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《大连理工大学》 2017年
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某大型海上人工岛地基沉降的试验与数值模拟

李刚  
【摘要】:大型海上人工岛的沉降计算与分析关系到工程建设的成败,开展人工岛的长期沉降特性研究具有重要的理论与工程意义。本文针对某在建大型人工岛地基的长期沉降特性进行了大量试验研究与理论分析。主要研究工作包括:(一)基于人工岛岩土工程勘察资料,分析了土体物理力学参数的空间分布规律,建立了相关参数间的关系式;(二)通过一维蠕变与三轴排水蠕变试验,分别研究了不同深度原状土,在不同应力条件下的蠕变特性,并建立了相应的蠕变方程;(三)针对海上人工岛填筑设计方案,采用离心机模型试验,研究了人工岛地基在回填土荷载与海平面水位共同影响下,填筑期与工后一定时期内的沉降规律;(四)考虑固结、蠕变、Darcy渗流、非Darcy渗流及功能区荷载下,建立了人工岛地基全断面二维计算模型,采用有限元程序对人工岛地基沉降进行数值模拟。通过大量数值计算,详细地研究了地基的沉降发展规律。主要研究成果如下:(1)基于人工岛地基土体物理力学参数的统计分析,建立了压缩模量与孔隙比、压缩比与含水率、压缩系数与含水率、压缩指数与含水率、孔隙比与渗透系数、固结系数与塑性指数等关系式,便于工程设计时的指标选取。假设检验结果表明,3个单元体土体参数的分布特征差异较大,仅部分参数服从正态分布。抗剪强度指标经Bayes优化后,离散性显著减小。(2)通过一维蠕变试验,研究了不同深度黏性土的一维蠕变特性。试验结果表明,土体应变与固结时间随固结压力的增加而增大,孔隙比随固结时间与固结压力的增加而减小。在固结压力施加后的100 min,主固结基本完成。次固结系数随固结时间的增加而减小,随固结压力的增加而增大。次固结系数与固结压力近似为线性关系,不同深度土样的次固结系数与压缩指数的比值介于0.033~0.058之间。基于蠕变试验结果,结合假设B(固结与蠕变同时发生)建立了一维蠕变方程。(3)通过三轴排水蠕变试验,研究了不同深度黏性土的排水蠕变特性。试验结果表明,在低偏应力下,蠕变曲线表现为衰减蠕变,并具有剪缩性;在破坏偏应力下,蠕变曲线表现为加速蠕变,并具有剪缩、剪胀交替性。不同偏应力施加后的4000min内,土样变形基本达到稳定状态。轴向应变速率随蠕变时间的增加而减小,随偏应力的增加而增大,偏应力对m值(曲线斜率)的影响较小。基于蠕变试验结果,建立了可描述加速蠕变特征的改进Mesri蠕变方程。(4)通过离心机模型试验,在160g离心加速度下,研究了人工岛地基60m下卧土层与22 m填筑砂石料层的长期沉降特性。试验结果表明,填筑施工结束时地表沉降达到了 257 cm。施工结束后,0~1500 d的地表沉降速率较大,1500 d后的沉降速率基本不变。地基浅部土层的超孔压消散较快,而深部土层的超孔压消散较慢。试验结束时(约为15.8 a),工后沉降达到了 157 cm,12 m与59 m深度土体的固结度分别为36.5%与 11.6%。(5)人工岛地基长期沉降的数值模拟。考虑非Darcy渗流下,建立了渗流固结方程与有限元方程,并编写了相应计算程序。考虑固结、蠕变、功能区荷载、Darcy与非Darcy渗流影响下,针对海上人工岛地基典型剖面,建立了长为4000 m、最大厚度为63 m的二维沉降计算模型,通过数值计算分析了地基沉降与超孔压分布规律。计算结果表明,计算结束时(100 a),人工岛各功能区沉降不均,最大与最小沉降分别为288 cm与197 cm,差异沉降明显。深部土层超孔压消散较慢,航站区与土面区超孔压分别消散了 78.5%与31%,表明人工岛地基沉降尚未结束,应引起高度重视。与Darcy渗流结果相比,非Darcy渗流下的地基沉降量较小,而超孔压相对较大,表明非Darcy渗流延缓了人工岛地基的沉降,所需固结稳定时间更长。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:P75

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