离心模型试验中饱和砂土制备方法的影响研究

摘要

近年来，土工离心模型试验技术在国内外得到了越来越广泛的应用，已然成为探究岩土工程问题的重要手段，同时离心模型试验中试样的制备也逐渐得到重视，并取得了一定研究成果。关于离心模型试验中砂土试样的制备方法，目前主要有砂雨法和分层击实法，其中分层击实法虽然也是较为常用的制样方法，但有关其制样机理的研究并不多，此外不同制样方法对离心模型试验结果的影响也没有得到足够的重视，鉴于这些问题，本文主要开展了如下研究工作： (1)模型试样制备阶段，探究了击实法制备砂土地基模型试样的影响因素，主要考虑的影响因素包括击实方式、击实分层数目、相对密实度、初始含水率、颗粒粒径分布等因素。其中制备的砂土试样质量以试样均匀性作为评价指标，而试样均匀性通过CPT静力触探试验检测。另外验证了砂雨法制备粗砂地基模型的可行性，并就均匀性和制样特点与击实法制样进行对比。试验结果表明，击实方式和击实分层数目是影响制样均匀性的主要因素，另外相对密实度(Dr=30%、50%、70%)和初始含水率(w=0%、3%、5%)对制样均匀性的影响不显著。本文通过击实法制备粗砂试样和标准砂试样，分析颗粒粒径分布对制样均匀性的影响，结果表明颗粒粒径分散的砂难以通过击实法制备均匀性良好的试样。总的来说，对于颗粒粒径较集中的砂土，控制一定的击实要素，击实法可以制备均匀性良好的地基模型试样，相比砂雨法制样过程更简单。 (2)离心模型试验阶段，分别通过不同制样方法制备砂土地基模型试样，在鼓式离心机内饱和并完成模型地基的浅基础承载力试验，获得荷载一相对沉降曲线，分析不同制样方法对地基承载力的影响。本文主要探究的制样方法有干装击实、湿装击实、砂雨法和一种特殊的湿装击实，主要制备相对密实度Dr=50%、70%的地基模型，湿装击实考虑的试样初始含水率w=3%、5%。并通过有限元分析软件ABAQUS，模拟离心试验过程，获得浅基础荷载一相对沉降曲线，与离心模型试验结果进行对比。试验结果表明，不同制样方法对离心模型试验结果有明显影响。制备相同尺寸和相对密实度的地基模型试样，干装击实较湿装击实法和砂雨法的地基模型承载力更高，不同初始含水率(w=3%、5%)的湿装击实对试验结果影响不大，干装击实和一种特殊的湿装击实制备的中密地基模型具有相近的承载力。对比室内静三轴试验中关于砂土制样方法的研究成果，离心模型试验结果有一定的相似性。ABAQUS数值模拟结果显示，与湿装击实的试验结果在数值上拟合度更好些。

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1 绪论

1.1 研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 砂土制样方法研究现状

1.2.2 浅基础地基承载力的研究

1.3 主要研究内容

2 试验设备与试验方法

2.1 试验土料与模型箱

2.2 砂雨法制样

2.2.1 自动撒砂装置

2.2.2 砂雨法制样过程

2.3 击实法制样

2.3.1 击实工具

2.3.2 击实法制样过程

2.4 离心模型试验

2.4.1 土工鼓式离心机GT450/1.4

2.4.2 离心模型试验过程

3 不同制样方法制备的砂土地基模型试样的均匀性研究

3.1 试验方案

3.2 模型试样均匀性的检测与分析方法

3.3 砂雨法制备砂土地基模型试样

3.3.1 粗砂流量控制和撒砂筒运动参数确定

3.3.2 砂土落距与相对密实度Dr的关系

3.3.3 砂土试样稳定相对密实度的检测

3.4 击实法制备砂土地基模型均匀性的影响因素

3.4.1 击实方式的影响

3.4.2 击实分层数的影响

3.4.3 相对密实度的影响

3.4.4 不同初始含水率的影响

3.4.5 颗粒粒径分布的影响

3.5 击实法和砂雨法的对比

3.5.1 试样饱和状态下均匀性的比较

3.5.2 制样过程中的对比

3.6 小结

4.1 试验方案

4.2 地基承载力的确定方法

4.2.1 理论公式

4.2.2 根据p-s曲线

4.3 离心试验的误差分析

4.3.1 土工离心模拟技术存在的误差及分析

4.3.2 砂土试样制备过程中的误差

4.3.3 离心机设备的系统误差

4.4 离心模型试验结果分析

4.4.1 干装击实和湿装击实方法结果对比

4.4.2 特殊的湿装击实方法

4.4.3 不同初始含水率的湿装击实方法结果对比

4.4.4 干湿装击实法和砂雨法结果对比

4.4.5 离心模型试验与静三轴试验中关于制样方法研究成果的对比

4.5 有限元数值模拟离心模型试验过程

4.5.1 ABAQUS有限元分析过程

4.5.2 有限元计算和离心模型试验结果对比

4.6 小结

5.1 结论

5.2 展望

参考文献