竖井地基热排水固结法处理研究及应用

摘要

近年来，公路、铁路、机场、地铁等大型基础设施的兴建，给东南沿海城市的软土地基处理带来了新的挑战。热排水固结法是软基处理方面一项新的、具有良好潜力的方法，具有施工简单、经济等优点。目前，国内外对于温度效应对土体影响这一块已有大量的研究成果，但将温度作为一种地基处理的手段来缩短工期涉及到热水力三场耦合问题，作用机理相对复杂。为此，本文从理论、模型试验和数值模拟三方面出发对温度影响下的竖井地基固结进行了相应的研究。
　　(1)从经典固结理论与传热理论出发，考虑热渗效应，推导建立了多孔介质热弹性耦合固结方程，并将其退化通过 Fourier变换、Laplace变换及其逆变换对点热源固结问题，给出了温度、孔压的表达式。在此基础上，求解了有限长圆柱形热源热固结问题，为试验的开展提供了理论依据。
　　(2)在现有竖井固结理论的基础上，研究了考虑温度对渗透系数的影响，给出了温度效应影响下的竖井地基单面排水的固结解析解。并针对宁波软粘土选取参数进行算例分析。结果表明：温度对竖井地基固结性状有显著影响，同一时刻，温度越高地基的固结度也越大，但是，温度效应对土体固结的影响会随着温度的升高而逐渐减弱；在温度条件相同的情况下，井径比越小，土体固结越快。
　　(3)针对宁波淤泥质粉质粘土开展常温和热排水固结对比大型模型试验，探讨了竖井地基中温度、超静孔隙水压力和土体表面沉降的变化规律。试验结果表明：随着时间的增长，竖井域外的温度逐渐升高并向远处扩散，然后逐渐趋于稳定；随着温度的升高，因土颗粒和孔隙水热膨胀系数的差异，产生了超静孔隙水压力，且距竖井越近产生的孔压越大；随着温度的升高，土体的渗透系数会有一定提高，热排水固结试验的孔压消散速度相较排水固结试验有所提高，排水固结进度加快，在水循环温度50℃的情况下，以固结度达到90%所需的时间作为比较，热排水固结试验较排水固结试验时间较少了39.87%；温度变化通过影响土体的先期固结压力会改变土体的沉降，热排水固结试验的土体最终沉降提高了12.02%；热排水固结法不仅能明显加快地基的固结进程，同时还能增大地基沉降，保证了地基处理效果。
　　(4)基于大型商业有限元软件 Abaqus，以模型试验为原型，本构模型选用修正剑桥模型，建立了热排水固结有限元模型，通过与模型试验结果进行对比，验证了模型的可靠行。最后分析计算了实际工程中不同循环温度和不同竖井间距工况下，热排水固结法对地基处理的影响。结果表明：温度变化会对土体的沉降产生影响，在一定温度范围内，随着加热温差的增大，地表沉降会逐渐增大；当施加的荷载一定时，温度越高，土体的固结速度越快，但是随着温度的升高，相同温差带来的固结效果提升会逐渐减弱；在温度荷载和顶面荷载一定时，土体的固结度会随着井距的缩小而提高，同时当井距较小时，再缩短井距所带来的提升效果不太显著，与理论结果相一致；在土体加热温度达到60℃，并且井径比为8时热排水固结法能达到一个比较理想的地基处理效果。

目录

声明

1绪论

1.1 前言

1.2国内外研究现状综述

1.3本文主要研究内容和创新点

2考虑热渗效应的热源固结近似解

2.1引言

2.2固结基本方程

2.3热固结问题的积分变换及求解

2.4热源热固结问题

2.5本章小结

3考虑温度效应的单井固结理论

3.1引言

3.2考虑温度效应单井固结一般解

3.3方程求解

3.4理论结果讨论

3.5本章小结

4热排水固结模型试验研究

4.1引言

4.2试验系统和加内容

4.3试验结果分析

4.4本章小结

5竖井地基热排水固结有限元分析

5.1引言

5.2有限元模型的建立

5.3有限元模型的验证

5.4竖井地基热排水固结法有限元应用

5.5本章小结

6结论与展望

6.1主要工作和结论

6.2关于进一步研究工作的展望

参考文献

在学研究成果

致谢