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超高填方及其上部建筑物基础变形控制研究

刘小文  
【摘要】:随着西部的大开发和基础建设的大发展,出现了许多高填方工程。高填方工程最明显的特点是填方高度大,填料自重应力引起的填筑体的自身压缩沉降及地基沉降较大。为了满足上部结构物对变形的要求,对填筑体的工后沉降变形要求严格;高填方的沉降变形控制已成为高填方设计中面临的最重要课题之一。对于受到水浸湿的高填方体(如三峡库区城镇建设中常见的情况),浸水后土颗粒间受水的润滑,在自重或外荷作用下,会重新调整排列,引起湿化变形。许多土石坝在初次蓄水时产生上游坝壳料的下移和侧移就是湿化变形的例证,反复的水位升降同样会产生后续的湿化变形;因此,对高填方体地基,浸水产生的湿化沉降和位移不容忽视。 当地基不能满足上部结构的变形要求时,常常采用复合地基;复合地基具有提高地基承载力、改善地基的变形,减小在荷载作用下沉降和不均匀沉降的功能。但目前复合地基理论还处于发展中,复合地基沉降计算理论还不成熟,现有的计算方法主要是结合经验提出的,故有必要在这方面作进一步的研究。而在超高填方地基中复合地基的应用研究更是急待开拓。 重庆市巫山县新城污水处理厂位于巫山县新城长江边二道沟内,场地地形地貌险恶,水文地质条件十分复杂。该工程场坪(高程179.0m)由填筑而成,最大填方高度达60余米(自清基面计算,高75米)。填方体175m高程以下处于三峡水库水位升降幅度范围内,必须考虑库水位升降、入渗所带来的湿化变形这一复杂因素。高填方项面布置有污水处理池及氧化沟等建筑物,上部结构对地基变形要求相当严格,要求工后总沉降s≤10cm,不均匀沉降△s≤2cm。为控制不均匀沉降,在一期氧化沟基础下设计中采用了刚性桩复合地基。 本文以该复杂条件下的高填方工程为研究对象,对高填方受库水入渗所带来的湿化变形及其上部建(构)筑物基础下复合地基沉降变形进行分析研究,对填方体变形控制进行了系统的全方位的研究。主要内容包括以下几个方面: 1.系统地分析了土料的湿化变形机理、影响湿化变形的因素及预防湿化变形的措施。并指出土体中的矿物颗粒、孔隙中的水和气体对土的性状均有着巨大的影响。由大颗粒组成的土体中存在大孔隙,粒间接触应力大,在浸水及受压力的作用下,结构很容易发生变化,由疏松变得致密,浸湿过程产生的湿化变形比由极微细的分 散颗粒组成的土体大;毛细水和重力水在湿化过程中,其含量很容易发生变化;而 水分子与土体中气体相互作用可以使水分子排挤气体,同时在土体压力作用下,土 体中的一些气体得以排出或水分子可以溶解部分气体,使气体在土体中所占的体积 明显减小,这些共同作用的结果,使得土体在浸水前后发生体积改变。 湿化变形明显与否取决于土体的湿度、气体含量、压力、土体的密度及颗粒大 小级配等。为减小湿化变形的影响,可以采取提高坝体的填筑密实度,偏湿填筑, 采取预湿化等措施。 2.从非饱和渗流的基本理论出发,阐述了土水势组成、土壤水分特征曲线的特 点、常用的经验公式、渗透系数与基质吸力或含水率的函数模型,给出了饱和一非 饱和渗流数学模型,定解条件,定解条件下的有限元方程形式。 利用饱和一非饱和渗流程序对一土坝算例进行了降雨入渗条件下非饱和区渗流 分析,得出了不同降雨强度和降雨持续时间对土坝非饱和区含水率变化规律和湿化 影响规律。降雨强度大时(相对土体渗透能力),表层土体较易达到饱和,并且降雨影 响深度也大,湿化变形影响大;降雨持续时间越长,表层土体也较容易达到饱和, 并且其影响深度也大,因此湿化变形影响也大。不管降雨强度如何,坝顶和坝坡中 上部比坡体的中下部更容易浸湿,受到湿化变形影响更大。 文中还对本课题高填方在三峡库水入渗下的浸水过程进行了模拟。 3.分析讨论了湿化变形计算原理、现有的湿化引起的附加变形的计算方法及其 存在的问题;编制了可以模拟分级加荷、考虑湿化变形的Duncan一℃hang非线性应 力应变计算程序。 4.对本课题高填方工程进行了两种不同填筑干密度(19.okN/m3和18.okN/m3)下 高填方体分别受三峡库水浸湿的湿化变形预测。分析了不同初浸水高度下湿化引起 的填方体应力、变形的规律。浮力作用可使填方体的应力减小,而湿化作用可使浸 水土体产生较大的附加沉降;土体密实度高,产生的附加沉降小,当初浸水高度为 填方体高度的2/3时,湿化产生的附加沉降达最大。结果表明,采用填筑干密度为 19.okN加3,填筑含水量为12.2%,填方体顶面最大沉降为2.2cm,完全满足工程对 沉降要求;而采用填筑干密度为18.okN/m3,填筑含水量为12.2%,填方体顶面最大 沉降达12cm,不能满足土程对沉降要求,该结果对该工程的设计具有重要的意义。 5.针对高填方土体上污水处理厂氧化沟下复合地基加固区复合弹性模量很大 (特别是刚性桩复合地基),剪切模量较小,剪切模量与复合弹性模量不满足弹性力学 中E=ZG(1+刀)关系的特点,提出了用双参数模型来描述整个复合地基。推导了双 参数地基上地基一板系统的解析解表达式,分析了地基参数对基底变形影响。 同时还建立了用双参数模型模拟复合地基的


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