斜坡上復(fù)合襯墊系統(tǒng)剪力傳遞機理模型試驗和數(shù)值模擬

本項目所有研究內(nèi)容均按原定計劃執(zhí)行，目前已滿額完成既定研究任務(wù)，達到了預(yù)期的研究目標和成果。 在試驗方面，測試獲得了我國典型土工合成材料的拉伸及抗剪強度特性，揭示了土工膜/GCL界面膨潤土擠出機理，研制了復(fù)合襯墊系統(tǒng)大型斜坡試驗裝置，揭示了襯墊系統(tǒng)界面軟化對上覆材料拉力的影響，研制了離心模型垃圾樣和模型土工膜，開發(fā)了斜坡襯墊系統(tǒng)離心模型試驗裝置，揭示了垃圾沉降、坡度、界面強度等對襯墊系統(tǒng)拉力的影響規(guī)律。 在理論模擬方面，針對我國城市生活垃圾沉降變形大的特點，采用FLAC軟件進行了土工膜在垃圾大變形下的受力分析，并采用試驗結(jié)果進行了驗證，獲得了各種關(guān)鍵因素，如邊坡坡角、填埋層數(shù)、上下界面強度、導排層等，對土工膜拉力的影響，揭示了土工膜拉力的產(chǎn)生機理。 在工程應(yīng)用方面，提出了襯墊系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方法、襯墊系統(tǒng)界面剪切強度參數(shù)選擇方法等，已被吸收到課題承擔單位主編的行業(yè)標準《生活垃圾衛(wèi)生填埋場巖土工程技術(shù)規(guī)范》（CJJ176-2012）。研究成果先后應(yīng)用于杭州天子嶺、蘇州七子山等大型填埋場，取得了顯著的經(jīng)濟和環(huán)境效益。 本項目研究成果共出版著作1部，發(fā)表學術(shù)論文6篇，其中EI收錄論文4篇，授權(quán)和申請國家發(fā)明專利2項，獲國家科學技術(shù)進步獎二等獎和教育部科學技術(shù)進步獎二等獎各1項。 在研期間，項目承擔單位組織召開了第一屆全國巖土多場相互作用及環(huán)境土工學術(shù)研討會（2012年11月25~26日）及第七屆全國巖土工程物理模擬學術(shù)研討會（ 2013 年 11 月 2-3 日）等學術(shù)活動。 在人才培養(yǎng)方面，基于該項目共培養(yǎng)博士研究生1人，碩士研究生2人，其中已畢業(yè)2人。

為防止?jié)B濾液污染周邊地下水及周圍環(huán)境，填埋場常采用復(fù)合襯墊系統(tǒng)進行防滲。在垃圾沉降作用下，垃圾體將產(chǎn)生下拽力施加在斜坡上的復(fù)合襯墊系統(tǒng)上，易引起復(fù)合襯墊系統(tǒng)發(fā)生破壞。本項目首先通過單元體試驗，測試基本力學特性，建立界面軟化本構(gòu)關(guān)系。再通過大型模型試驗以及離心模擬試驗，分別揭示低應(yīng)力水平下和高應(yīng)力水平下垃圾體與復(fù)合襯墊系統(tǒng)間及復(fù)合襯墊系統(tǒng)內(nèi)部剪力傳遞機理以及多層不同材料之間協(xié)調(diào)受力變形機制。根據(jù)界面軟化本構(gòu)關(guān)系及模型試驗揭示的剪力傳遞規(guī)律，采用FLAC軟件進行程序開發(fā)從而實現(xiàn)復(fù)合襯墊系統(tǒng)變形的數(shù)值模擬。利用模型試驗驗證數(shù)值模擬的正確性，再分析不同因素對復(fù)合襯墊系統(tǒng)拉力的影響。最后通過調(diào)整復(fù)合襯墊系統(tǒng)的組合型式，實現(xiàn)復(fù)合襯墊系統(tǒng)長期安全性的控制。本項目的研究將為我國填埋場斜坡上復(fù)合襯墊系統(tǒng)的設(shè)計提供新的設(shè)計理論和方法。

本文以模型試驗和數(shù)值模擬為基礎(chǔ)，對傳統(tǒng)復(fù)合地基及變剛度復(fù)合地基在豎向荷載作用下的力學性狀進行分析研究，主要完成工作如下： 1.完成模型試驗14組，對改變樁長和褥墊層厚度的單樁、群樁復(fù)合地基及變剛度復(fù)合地基在豎向荷載作用下的內(nèi)力及變形進行了量測和記錄，試驗揭示了樁土相互作用、荷載傳遞過程、應(yīng)力分布特點、沉降變形等規(guī)律。 2.利用ANSYS，系統(tǒng)地分析了不同樁長、樁徑、樁體模量、加固區(qū)和下臥層土體模量、褥墊層厚度和模量等因素對復(fù)合地基力學性狀的影響，對采用不同樁長的變剛度復(fù)合地基進行分析研究，為建立經(jīng)驗公式提供了必要數(shù)據(jù)。 3.針對群樁復(fù)合地基的差異沉降問題，進行了變剛度復(fù)合地基的必要性和方案研究。 4.提出了采用“樁體沉降法”來計算復(fù)合地基沉降的公式，該計算方法通過與模型試驗結(jié)果和工程實測數(shù)據(jù)相比較，達到較高的精度，能直接應(yīng)用于工程設(shè)計。在該沉降計算方法的基礎(chǔ)上提出變剛度復(fù)合地基的沉降計算公式。 5.應(yīng)用加權(quán)均值GM（1，1）模型對復(fù)合地基進行沉降預(yù)測，并與傳統(tǒng)GM（1，1）模型相比較，具有更高的預(yù)測精度。

1 緒論

1．1 復(fù)合地基的定義、分類和形成條件

1．1．1 復(fù)合地基的定義

1．1．2 復(fù)合地基的分類

1．1．3 復(fù)合地基的形成條件

1．2 研究背景

1．3 復(fù)合地基效應(yīng)與破壞模式

1．3．1 復(fù)合地基效應(yīng)

1．3．2 復(fù)合地基破壞模式

1．4 復(fù)合地基的研究現(xiàn)狀

1．4．1 試驗研究

1．4．2 數(shù)值計算

1．4．3 復(fù)合地基承載力和沉降研究

1．4．4 變剛度理論研究

1．5 研究思想、方法和內(nèi)容

2 模型試驗設(shè)計

2．1 城市地下工程相似模擬試驗系統(tǒng)介紹

2．1．1 模型箱體

2．1．2 加載系統(tǒng)

2．1．3 加載油路系統(tǒng)

2．1．4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2．2 相似理論基礎(chǔ)

2．2．1 相似理論概述

2．2．2 相似理論基礎(chǔ)

2．2．3 相似定理

2．2．4 相似準則的導出

2．2．5 準則的判斷和選擇

2．2．6 物理相似模型試驗設(shè)計的基本原則和設(shè)計步驟

2．3 模擬試驗設(shè)計

2．3．1 羅列參數(shù)、求準則

2．3．2 試驗內(nèi)容

2．3．3 試驗方案

3 模型試驗結(jié)果及分析

3．1 單樁復(fù)合地基模型試驗

3．1．1 p-s曲線

3．1．2 樁土應(yīng)力比及荷載分擔

3．1．3 樁身應(yīng)力分布

3．1．4 樁側(cè)摩阻力沿樁身分布

3．1．5 土體豎向應(yīng)力沿深度分布

3．2 群樁復(fù)合地基模型試驗

3．2．1 p-s曲線

3．2．2 樁土應(yīng)力比及荷載分擔

3．2．3 樁身應(yīng)力分布

3．2．4 樁側(cè)摩阻力沿樁身分布

3．2．5 土體豎向應(yīng)力沿深度分布

3．2．6 差異沉降

3．3 變剛度復(fù)合地基模型試驗

3．3．1 p-s曲線

3．3．2 樁土應(yīng)力比及荷載分擔

3．3．3 樁身應(yīng)力分布

3．3．4 差異沉降

3．4 改變?nèi)靿|層厚度的復(fù)合地基模型試驗

3．4．1 p-s曲線

3．4．2 樁土應(yīng)力比及荷載分擔

3．4．3 樁身應(yīng)力分布

3．4．4 褥墊層對樁間土應(yīng)力分布的影響

3．5 樁長、荷載對復(fù)合地基沉降的影響規(guī)律

3．5．1 單樁復(fù)合地基

3．5．2 九樁復(fù)合地基

4 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

4．1 概述

4．2 ANSYS在土木工程中的應(yīng)用

4．2．1 ANSYS簡介

4．2．2 ANSYS在土木工程中應(yīng)用介紹

4．3 有限元模型的建立

4．3．1 計算模型體系

4．3．2 單元劃分

4．3．3 剛度矩陣的建立

4．3．4 方程組求解方法的選擇

4．4 材料非線性的模擬

4．5 復(fù)合地基數(shù)值模擬分組方案

4．6 單樁復(fù)合地基數(shù)值模擬

4．6．1 樁長的影響

4．6．2 樁徑的影響

4．6．3 樁身模量的影響

4．6．4 加固區(qū)土體壓縮模量的影響

4．6．5 下臥層土體壓縮模量的影響

4．7 褥墊層作用機理的數(shù)值模擬

4．7．1 褥墊層厚度的影響

4．7．2 褥墊層模量的影響

4．8 群樁復(fù)合地基數(shù)值模擬

4．8．1 樁長的影響

4．8．2 樁身模量的影響

4．8．3 加固區(qū)土體壓縮模量的影響

4．8．4 下臥層土體壓縮模量的影響

4．9 變剛度復(fù)合地基的數(shù)值模擬

5 實現(xiàn)變剛度復(fù)合地基的必要性與方案研究

5．1 控制沉降和差異沉降的重要性

5．2 差異沉降的產(chǎn)生

5．2．1 群樁中不同樁位的差異沉降

5．2．2 不同荷載下產(chǎn)生的差異沉降

5．2．3 樁體下不同下臥層的差異沉降

5．3 群樁復(fù)合地基應(yīng)力場、位移場的分析

5．3．1 群樁復(fù)合地基應(yīng)力場、位移場特點

5．3．2 群樁復(fù)合地基中樁、邊樁、角樁應(yīng)力場、位移場比較

5．4 實現(xiàn)變剛度復(fù)合地基的方案研究

5．4．1 改變樁長

5．4．2 改變樁徑

5．4．3 改變樁體模量

5．5 變剛度復(fù)合地基應(yīng)力場、位移場的分析

5．5．1 樁頂應(yīng)力

5．5．2 負摩阻力和樁身**大應(yīng)力

5．5．3 樁側(cè)正摩阻力和樁端應(yīng)力

5．6 變剛度調(diào)平設(shè)計的基本內(nèi)容

5．6．1 變剛度調(diào)平設(shè)計的概念

5．6．2 天然地基箱基的變形特征

5．6．3 均勻布樁的樁筏基礎(chǔ)的變形特征

5．6．4 均勻布樁的樁頂反力分布特征

5．6．5 碟形沉降和馬鞍形反力分布的負面效應(yīng)

5．6．6 變剛度調(diào)平概念設(shè)計

5．6．7 試驗驗證

5．6．8 工程應(yīng)用

6 復(fù)合地基承載力和沉降計算

6．1 傳統(tǒng)復(fù)合地基承載力計算

6．1．1 復(fù)合地基承載力計算模式

6．1．2 應(yīng)力比公式

6．1．3 穩(wěn)定分析法

6．1．4 粘結(jié)材料樁極限承載力計算

6．1．5 樁間土極限承載力計算

6．1．6 復(fù)合地基加固區(qū)下臥層承載力驗算

6．2 傳統(tǒng)復(fù)合地基沉降計算

6．2．1 復(fù)合地基沉降計算模式

6．2．2 加固區(qū)壓縮量的計算方法

6．2．3 下臥層壓縮量的計算方法

6．3 變剛度復(fù)合地基承載力計算

6．4 變剛度復(fù)合地基沉降計算

6．4．1 加固區(qū)壓縮量的計算方法

6．4．2 下臥層壓縮量的計算方法

6．5 樁體沉降法計算復(fù)合地基沉降

6．5．1 單樁復(fù)合地基

6．5．2 群樁復(fù)合地基

6．5．3 樁體沉降法與模型試驗值檢驗

6．5．4 樁體沉降法與唐山會展中心廣場沉降觀測值檢驗

6．6 變剛度復(fù)合地基沉降計算經(jīng)驗公式推導

6．7 長短樁復(fù)合地基設(shè)計

6．7．1 長短樁復(fù)合地基適用范圍

6．7．2 長短樁復(fù)合地基設(shè)計步驟

6．8 以沉降量為控制指標的復(fù)合樁基設(shè)計

6．8．1 樁土共同工作的客觀現(xiàn)象中的主要特征

6．8．2 以沉降量為控制指標的復(fù)合樁基設(shè)計基本概念

7 應(yīng)用灰色理論預(yù)測復(fù)合地基沉降

7．1 應(yīng)用傳統(tǒng)GM（1，1）模型進行沉降預(yù)測

7．1．1 傳統(tǒng)GM（1，1）模型建立

7．1．2 模型精度的檢驗

7．1．3 預(yù)測分析

7．2 應(yīng)用加權(quán)均值GM（1，1）模型進行沉降預(yù)測

7．2．1 加權(quán)均值生成

7．2．2 加權(quán)均值生成的性質(zhì)

7．2．3 加權(quán)均值生成的逆運算

7．2．4 建模原理

7．2．5 預(yù)測分析

7．3 精度檢驗

參考文獻 2100433B

顆粒流理論在以散體材料為主要特征的巖土工程的研究中具有重要意義。本書系統(tǒng)總結(jié)了顆粒流數(shù)值仿真技術(shù)在巖土工程中的應(yīng)用及研究進展，詳細介紹了數(shù)字圖像無標點土體量測技術(shù)和土體細觀量測技術(shù)在室內(nèi)模型中的應(yīng)用，利用顆粒流理論對各種巖土工程問題進行數(shù)值仿真模擬分析。通過試驗結(jié)合數(shù)值模擬的方法從細觀角度對巖土工程中的各種宏觀現(xiàn)象進行解釋，并揭示其力學機制。本書的內(nèi)容涉及巖土工程領(lǐng)域中各種問題的細觀力學機制，包括土體穩(wěn)定破壞、樁土變形、飽和砂土液化、土的滲透破壞及地基加固等。

本書可供土建、水利、交通、鐵道等部門從事科研、設(shè)計、施工和勘察工作的科研人員參考，也可作為高等院校土建相關(guān)專業(yè)的高年級本科生和研究生的教材使用。2100433B