的关键问题，根据混合砂浆防渗料的破坏特性，提出了混合砂浆防渗料以及防渗墙的破坏判别指标。结合振动沉模防渗墙技术的工程应用，论述了墙体施工质量的控制措施，对振动沉模防渗墙工程的各种特殊情况提出相应的处理方案。针对堤防工程中垂直防渗除险加固技术存在的问题，本文工作内容主要包括： 1、总结分析了国内、外病险堤坝的失事原因、堤坝失事与渗透破坏的关系、堤坝的渗透破坏型式、各种垂直防渗加固技术的研究成果和应用现状、防渗料的研究成果及其应用现状等；同时，结合长江中下游地区堤防工程的特点，分析了堤防防渗加固工程中存在的问题。 2、根据混合砂浆各组分原材料的性状，结合振动沉模防渗墙的设计和施工技术要求，采用水泥、粉煤灰、砂、土和外加剂等原材料，应用均匀设计理论，通过混合砂浆防渗料试件的室内配比试验，研究了混合砂浆防渗料的优化配比设计和混合砂浆防渗料各配比材料用量。 3、混合砂浆防渗料中，水泥和粉煤灰主要起固化料的作用，土料主要起充填作用，砂主要起集料作用，外加剂主要起减水增强的作用。混合砂浆防渗料的性状主要涉及到各组分的配比、水灰比、灰砂比、水泥标号、砂的细度模数、养护龄期、固化料的掺量和混合料的级配等。 4、分层度是影响混合砂浆防渗料和易性、泌水性、流动性、离析性、可泵性和渗透性的控制性指标，也是影响振动沉模防渗墙体质量和墙体纵向均匀性的主要因素。通过混合砂浆防渗料试件的稠度、分层度和分层强度试验，系统地分析了混合砂浆防渗料各组分不同掺量对分层性状的影响程度，揭示了混合砂浆防渗料各组分不同掺量对分层性状的影响规律；根据稠度、分层度、分层强度和强度分层模型试验结果，提出了振动沉模防渗墙体不同深处的抗压强度计算公式。 5、根据混合砂浆防渗料试件的无侧限抗压强度试验、单轴抗压强度试验、三轴压缩试验、劈裂抗拉试验和抗折强度试验等，分析了混合砂浆防渗料各组分掺量和养护龄期对抗压强度的影响，研究了混合砂浆防渗料的力学性状和破坏型式，揭示了混合砂浆防渗料的破坏规律，建立了混合砂浆防渗料试件的弹性模量与强度之间关系。并与柔、塑性混凝土的强度和养护龄期的变化规律进行了对比分析。根据室内和现场试验，分析了混合砂浆防渗料各组分掺量对渗透性的影响。 6、采用扫描电子显微镜测试技术(SEM)，研究了混合砂浆防渗料的微观结构，系统地分析了混合砂浆防渗料各组分的增强、固化和防渗效用，从而揭示了混合砂浆防渗料的固化增强及其破坏机理。 7、在论述前人强度研究成果的基础上，根据混合砂浆防渗料试件微裂缝的发展规律，提出了考虑混合砂浆防渗料性质的拉、剪破坏临界应力状态。研究了混合砂浆防渗料的破坏特性，提出了混合砂浆防渗料以及防渗墙的破坏判别指标，对防渗墙体的破坏特性和安全性进行评估。 8、采用非线性弹塑性Biot固结有限元程序计算分析了振动沉模防渗墙体的受力性状，揭示了不同强度的混合砂浆防渗料对防渗墙体受力性状及其协调变形的影响规律，分析了堤基土的固结效应和筑堤料的压实度对墙体受力性状的影响。 9、结合振动沉模防渗墙在淮河入海水道工程中的，论述了墙体施工质量的控制措施，对振动沉模防渗墙工程的各种特殊情况(砂礓地层、变轴线、接缝和冷接缝等)，提出了相应的处理方案。 10、针对堤防工程，提出了应用振动沉模防渗墙技术尚待进一步研究和解决的问题。

目录

文摘

英文文摘

前言

学位论文独创性声明及学位论文使用授权说明

第一章绪论

1.1堤坝失事与渗透破坏

1.2堤坝的渗透破坏型式

1.3垂直防渗技术的发展及其研究现状

1.3.1灌浆防渗加固技术及其研究现状

1.3.2防渗墙技术的发展及其应用现状

1.4防渗料的研究及其应用现状

1.4.1灌浆材料

1.4.2防渗墙墙体材料

1.5长江中下游堤防的防渗现状

1.5.1堤防存在的主要隐患

1.5.2堤基土的结构特点及其处理

1.6本文的主要研究工作

第二章混合砂浆防渗料的分层性状研究

2.1研究防渗料分层性状的目的和意义

2.1.1振动沉模混合砂浆防渗料

2.1.2砂浆的分层性指标

2.1.3研究防渗料分层性状的目的和意义

2.2混合砂浆防渗料的配比设计

2.2.1原材料组成

2.2.2防渗料的优化配比

2.3影响防渗料分层性的主要因素

2.4防渗料的分层强度及强度分层规律

2.4.1防渗料的分层强度

2.4.2强度分层模型试验

2.4.3分层性对墙体强度的影响规律

2.4.4分层性对渗透性的影响

2.5本章小结

第三章混合砂浆防渗料的力学特性研究

3.1混合砂浆防渗料的抗压强度及其影响因素

3.1.1固化料掺量和龄期对抗压强度的影响

3.1.2充填料对抗压强度的影响

3.1.3集料对抗压强度的影响

3.1.4外加剂对抗压强度的影响

3.2混合砂浆防渗料的受力破坏特性

3.2.1防渗料的应力应变曲线特征

3.2.2防渗料的模强比

3.2.3防渗料的劈裂抗拉强度试验

3.2.4防渗料的抗折强度试验

3.3混合砂浆防渗料的抗渗特性

3.4本章小结

第四章防渗料及防渗墙的破坏准则研究

4.1防渗料的固化增强及破坏机理

4.2现有的主要强度理论

4.3拉、剪破坏的临界应力状态

4.3.1基本假定

4.3.2拉、剪破坏的临界应力状态

4.3.3拉、剪破坏临界应力状态的进一步探讨

4.4破坏特性及破坏判别指标

4.4.1混合砂浆防渗料的破坏特性

4.4.2防渗料及防渗墙的破坏判别指标

4.5本章小结

第五章堤防防渗墙体系受力变形特性

5.1概述

5.2材料的本构模型和接触面特性

5.2.1材料的本构模型

5.2.2材料的接触面特性

5.3材料的邓肯参数和拉、剪破坏临界应力

5.4堤防防渗墙体系受力性状分析

5.4.1防渗墙体的受力性状

5.4.2先施工防渗墙体的受力性状

5.4.3防渗墙对堤防渗流场的影响

5.4.4堤基土的固结对防渗墙体受力性状的影响

5.4.5筑堤料的压实度对墙体受力性状的影响

5.5本章小结

附图

第六章振动沉模防渗墙的施工质量控制

6.1工程概况

6.2场地工程水文地质条件

6.3振动沉模防渗墙的施工

6.3.1防渗墙的施工技术要求

6.3.2振动沉模主要施工设备

6.3.3防渗墙的平面布置及其施工方法

6.4防渗墙的施工质量控制

6.5特殊情况处理

6.5.1施工作业面

6.5.2砂礓层的施工

6.5.3新填围堰的施工

6.5.4施工冷接缝

6.5.5变轴线施工

6.6本章小结

第七章全文总结和展望

7.1本文的主要工作和相关结论

7.2有待进一步完善的内容

参考文献

致谢

附录

附录1：作者简历

附录2：攻博期间发表的论文和出版的论著

附录3：攻博期间完成的科研项目

附录4：攻博期间获奖情况