熱排水固結法作用機理及模型試驗研究項目簡介

熱排水固結法是一項新型的、非常有潛力的軟基處理技術，在溫度、應力和滲流復雜加載條件下，熱排水固結作用機理、加固效果評價和設計參數優(yōu)化等是亟待解決的關鍵科學問題。為此，本項目采用室內試驗、模型試驗、理論建模和數值模擬相結合的方法，對豎井涂抹區(qū)和未擾動區(qū)土體開展熱滲透、熱變形和熱應力路徑試驗，定量地分析熱滲透、熱硬化、熱軟化等溫度效應及其演化規(guī)律，揭示熱排水固結法作用機理。其次，開展熱排水固結與排水固結模型試驗，評價熱排水固結法的有效性及其加固效果。在此基礎上，建立黏性土應力路徑熱彈塑性本構方程和數值計算模型，對熱排水固結試驗模型進行數值模擬，并與模型試驗結果相互驗證，進而優(yōu)化熱排水固結法設計參數，提出相應的技術措施。研究成果一方面可揭示復雜環(huán)境條件下軟土的力學特性，發(fā)展多物理場土力學，促進學科交叉，另一方面為我國軟土地區(qū)熱排水固結法的設計和應用提供重要的科學和技術支撐。

本項目圍繞熱排水固結法的作用機理及加固效果開展試驗、理論和數值研究，首先從溫度對土的粘滯性、滲透性影響出發(fā)，闡明了熱排水固結法的可行性；對不同溫度作用下土(正常固結和超固結土OCR，不同加載條件和應力路徑)的變形、強度開展了系統的研究，獲得了溫度對土體變形和強度有較大改善的結果；進而開展了多組模型試驗，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、考慮先期固結壓和應力路徑影響的熱彈塑性本構模型，并以三軸試樣、模型試驗為原型開展數值計算，獲得不同溫度、耦合與不耦合模型對熱排水固結軟基處理結果的影響。結合研究計劃執(zhí)行情況，本項目基本完成了各項研究目標，從理論、試驗和機理上較好地闡明了熱排水結法機理，為熱排水結法的實際應用提供了理論依據。 2100433B

熱交換樁技術是與樁基工程協同施工的、新的建筑節(jié)能技術。在長期熱循環(huán)作用下，樁土力學特性、界面荷載傳遞及作用機理等是亟待解決的關鍵科學問題。為此，本項目采用室內試驗、模型試驗、理論建模和數值模擬相結合的方法，首先對樁周土開展熱排水三軸剪切試驗、熱固結試驗，定量地揭示溫度對土的強度、固結和應變累積特性的影響，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及測試，揭示熱交換樁的長期熱循環(huán)作用機理；在此基礎上，建立樁土界面剪應力-位移模型及樁土系統數值模型，將計算結果與模型試驗結果相互驗證，評價長期熱循環(huán)效應對樁基承載力的影響，進而優(yōu)化熱交換樁的設計計算，提出相應的技術措施。本項目一方面旨在揭示復雜環(huán)境條件對熱交換樁基礎工程特性的影響，促進學科交叉，另一方面為熱交換樁基礎的優(yōu)化設計提供必要的科學依據和技術支撐。

本項目圍繞熱交換樁，采用室內試驗、模型試驗、理論和數值方法，開展了長期熱循環(huán)下樁土力學特性及作用機理研究。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特性，分析了溫度對土的應力~應變及抗剪強度等指標的影響。其次，研制了大型溫控固結儀，開展了循環(huán)溫度下土的固結試驗，獲得土的e~p、e~logp曲線及壓縮系數等指標；在廣義三元件模型、西原模型基礎上，引入考慮溫度影響的元件參數，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性狀。第三，以寧波軟黏土為對象，開展預制熱交換樁樁-土模型試驗，研究了溫度對樁身軸力、樁側摩阻力、樁頂位移、樁身應力應變、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力增量對初始剪切剛度的影響，對傳統樁土界面荷載傳遞雙曲線模型進行修正，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摩阻力的影響；并基于上負荷面、tij和溫度等價應力概念，提出了可考慮超固結比、結構性、溫度效應和中間主應力的黏土熱彈塑性本構模型，并進行二次開發(fā)，在Abaqus程序中開展熱交換樁基承載特性數值模擬，計算獲得不加熱(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、應力、孔壓時程曲線，荷載沉降、樁側阻力、樁身軸力，進一步闡明長期熱循環(huán)作用對樁基承載特性的影響機理；利用有限元模型，計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承載力設計的影響，并提出了長期熱循環(huán)作用下樁端和樁側后注漿對熱交換樁附加沉降的控制措施。 2100433B