基于离心模型试验的饱和土固结理论研究
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摘要
土工离心模型试验不仅是当今岩土工程领域中用于相关研究的重要试验手段之一,而且也是各类物理模型试验中相似性最好的模型试验。离心模型试验技术是通过离心加速度的改变来模拟重力场,以实现对众多土工构筑物相关工况的模拟。在较高的离心力场作用下,离心加速度及模型高度的变化对饱和土体固结理论是否适用,这直接关系到离心力场中试验结果的可靠性。鉴于离心模型试验技术的研究现状,论文首先通过系统的试验研究及理论分析,研究了固结理论在离心力场中的适用性条件,同时对固结的时间比尺进行了修正,在此基础上,研究了区域软土的固结性状和工程特征。论文的主要研究工作如下:
     1.自主研制了可以模拟饱和土体不同固结状态的离心模型试验装置,该试验装置能适用于离心力场中区域土体的固结性状研究,同时可以有效减少模型试验装置侧壁摩阻力和固结排出的多余水分对试验结果的影响,减小由于离心加速度分布不均匀造成的试验误差。
     2.在不同离心力场作用下,针对饱和砂土开展了一维固结离心模型试验。基于对固结试验过程中土体沉降变形随时间的变化曲线、孔隙水压力随时间的变化曲线,以及固结试验时间和理论计算时间的对比分析,发现即使是在5g的低离心力场中,一维固结理论已经不适用于分析饱和砂土的试验特征。这一现象的主要原因是在较高的离心力场作用下,砂土中水的渗流速度过快,水流已呈现紊流(甚至射流)状态,不符合达西定律。
     3.针对不同地域的典型饱和软土,进行了不同离心加速度下的模拟试验研究,通过数值计算和理论对比分析,提出了饱和软土固结理论在离心模型试验中的适用条件,并给出了相关离心加速度设定的合理范围。
     4.通过典型区域饱和软土的多组离心模型试验时间与理论计算时间的对比分析,明确了不均匀离心力场对饱和软土固结试验结果的影响较大,提出了太沙基一维固结理论已不适用于离心力场下的试验分析。在离心力场下,必须考虑土体自重的影响,推荐采用Gibson一维固结理论对试验结果进行计算研究。
     5.在对多组离心模型固结试验和大变形固结理论分析的基础上,结合以往研究成果,基于土水体系中的势能概念、达西定律、理论力学和离心力场中土体的受力特点等,推导了离心固结试验的时间比尺修正式,并通过对不同区域饱和土体的离心固结模型试验进行研究,给出了时间比尺修正系数的取值范围。
     6.以杭甬高速公路和蒲渭高速公路为工程依托,分别针对软黏土地基和饱和黄土地基,进行了实际工况的离心模拟试验和三维数值计算的对比分析,试验中引入了相应的时间比尺修正式,论证了应用修正式计算饱和土体离心模拟固结试验时间的方法是可行的。
The geotechnical centrifuge model test is not only one important experimental tool in the current field of geotechnical engineering, but also the best similarity model test in various types of physical model test. Centrifuge model test technique is adopted to simulate gravity field by changing centrifugal acceleration, in order to simulate the related conditions of many geotechnical structures. Whether saturated soil consolidation theory is applicable by changing centrifugal acceleration and the hight of test model under the effect of high centrifugal force field, which is directly related to the reliability of test results in the centrifugal force field. View of current research of centrifuge model test technique, firstly, through a systematic experimental research and theoretical analysis, the applicability conditions of consolidation theory in the centrifugal force field were researched. Then the time scale of consolidation was amended. And consolidation behavior and engineering characteristics of regional soft soil were studied.
     The main research work is as follows:
     1. Centrifugal consolidation model test device was designed in the centrifuge model box, which can be reasonably used in consolidation behavior of regional soil studies in the centrifugal force field. At the same time, the test device can effectively reduce side friction of the experimental device and the impact of the experimental results by the consolidation discharged water. And then experimental error due to uneven distribution of centrifugal acceleration on the model was reduced.
     2. Under the conditions of different centrifugal acceleration, the saturated sand was analyzed by one-dimensional consolidation tests. Based on the research on the soil settlement process of consolidation test curves with time and pore water pressure variation curve with time, and comparative analysis of the time of consolidation tests and theoretical, it was found that even in the low centrifugal force field of5g, one-dimensional consolidation theory was not used to analyze the characteristics of saturated sand test. For the inviscid saturated pure sand, because the water flow velocity in the soil particles is too fast, the water flow show turbulent flow state and don't meet the Darcy's law. In the centrifuge model tests, the application of Terzaghi one-dimensional consolidation theory is limited.
     3. For typical saturated soft soil in different regions, in different centrifugal acceleration field, the centrifugal consolidation model tests were carried out. Through the comparative analysis of numerical calculation and theoretical, applicability conditions of soft soil consolidation theory in centrifuge model test was proposed, and reasonable limits of centrifugal acceleration was given.
     4. Through the comparative analysis of multiple sets of centrifuge model test time and calculated time for soft soil on typical area, uneven distribution of centrifugal acceleration on the model had a greater impact on the results, and Terzaghi one-dimensional consolidation theory was not applicable to the test in centrifugal force field. In the centrifugal force field, the impact of soil weight must be considered, Gibson one-dimensional consolidation theory was recommended for calculation of test results.
     5. On the basis of a large number of centrifuge consolidation model tests and large-strain consolidation theory, combined with previous research, based on potential energy of soil water system, Darcy-theory, theoretical mechanics and the mechanical characteristics of soil in the centrifugal field, time scale correction formula of centrifuge consolidation test was derived. Through the centrifuge consolidation model tests of the saturated soil in different regions were studied, given the range of time scale correction factor.
     6. Based on the project of Hangzhou-Ningbo Expressway and Pucheng-Weinan Expressway, respectively, for saturated soft clay and loess, the centrifuge tests of simulation of actual working conditions and numerical calculations were compared, and introduced in the corresponding experimental time scale modified. And the feasibility of correction formula is validated by centrifugal model test of saturated basic theory and the engineering.
引文
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