黄河下游济南段堤防冲填土固结特性室内试验和数值模拟研究

摘要

放淤固堤是黄河下游堤防加固的一项重要措施，通过开挖河底淤泥降低河床高程，同时又将淤泥回填到堤岸来加固黄河大堤。在近几年的黄河防汛工作中发挥了重要作用，减少了洪水隐患。然而在淤区冲填工程的设计施工中，由于冲填土物理性质和固结规律的复杂性，对放淤固堤施工速率以及调控施工流程造成了困难，导致实际放淤固堤工程难以达到预期工期，造成资源浪费。本文以黄河下游济南段实际放淤固堤工程为研究对象，针对如何合理设计淤区冲填施工速率，采用室内试验、理论计算和数值计算方法分析放淤固堤施工过程，研究淤区冲填土在施工荷载作用下的孔隙水压力规律以及固结规律，提出安全、科学、合理的淤区冲填土施工方案，为黄河下游放淤固堤工程建设提供技术指导和理论参考依据。
　　本文首先对济南段放淤固堤工程中使用的冲填土开展室内试验研究，探究其物理力学性质，为放淤固堤工程理论计算和数值计算提供可靠数据;通过试验数据对该冲填土进行分类，将该土命名为低液限黏土;分析其渗透系数、孔隙比等参数随不同土层压力下的变化规律，得出该土样k-p曲线。
　　其次根据太沙基单向固结理论，针对简化的放淤固堤工程模型进行理论计算研究，对淤区超孔隙水压力消散规律和冲填土固结规律进行探究，为现场施工提供较为准确的施工间歇。在理论分析中考虑淤区土渗透系数随固结压力的变化规律，发现随着堆载冲填土厚度增加，淤区土渗透系数随固结压力变化这一考虑因素对淤区底部超孔隙水压力消散速率的影响越来越明显，但是由于理论计算取平均指标，考虑淤区土渗透系数随固结压力变化对淤区冲填土固结情况影响较小。
　　最后使用FLAC3D有限差分软件对放淤固堤工程施工过程进行数值模拟和研究。建立放淤固堤工程数值计算模型，利用合理位移边界条件和水力边界条件，通过流固耦合两相计算方法，分层模拟淤区施工过程，分析施工荷载下淤区孔隙水压力消散过程和固结规律，并考虑淤区土渗透系数随固结压力的变化规律以及不同施工速率等工况，根据数值计算结果建议淤区冲填土施工过程间歇时间，提出合理的淤区冲填施工方案。研究结果发现淤区渗透系数随固结压力变化这一因素对淤区固结情况的影响较大，且连续性施工引起的堤防和淤区的不均匀沉降明显大于分层施工工况。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 黄河两岸放淤固堤工程简介

1．1．2 淤区施工存在的问题及研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 冲填土物理力学性质研究

1．2．2 冲填土固结理论研究

1．2．3 冲填土固结数值计算研究

1．3 本文的工作

第2章 冲填土固结室内试验

2．1 室内试验取样

2．1．1 室内试验取样位置

2．1．2 室内试验取样方法

2．2 颗粒分析试验

2．2．1 试验方法

2．2．2 试验结果和分析

2．3 含水率、密度和土粒比重测量

2．3．1 试验方法

2．3．2 试验结果和分析

2．4 界限含水率测定

2．4．1 试验方法

2．4．2 试验结果和分析

2．5 不同土层压力下的固结试验

2．5．1 试验方法

2．5．2 试验结果和分析

2．6 不同土层压力下的渗透试验

2．6．1 试验方法

2．6．2 试验结果和分析

2．6 本章小结

第3章 基于单向固结理论的放淤固堤计算分析

3．1 前言

3．2 放淤固堤淤区固结理论计算

3．3 理论计算结果

3．3．1 固定渗透系数计算结果

3．3．2 考虑渗透系数随固结压力变化计算结果

3．3．3 渗透系数时变性对固结影响

3．4 本章小结

第4章 放淤固堤工程的数值计算分析

4．1 FLAC3D软件基本原理

4．1．1 FLAC3D的计算特征

4．1．2 FLAC3D中的流固耦合分析

4．1．3 FLAC3D中的固结理论

4．2 放淤固堤数值计算模型

4．2．1 模型尺寸

4．2．2 数值计算模型材料参数

4．2．3 边界条件及初始应力场

4．2．4 放淤固堤分层施工的数值实现方法

4．2．5 结果后处理

4．2．6 数值计算工况

4．3．1 放淤固堤分层施工淤区沉降和孔压分布

4．3．2 施工速率影响

4．3．3 理论计算与数值计算对比分析

4．3．4 淤区冲填施工流程

4．4 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 主要结论

5．2 展望

参考文献

致谢

发表论文和科研情况说明