豎井地基熱固結(jié)模型試驗(yàn)及有限元分析.pdf

1、有關(guān)“熱”的研究是目前巖土工程領(lǐng)域的一個重要課題，在核廢料處置、地下結(jié)構(gòu)防護(hù)以及能源儲存與輸送等方面均有良好的研究應(yīng)用背景，國內(nèi)外關(guān)于溫度效應(yīng)對工程影響的研究已有大量的成果，但將“熱”作為一種地基處置技術(shù)，以改變巖土性質(zhì)，加速地基處理過程的嘗試并不多見。本文針對“熱排水固結(jié)法”這一新型地基處理技術(shù)，從理論、試驗(yàn)和有限元三方面開展了豎井地基熱固結(jié)問題的研究。
　　(1)基于前人研究成果，從熱彈性理論、滲流理論和熱傳導(dǎo)理論，結(jié)合達(dá)西定

2、律、有效應(yīng)力原理，并考慮溫度對土體物理力學(xué)性質(zhì)的影響，推導(dǎo)、建立了飽和土熱固結(jié)的控制方程。從理論上解釋了熱固結(jié)問題的耦合作用機(jī)理，為開展相應(yīng)的試驗(yàn)研究和建立有限元耦合模型奠定了理論基礎(chǔ)。
　　(2)選取寧波飽和軟黏土，在溫控動三軸試驗(yàn)儀上開展不同溫度、圍壓下的熱固結(jié)試驗(yàn)，并進(jìn)行了理論分析。結(jié)果表明：對軟黏土而言，溫度主要通過影響土中水的粘滯系數(shù)來提高土體的滲透系數(shù)，進(jìn)而加速土體的固結(jié)過程；溫度越高，土體的固結(jié)越快，土體的固結(jié)度也越

3、高；溫度差值越大，土體固結(jié)度差值越大；不同溫度條件下的土體固結(jié)度差值隨時間先迅速增大至極值，隨后再逐漸減小至零；理論計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果相互驗(yàn)證。因此，溫度效應(yīng)主要體現(xiàn)在土體前小半段排水固結(jié)過程中，而且溫差越大，溫度效應(yīng)越明顯。
　　(3)在室溫28.6℃和水熱循環(huán)溫度70℃下分別開展寧波軟黏土排水固結(jié)和熱排水固結(jié)模型試驗(yàn)研究，測試并討論了模型中溫度、孔隙水壓力和表面沉降變化規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明：熱排水固結(jié)法可加速模型的固結(jié)，固結(jié)度達(dá)到9

4、0％所需時間較之排水固結(jié)法顯著減少；經(jīng)過溫度歷史后，地表最終沉降量增加，土的抗剪強(qiáng)度有所提高，增強(qiáng)了地基處理效果；在此基礎(chǔ)上，結(jié)合已有先期固結(jié)壓力隨溫度變化理論，按 e-logp曲線法建立熱排水固結(jié)法的沉降計(jì)算公式，對豎井地基地表沉降進(jìn)行理論計(jì)算，與實(shí)測沉降的對比表明理論計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，初步驗(yàn)證了沉降計(jì)算公式的合理性及適用性。
　　(4)采用非等溫管道流模擬豎井中 U型導(dǎo)熱管的傳熱過程，考慮溫度對豎井?dāng)_動區(qū)和未擾動區(qū)滲透性

5、的影響，利用 COMSOL有限元軟件建立了豎井地基熱排水固結(jié)法的有限元模型，獲得了豎井地基熱排水固結(jié)模型試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果，并利用試驗(yàn)結(jié)果對有限元耦合模型進(jìn)行了驗(yàn)證。最后，對一經(jīng)典有涂抹區(qū)的單井地基算例分耦合、部分耦合和不耦合三種工況進(jìn)行模擬。結(jié)果表明：相對于排水固結(jié)法的不耦合情況，部分耦合工況下溫度產(chǎn)生附加孔壓延緩了地基固結(jié)的發(fā)展，固結(jié)速率有所減慢；耦合工況下溫度雖會產(chǎn)生附加孔壓，但溫度有效地改善了豎井涂抹區(qū)土體的滲透特性，地基的固結(jié)速率加