熱排水固結(jié)法作用機(jī)理及模型試驗(yàn)研究

本項(xiàng)目圍繞熱排水固結(jié)法的作用機(jī)理及加固效果開展試驗(yàn)、理論和數(shù)值研究，首先從溫度對土的粘滯性、滲透性影響出發(fā)，闡明了熱排水固結(jié)法的可行性；對不同溫度作用下土(正常固結(jié)和超固結(jié)土OCR，不同加載條件和應(yīng)力路徑)的變形、強(qiáng)度開展了系統(tǒng)的研究，獲得了溫度對土體變形和強(qiáng)度有較大改善的結(jié)果；進(jìn)而開展了多組模型試驗(yàn)，包括單井、群井條件，不同溫度作用，并與常溫條件下的工況進(jìn)行了對比，揭示了溫度對軟基處理具有明顯的作用效果，可以加速水的排除，縮短軟基處理時間，提高土的強(qiáng)度，減小工后沉降；最后，通過建立考慮溫度影響的非線彈性本構(gòu)、考慮先期固結(jié)壓和應(yīng)力路徑影響的熱彈塑性本構(gòu)模型，并以三軸試樣、模型試驗(yàn)為原型開展數(shù)值計(jì)算，獲得不同溫度、耦合與不耦合模型對熱排水固結(jié)軟基處理結(jié)果的影響。結(jié)合研究計(jì)劃執(zhí)行情況，本項(xiàng)目基本完成了各項(xiàng)研究目標(biāo)，從理論、試驗(yàn)和機(jī)理上較好地闡明了熱排水結(jié)法機(jī)理，為熱排水結(jié)法的實(shí)際應(yīng)用提供了理論依據(jù)。 2100433B

熱排水固結(jié)法是一項(xiàng)新型的、非常有潛力的軟基處理技術(shù)，在溫度、應(yīng)力和滲流復(fù)雜加載條件下，熱排水固結(jié)作用機(jī)理、加固效果評價和設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化等是亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。為此，本項(xiàng)目采用室內(nèi)試驗(yàn)、模型試驗(yàn)、理論建模和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對豎井涂抹區(qū)和未擾動區(qū)土體開展熱滲透、熱變形和熱應(yīng)力路徑試驗(yàn)，定量地分析熱滲透、熱硬化、熱軟化等溫度效應(yīng)及其演化規(guī)律，揭示熱排水固結(jié)法作用機(jī)理。其次，開展熱排水固結(jié)與排水固結(jié)模型試驗(yàn)，評價熱排水固結(jié)法的有效性及其加固效果。在此基礎(chǔ)上，建立黏性土應(yīng)力路徑熱彈塑性本構(gòu)方程和數(shù)值計(jì)算模型，對熱排水固結(jié)試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行數(shù)值模擬，并與模型試驗(yàn)結(jié)果相互驗(yàn)證，進(jìn)而優(yōu)化熱排水固結(jié)法設(shè)計(jì)參數(shù)，提出相應(yīng)的技術(shù)措施。研究成果一方面可揭示復(fù)雜環(huán)境條件下軟土的力學(xué)特性，發(fā)展多物理場土力學(xué)，促進(jìn)學(xué)科交叉，另一方面為我國軟土地區(qū)熱排水固結(jié)法的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供重要的科學(xué)和技術(shù)支撐。

熱交換樁技術(shù)是與樁基工程協(xié)同施工的、新的建筑節(jié)能技術(shù)。在長期熱循環(huán)作用下，樁土力學(xué)特性、界面荷載傳遞及作用機(jī)理等是亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。為此，本項(xiàng)目采用室內(nèi)試驗(yàn)、模型試驗(yàn)、理論建模和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，首先對樁周土開展熱排水三軸剪切試驗(yàn)、熱固結(jié)試驗(yàn)，定量地揭示溫度對土的強(qiáng)度、固結(jié)和應(yīng)變累積特性的影響，判定土的熱硬化或軟化規(guī)律；其次采用模型試驗(yàn)方法，開展不同溫度增量及循環(huán)加熱/卸熱作用下的樁基靜載荷試驗(yàn)及測試，揭示熱交換樁的長期熱循環(huán)作用機(jī)理；在此基礎(chǔ)上，建立樁土界面剪應(yīng)力-位移模型及樁土系統(tǒng)數(shù)值模型，將計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果相互驗(yàn)證，評價長期熱循環(huán)效應(yīng)對樁基承載力的影響，進(jìn)而優(yōu)化熱交換樁的設(shè)計(jì)計(jì)算，提出相應(yīng)的技術(shù)措施。本項(xiàng)目一方面旨在揭示復(fù)雜環(huán)境條件對熱交換樁基礎(chǔ)工程特性的影響，促進(jìn)學(xué)科交叉，另一方面為熱交換樁基礎(chǔ)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供必要的科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。

本項(xiàng)目圍繞熱交換樁，采用室內(nèi)試驗(yàn)、模型試驗(yàn)、理論和數(shù)值方法，開展了長期熱循環(huán)下樁土力學(xué)特性及作用機(jī)理研究。首先采用溫控靜動三軸儀，開展了不同溫度（25℃、45℃和65℃）、不同圍壓（100kPa、150kPa、200kPa）及先加溫后剪切、先剪切后加溫條件下寧波軟黏土的熱力學(xué)特性，分析了溫度對土的應(yīng)力~應(yīng)變及抗剪強(qiáng)度等指標(biāo)的影響。其次，研制了大型溫控固結(jié)儀，開展了循環(huán)溫度下土的固結(jié)試驗(yàn)，獲得土的e~p、e~logp曲線及壓縮系數(shù)等指標(biāo)；在廣義三元件模型、西原模型基礎(chǔ)上，引入考慮溫度影響的元件參數(shù)，建立了耦合溫度的三元件流變模型和西原模型，探討了的熱流變固結(jié)性狀。第三，以寧波軟黏土為對象，開展預(yù)制熱交換樁樁-土模型試驗(yàn)，研究了溫度對樁身軸力、樁側(cè)摩阻力、樁頂位移、樁身應(yīng)力應(yīng)變、土體孔壓、地表沉降等的影響規(guī)律，揭示了長期熱循環(huán)作用對樁基承載特性的影響。最后，考慮能源樁樁土界面法向溫度應(yīng)力增量對初始剪切剛度的影響，對傳統(tǒng)樁土界面荷載傳遞雙曲線模型進(jìn)行修正，建立了考慮溫度影響的樁土界面荷載傳遞模型，分析了溫度對能源樁側(cè)摩阻力的影響；并基于上負(fù)荷面、tij和溫度等價應(yīng)力概念，提出了可考慮超固結(jié)比、結(jié)構(gòu)性、溫度效應(yīng)和中間主應(yīng)力的黏土熱彈塑性本構(gòu)模型，并進(jìn)行二次開發(fā)，在Abaqus程序中開展熱交換樁基承載特性數(shù)值模擬，計(jì)算獲得不加熱(室溫30℃)、加熱至45℃(60℃)、先加熱至45℃(60℃)再自然降溫至30℃、先加熱至45℃再自然降溫至30℃(進(jìn)行兩次循環(huán)加熱)六種工況及30℃→45℃→30℃(兩次循環(huán))工況下樁土溫度、應(yīng)力、孔壓時程曲線，荷載沉降、樁側(cè)阻力、樁身軸力，進(jìn)一步闡明長期熱循環(huán)作用對樁基承載特性的影響機(jī)理；利用有限元模型，計(jì)算分析了長期熱循環(huán)作用下熱交換樁有承載力特性，評價了長期熱循環(huán)作用對熱交換樁基礎(chǔ)承載力設(shè)計(jì)的影響，并提出了長期熱循環(huán)作用下樁端和樁側(cè)后注漿對熱交換樁附加沉降的控制措施。 2100433B