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《兰州理工大学》 2017年
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湿陷性黄土劈裂注浆理论分析及试验研究

王腾  
【摘要】:虽然注浆技术在岩土工程中的基坑支护、边坡支护、地基处理、桩基工程、基础托换工程以及建筑物的加固工程等方面广泛应用,对注浆理论的研究的也在不断深入,但是湿陷性黄土地区注浆形式及注浆理论的研究却少有报道。本文在国家自然科学基金的资助下,通过采用室内实验、理论分析、数值模拟与新技术的现场试验的研究方法,对湿陷性黄土地区劈裂注浆在工程加固中的应用理论和应用技术进行研究。系统地阐述了浆液的性能及影响因素,结石体抗腐蚀性能及机理,黄土破损特性,劈裂注浆裂纹扩展的影响因素及劈裂注浆过程土体应力场、渗流场及位移场的变化规律。最后基于上述试验及理论发明了一种注浆管底部反向增压定向输出的装置及湿陷性黄土劈裂注浆施工新的方法。(1)劈裂注浆用浆液基本性能试验及其微观特征。通过对纯水泥浆液及水泥基浆液在不同因素影响下的性能进行了试验研究,并对其结石体的抗腐蚀性能进行了分析。试验表明,不同因素对浆液性能的影响存在差异,对其生成的结石体耐久性有影响。本文结合湿陷性黄土地区的特点,提出了不同条件下的最优配合比设计,为湿陷性黄土地区注浆工程浆液的选择提供了参考。(2)湿陷性黄土破损特性。通过对原状与重塑黄土的三轴剪切试验、原状与裂缝黄土的单轴拉伸试验以及黄土的湿陷破坏试验对黄土的破裂特性进行试验研究,设计了水力断裂法试验测试了不同工况下的黄土断裂韧度。黄土的结构性强度与黄土的含水率、干密度、孔隙比、基质吸力及内部裂缝面等参数有关。其在水力压裂下的破坏不是单一的压裂破坏,与土体的其它参数具有相关性。(3)基于圆孔扩张理论的劈裂注浆控制压力研究。以Drucker-Prager修正准则的圆孔扩张理论为依据,根据土体在平面应变状态下的的应力-应变关系、大变形理论,考虑排水条件、不排水条件及水力致裂条件,对劈裂注浆浆泡周围弹性区及塑性区土体的应力场、位移场进行了分析,对其压力的设计计算理论进行了研究,提出了适合于湿陷性黄土地段注浆的劈裂注浆压力设计计算方法。对三种条件的理论值与实测结果进行了对比,结果表明实测规律与理论规律相符,证明该理论对湿陷性黄土劈裂注浆压力设计有一定的工程应用价值。(4)黄土劈裂注浆劈裂压力影响因素及裂纹扩展形式。利用断裂力学理论推导了劈裂注浆裂纹扩展方程,通过建立有限元模型,分析了土体裂纹在压力作用下的自由扩展形态及影响因素。并通过设计四种工况的模型试验对推导理论及有限元分析结果进行了验证。(5)恒流量注浆条件下土体各场的变化规律。基于宾汉姆流体本构模型,引入半无限空间受力分析,建立了恒流量注浆条件下的浆液扩展方程。以土体扩展过程的损伤演化方程为基础建立了流固-损伤耦合有限元方程。通过对单孔注浆的各场的变化情况及双孔同时注浆时的相互影响进行研究。对湿陷性黄土劈裂注浆过程中土体裂纹扩展机制、裂纹形态及裂纹延伸力学机制等问题进行了探讨。(6)湿陷性黄土劈裂注浆新技术及其试验。通过断裂力学理论根据能量守衡原理,从能量耗散的角度研究了土体的劈裂机理,得出了裂纹扩展的能量释放率与土体断裂韧度的关系,分析了裂缝不稳定状态的条件。基于此,发明了一种注浆管底部方便反向增压定向输出的装置,通过上部止浆塞与其协同工作,使压力集中传输到开口位置,达到降低能量损耗、精准控制压力的目的,使劈裂注浆技术在湿陷性黄土地区可以轻松推广。
【学位授予单位】:兰州理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TU444

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