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《昆明理工大学》 2018年
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滇池泥炭土蠕变特性研究及其在隧道长期沉降中的应用

瞿嘉安  
【摘要】:滇池泥炭土作为一种工程性质极差的超软弱土,具有有机质含量高、灵敏度高、蠕变特性显著等特点,在实际工程中将泥炭土层作为地基常常出现承载力不足、沉降过大等问题,严重制约着昆明城市的建设发展。随着昆明轨道交通建设热潮的开启,这一特殊土层给盾构隧道施工及后期运营带来了极大的困难。就目前来看,滇池泥炭土的蠕变机理研究及其对隧道长期沉降的影响,还缺乏深入系统的认识。因此,结合泥炭土的蠕变特性对盾构隧道的长期沉降问题进行研究,具有重要的理论价值和现实意义。本文通过开展室内试验,对滇池泥炭土的蠕变特性进行系统的研究,同时结合理论分析对泥炭土层中盾构施工扰动引起隧道的长期沉降问题进行推导计算。具体研究内容如下:1.测定滇池泥炭土试样的基本物理指标,同时广泛收集相关试验数据进行统计分析,重点考察土样基本物理指标与土层埋深、取样地点的联系。统计分析表明:就同地点、不同埋深泥炭土样而言,虽基本物理力学性质随着土层的埋深增加有所改善,但总体来看土样均属于高压缩性土;就不同地点、同埋深状态而言,滇池泥炭土物理力学性质之间存在着较大的离散性。因此,在实际工程建设中,对其基本物理力学指标的确定必须以具体试验为基础,依据工程经验做出预判时,必须慎重考虑。2.开展固结蠕变试验,从土样埋深、扰动状态、固结压力、试验加载方式四个方面对滇池泥炭土的次固结特性进行研究。研究表明:(1)扰动后土体结构性破坏,不同埋深扰动土样的固结屈服压力σ’在同一水平,且小于原状土样的前期固结压力P_c,试验加载方式的不同对具体P_c、σ’的数值基本无影响。(2)随着固结压力P的增大,原状土样、扰动土样所对应的各级固结系数C_v均呈减小趋势,其中原状样在P=100k Pa增加为P=200k Pa过程中,土样的C_v变化尤为显著。(3)求解固结度达到90%所需时间t_(90)和主固结时间t_c,并引入指标t_(90) t_c。研究表明:t_(90) t_c值越大土样e-lgt曲线呈反“S”型愈加明显,土样次固结变形占总变形比例越小。而分别加载方式所得t_(90)和t_c明显小于分级加载方式,土样压缩更为迅速。(4)比较次固结系数C_α与压缩指数C_c表明:埋深为34~34.5m的原状土样表现出较低的次固结特性,C_α/C_c介于0.033~0.045之间;埋深为17~17.5m、27~27.5m的原状土样、扰动土样及埋深为34~34.5m的扰动土样结果基本与前人所得结论相符,C_α/C_c在0.05~0.07之间。3.开展直剪蠕变试验,探讨滇池泥炭土在不同竖向应力、水平剪应力作用下土样的直剪蠕变特性。研究表明:(1)竖向应力和剪应力水平对土样的直剪蠕变特性有显著影响。竖向应力恒定,增大剪应力水平,剪应力-剪应变等时曲线逐渐向应变轴靠近,总蠕变量增加,对土样的非线性流变特征有明显的促进作用。(2)建立幂函数、对数函数、指数衰减函数三种直剪蠕变经验模型,并在指数衰减型经验模型的基础上,建立了描述滇池泥炭土流变特性的五元件广义Kelvin模型。4.在已有研究成果的基础上,采用五元件模型描述滇池泥炭土的流变特征,耦合Terzaghi-Rendulic二维固结理论,建立隧道衬砌在完全不透水的情况下,盾构施工扰动引起周围土体超孔隙水压力消散的控制方程。对土体竖向应变进行积分得到了隧道长期沉降的计算公式。结合工程算例分析了滇池泥炭土层超孔隙水压力消散及隧道长期沉降的变化规律,研究表明:与上海软黏土相比,在初始阶段泥炭土层中超孔隙水压力的消散速度较快,然后迅速变缓并趋于稳定。泥炭土层中隧道的长期沉降持续时间更长且沉降量更大,在900d的时间内隧道沉降趋于稳定,其累加沉降量高达150mm。此外,滇池泥炭土的流变特征显著,如将土体中超孔隙水压力消散90%作为主固结沉降完成时刻,则土体次固结沉降约占隧道总沉降量的36%,是隧道长期沉降中不可忽视的一个重要组成部分。
【学位授予单位】:昆明理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:U452.12

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【参考文献】
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