深厚黄土高填方工后变形机理与沉降规律研究

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随着“一带一路”国家战略的实施以及西部大开发的深入,中西部地区的深厚黄土高填方工程建设多来越也,由此引发的高填方地基的沉降问题也不断刷新本领域的研究记录。以深厚黄土高填方工程为主要研究对象,通过现场监测、室内试验、理论分析以及数值模拟等手段,针对深厚黄土高填方地基沉等机形变降突出问题,研究了时效性、施工工况和水环境等主要因素对其工后沉降规律与变形机理的影响规律,主要研究成果为:  首先,通过对2个典型深厚黄土高填方工程进行原位监测,对比分析了其变形规律异同,探讨了其地基的工程地质条件、地形及施工条件、地下水等因素对工后沉降的影响规律。研究结果表明:①深厚黄土地层地基上的填方工后沉降量大于填筑体自身的压缩沉降量;②砂岩和泥岩地基的工后沉降量几乎可以忽略不计,填方沉降主要由填筑体本身压缩沉降完成;③不填的上基地同筑体的沉降变形规律存在较大的差异;④高填方引起的高应力造成的高填方塑性流形特征是变深厚黄土填方工程工后沉降变形的一个新特征。  其次,为了进一探索高填方黄土地基与填筑工后沉降变形机理,开展了三项特色室内试验研究:①为了模拟填筑现场复杂地形条件下的复杂应力路径,改进了K0蠕变仪使土样在试验过程中不能发生侧向变形,土样的初始围压为零,随着轴向压力逐渐增大,土样所受的侧压力也随之增大,既能测出土体的变形量,也能测出土样所受侧压力,以此来模土拟体在变程蠕过中侧压力的变化,研究比较了不同应力路径下的蠕变特性,揭示了不同地形条件下的工后沉降分布规律;②为了考虑深厚填方引发的高压应力状态以及产生的塑性流变等特点,特研发了高压三轴蠕变仪,研究了水气迁移引起的填方初始固结变形固结后期土骨架的塑性变形机理;③为了进一步考虑围压、竖向应力及含水率等作用下对加筋黄土填方力学性能的影响,研发了大尺寸三轴蠕变仪;应用此仪器进行系统模拟试验研究,建立了加筋黄土的PH模型,提出了加固效果系数β的概念,较好地描述了加筋前后黄土的综合蠕变模量。  第三,基于以上室内、外研究试,验建立了黄土高填方填筑过程及工后沉降的系统数值试验模型;研究了填料压实度、含水率、施工速率、填土厚度、沟谷两侧坡度、强夯处理深度六大因素对黄土高填方变形规律的影响机制与量化关系,高填方工包沉括降后方填体本身沉降和原地基沉降两个部分,地基强夯深度越大,原地基整体刚度越大,产生的工后沉降越小。综上研究,在相同填土厚度下,各因素对工后沉降的影响程度由大到小依次为:压实度、含水率、填土速率、强夯深度以及沟谷坡度。  最后,为了深入探讨水环境变化对高填方地基的增湿变形规律的影响,利用非饱和土渗流理论,通过系统数值试验,对地下水位上升和地表降雨入渗等水环境变化而引发的沉降变形等突出问题展开研究。结果表明:①雨强影响远不如降雨历时对工后沉降的影响,故降雨量一致时,中雨对黄土高填方的入渗效果最为显著,暴雨次之,小雨最差;②地下水位抬升对工后沉降的影响有时更大,如地下水位每抬升填筑高度的2.5%,附加的工后沉降增加14%。
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