氣壓劈裂機理與排水粉噴樁復(fù)合地基設(shè)計理論研究.pdf

1、氣壓劈裂是指巖土體在高壓氣體作用下產(chǎn)生裂隙并發(fā)展的過程。國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開始注意到氣壓劈裂現(xiàn)象，但對該理論國內(nèi)外尚缺乏深入系統(tǒng)的研究。事實上，國內(nèi)外學(xué)者對巖土工程中的另一劈裂技術(shù)——水力劈裂已經(jīng)進行了深入系統(tǒng)的研究，已經(jīng)形成了較為成熟的水力劈裂理論，并將其成功應(yīng)用于巖土工程的大壩設(shè)計、石油開采、地應(yīng)力測試、地下污染物運移、地下干熱巖體熱能開發(fā)和環(huán)境修復(fù)工程等方面。但對氣壓劈裂問題，國內(nèi)外尚未形成相應(yīng)的理論，對其工程應(yīng)用研究幾乎空白，因此，

2、對氣壓劈裂的機理、判別準(zhǔn)則、氣壓劈裂裂隙的擴展模型及氣壓劈裂的工程應(yīng)用等方面進行深入研究是十分必要的。 本文以土體中的氣壓劈裂理論與應(yīng)用為研究對象，采用理論分析、室內(nèi)模擬試驗、現(xiàn)場試驗及數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，深入研究了土體的氣壓劈裂機理、判別準(zhǔn)則和裂隙擴展模型等基礎(chǔ)理論，在此基礎(chǔ)上，對基于氣壓劈裂理論開發(fā)的排水粉噴樁復(fù)合地基工法的加固機理、路堤荷載下的變形與固結(jié)特性及其計算方法進行了系統(tǒng)研究，建立了基于變形控制的排水粉噴樁復(fù)合地

3、基設(shè)計方法，為排水粉噴樁復(fù)合地基新工法的推廣應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。主要研究內(nèi)容與成果總結(jié)如下： (1)系統(tǒng)總結(jié)了土體中的氣壓劈裂和水力劈裂研究進展，對比了氣壓劈裂和水力劈裂的差異，指出了現(xiàn)有研究中存在的問題；全面回顧了與排水粉噴樁復(fù)合地基設(shè)計計算方法相關(guān)方面的研究成果，包括水泥土樁復(fù)合地基的沉降計算、固結(jié)計算及穩(wěn)定性計算等的現(xiàn)行計算方法和研究成果，并指出了存在的問題。 (2)采用理論分析的方法研究了土體中的氣壓劈裂理論，提

4、出了土體中的氣壓劈裂機理和起劈壓力計算式；建立了氣壓劈裂裂隙的擴展模型；并分析了氣壓劈裂對土體滲透性的提高效應(yīng)。 (3)通過室內(nèi)模擬試驗論證了土體中氣壓劈裂原理，并從宏觀上論證了基于氣壓劈裂機理的地基處理新技術(shù)在地基加固中的可行性，為完善排水粉噴樁復(fù)合地基加固機理并開發(fā)基于氣壓劈裂機理的地基處理新技術(shù)奠定了理論基礎(chǔ)。 (4)通過現(xiàn)場試驗論證了排水粉噴樁復(fù)合地基工法中的氣壓劈裂原理。粉噴樁施工過程中，由于噴氣壓力和攪拌葉片

5、的剪切力作用在樁周土中生成較大的超靜孔隙水壓力，產(chǎn)生劈裂裂隙，由排水板和劈裂裂隙組成排水導(dǎo)氣網(wǎng)絡(luò)，為樁周土中超靜孔隙水壓力的消散和殘余氣體的排出提供了排水導(dǎo)氣通道，一方面加速了樁周土中超靜孔壓的消散，另一方面，使粉噴樁噴粉更加順暢，攪拌更加均勻，從而提高粉噴樁樁身質(zhì)量，特別是深層粉噴樁的成樁質(zhì)量。 (5)基于路堤荷載下樁土間的非等應(yīng)變特性，建立了排水粉噴樁復(fù)合地基總沉降計算模型。將路堤、樁體、樁間土及下臥土層整體考慮，分別建立了

6、各自的應(yīng)力和位移計算式，通過界面處的位移和應(yīng)力邊界條件考慮各子系統(tǒng)之間的相互作用，得到了路堤荷載下排水粉噴樁復(fù)合地基總沉降計算模型，并利用淮鹽高速公路試驗段的實測沉降驗證了該方法的合理性。 (6)通過數(shù)值分析方法剖析了路堤荷載下排水粉噴樁復(fù)合地基固結(jié)機理，分析表明排水粉噴樁復(fù)合地基的固結(jié)機理包括三大部分：排水板的排水效應(yīng)、粉噴樁樁體應(yīng)力集中效應(yīng)及樁土間荷載轉(zhuǎn)移形成的孔壓梯度效應(yīng)。在此基礎(chǔ)上，建立了排水粉噴樁復(fù)合地基固結(jié)計算簡化模