高填方蠕变沉降计算方法研究

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随着我国经济的发展,机场、铁路、高速公路等交通基础设施的建设逐渐向面积广阔的山区发展。在山区进行交通基础设施建设,往往需要削山填谷,才能有足够大的平整场地进行建造。所以高填方工程的建设日益增多。高填方工程具有填土高度高,土方体量大等特点,决定了高填方和原地基在填筑结束后会在高自重应力作用下产生长期的蠕变沉降。而机场跑道、铁轨和高速公路路面等需要待填方土体沉降达到稳定后才能进行铺设。否则,过大的沉降和不均匀沉降会严重威胁其安全运营。因此,高填方地基沉降问题备受广泛关注。对高填方工程的蠕变沉降做出准确计算,对其沉降发展趋势进行合理预测,对于高填方工程的安全运营以及事故防治具有重要意义。有鉴于此,本文开展的主要研究工作和取得的创新性成果如下:(1)在传统幂律模型基础上发展出了能统一描述细粒土和粗粒土一维蠕变变形规律的修正幂律模型。高填方的填料往往采用挖方区的土石混合料,其蠕变特性由细粒土和粗粒土的蠕变特性共同决定。细粒土的蠕变曲线一般采用经典的半对数描述,而大量实验研究表明,幂律模型相较半对数模型更适合粗粒土的蠕变描述。通过黏土、砂土和黏土混合土的固结试验分析了细粒土和粗粒土的一维蠕变规律,并在幂律模型基础上提出了修正幂律模型。然后通过土石混合料的一维蠕变试验数据验证了所提模型的适用性。(2)借鉴分层总和法的沉降计算思想,在修正幂律模型基础上提出了高填方蠕变沉降简化算法。分层总和法假定地基土仅发生竖向压缩变形而无侧向变形,通过各分层压缩量叠加得到最终沉降。与此类似,通过一维蠕变实验获得各分层土的修正幂律模型参数后可以计算出各分层的蠕变沉降,然后进行叠加即可得到高填方的蠕变沉降。由于施工环境和工期等因素影响分层土的参数获取,将高填方和原地基看作一个土层,进而提出了高填方蠕变沉降简化算法,并通过三个机场高填方的监测数据验证了所提算法的准确性和可靠性。(3)基于三维地质体高精度建模的高填方蠕变沉降数值反演计算。以有限元为代表的数值方法已广泛应用于高填方的沉降计算。其中对沉降预测准确性影响最大的是几何模型的精度和本构模型的参数。在几何模型精度方面,根据现场勘察获取的岩土层等高线的CAD图建立高精度的三维地质体,然后导入有限元前处理软件进行网格划分。在本构模型参数方面,以沉降监测数据为目标,在参考室内试验参数的基础上,通过优化算法来反演本构模型参数。以承德机场为例,验证了所应用方法(Auto CAD→Rihino→Hypermesh→Isight+Abaqus)在高填方数值反演计算方面的可行性和准确性。
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