壓實黃土的工程力學特性及微觀結構研究項目摘要

隨著我國國民經(jīng)濟的發(fā)展、建設進度的不斷加快，建設用地緊張成為日益突出的問題，挖山填溝成為黃土地區(qū)基本建設的一個重要手段。黃土狀填土地基和路基的強度、變形和穩(wěn)定性直接影響到上部結構的正常運營和安全。保證填土的壓實質量是保證工程質量的關鍵。本項目通過理論分析和試驗研究相結合，對壓實黃土狀填土的工程力學特性進行系統(tǒng)研究，從影響壓實黃土狀填土工程力學性能的初始含水量、壓實度、擊實能等因素著手，利用現(xiàn)代化土工試驗儀器和先進的測試技術，從宏觀力學性能、應力應變關系和微觀結構特征、孔隙分布兩方面探討黃土的壓實機理，建立壓實黃土的本構模型，尋求壓實黃土的水分遷移規(guī)律。為深化黃土力學理論、完善黃土填土設計方法、提高填土施工質量提供了基礎研究和試驗數(shù)據(jù)，對保障黃土填土工程的安全性、經(jīng)濟性具有重要意義。

隨著我國國民經(jīng)濟的發(fā)展、建設進度的不斷加快，建設用地緊張成為日益突出的問題。挖山填溝成為黃土地區(qū)基本建設的一個重要手段，黃土狀填土的應用日益廣泛。黃土狀填土地基和路基的強度、變形和穩(wěn)定性直接影響到上部結構的正常運營和安全，填土的壓實質量是保證工程質量的關鍵。本項目利用現(xiàn)代測試技術，通過室內(nèi)試驗，對黃土狀填土的工程力學特性進行了研究，得到了以壓實度和土體空隙率作為評判黃土狀填土壓實質量雙控指標的評判體系、基于改進的割線模量法的填土地基沉降計算方法和黃土狀填土應力-應變關系的描述，為黃土狀填土地基的設計、施工提供了理論依據(jù)；采用多因素分析法對黃土狀填土的強度和變形的影響因素進行了分析，得到初始含水量對黃土狀填土的壓縮變形特性和直剪強度的影響較擊實能更大，初始含水量和擊實能的交互作用對壓縮變形和強度的影響較其他因素更強；對黃土狀填土的微觀結構特點和水分遷移規(guī)律進行了研究，得到了基于分形理論的土體孔隙分布模型、適用于黃土狀填土的土水特征曲線理論模型、黃土狀填土中水分毛細遷移規(guī)律，并對黃土狀填土的壓實機理進行了解釋，極大的豐富了黃土力學和非飽和土力學基礎理論。

以鐵路及公路大斷面黃土隧道為依托工程，在近年來承擔的相關研究項目及已有大量現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)的基礎上，采用理論分析、數(shù)值模擬、離心試驗、室內(nèi)模型試驗等綜合方法，開展大斷面黃土隧道施工時空效應分析及支護結構作用機理研究。主要內(nèi)容：研究大斷面黃土隧道變形特性、施工過程的時空效應及支護結構力學行為的變化規(guī)律，并提出施工過程沉降控制標準；研究淺埋、深埋大斷面黃土隧道錨桿的力學性能及其作用效果，提出大斷面黃土隧道取消系統(tǒng)錨桿的可行性；研究黃土隧道鋼架 噴混凝土的承載力隨時間變化規(guī)律，型鋼鋼架與格柵鋼架的性能及適用性，以及相應的支護參數(shù)；在此基礎上，研究提出隧道合理的支護形式及支護參數(shù)。研究成果為黃土隧道的設計提供理論基礎，為施工中的變形控制提供理論依據(jù)和方法。

近年來我國高速鐵路及公路工程中修建了大量大斷面黃土隧道，揭示大斷面黃土隧道變形特征及初支與圍巖作用機理，從而采取合理的支護措施和施工方法是目前極需解決的問題。項目以多座鐵路及公路大斷面黃土隧道為依托，采用理論分析、數(shù)值模擬、離心試驗等綜合方法，開展了大斷面黃土隧道施工時空效應分析及支護結構作用機理研究，主要研究內(nèi)容如下：（1）大斷面黃土隧道變形特性；（2）大斷面黃土隧道施工過程時空效應分析；（3）大斷面黃土隧道系統(tǒng)錨桿作用機理及效果研究；（4）大斷面黃土隧道格柵鋼架作用機理及適應性研究。 項目收集了大量大斷面黃土隧道變形數(shù)據(jù)，明確了其變形規(guī)律，建立大斷面黃土隧道施工過程數(shù)值模擬計算模型，結合現(xiàn)場監(jiān)測變形數(shù)據(jù)，分析了施工過程時空效應。建立了大斷面黃土隧道錨桿作用數(shù)值計算模型和離心試驗模型，闡明了錨桿作用機理，通過大斷面黃土隧道有、無系統(tǒng)錨桿現(xiàn)場試驗，明確提出大斷面黃土隧道應取消系統(tǒng)錨桿。建立了黃土隧道圍巖特征曲線和支護特征曲線力學計算模型，分析了格柵拱架 噴射混凝土、型鋼拱架 噴射混凝土與圍巖作用機理，通過現(xiàn)場對比試驗，分析了格柵拱架適應性，提出大斷面黃土隧道應采用格柵拱架支護，建立了大斷面黃土隧道施工及變形控制體系。研究成果在鄭西高速鐵路，寶蘭客專、武西高速等工程了開展了試驗應用，為我國大斷面黃土隧道順利修建提供了重要理論基礎和工程借鑒。 項目發(fā)表論文7篇，其中EI論文6篇，申請發(fā)明專利3項；培養(yǎng)博士生2名，碩士生4名，參加國際學術會議3次，國內(nèi)學術會議3次；研究成果獲得省部級二等獎1次，國家科技進步二等獎1次。 2100433B

本項目擬分別對加筋黃土試樣在自行改進的大三軸剪切儀上進行試驗，同時進行隨機地震荷載作用下加筋黃土動三軸試驗，研究加筋黃土的應力-應變關系及其強度特性，以獲得較合理的加筋層間距和加筋位置，建立加筋黃土的動、靜本構模型及其參數(shù)；通過黃土地基的動、靜模型試驗研究在靜力和地震動力作用下加筋黃土地基中的應力、應變和破壞變形規(guī)律；在此基礎上，利用彈塑性力學、斷裂力學等觀點分析加筋黃土在不同加筋方式下的加筋機理及其破壞特征。最后，把試驗中獲得的加筋黃土動、靜本構模型和參數(shù)引入實際地基工程進行動力和靜力有限元分析，研究加筋和未加筋地基在靜力和地震作用下的應力和變形規(guī)律，和模型試驗相對比，對加筋黃土的本構模型進行驗證。本項目的研究成果將為加筋土技術在黃土地區(qū)的推廣使用將會產(chǎn)生很大的經(jīng)濟效益和社會效益，同時，能使加筋土技術能在地震區(qū)得到合理運用，具有極其重要的理論意義和現(xiàn)實意義。 2100433B