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大型沉井下沉对土体变形影响的研究

2020-12-02阅读(411)

大型沉井下沉对土体变形影响的研究

论文摘要

大型沉井下沉会引起土体应力状态改变,进而导致土体工程性质变化,如何评价沉井下沉对土体的作用及其影响,对保证沉井施工完全和环境影响控制具有重要理论价值和工程指导意义。本文依托镇江大港水厂一期取水工程的沉井工程,采用室内试验、现场监测、数值模拟相结合的方法,对沉井下沉过程中周边土体的应力路径、小应变特性、土体变形规律等问题开展了研究。论文主要研究内容与成果如下:（1）对镇江大港水厂一期取水工程的沉井施工对周边土体的影响进行了现场监测。结果表明:尽管本工程沉井施工工期跨度较长,但沉井每次下沉时间较短,可以看做不排水过程;沉井的下沉是不断纠偏的过程,最大倾斜角为1.1°;沉井周边土体在沉井下沉过程中向井内方向移动,5m以上深度土体水平位移受施工扰动较大,最大位移约为150mm,与下沉深度比值为0.39%,处于小应变范围内。（2）针对开挖和贯入难以同时实现的问题,提出了一种可用于耦合欧拉-拉格朗日（CEL）方法的岩土开挖数值模拟方法,并验证了该方法的合理性,实现了沉井下沉的数值模拟。进一步分析了大型沉井施工过程中土体应力路径及位移变化规律。结果表明:沉井下沉过程中,井壁外侧土体的应力路径模式为“卸荷-加荷-再卸荷”,而井壁内侧土体的应力路径模式为单一的“卸荷”;井内土体开挖时,周边土体表现为竖向隆起,刃脚以上的井壁外侧土体往远离沉井方向移动,刃脚以下的井壁外侧土体往井内方向移动;井体下沉时,井外土体的位移趋势与井内开挖效应相反。（3）使用带霍尔效应传感器和弯曲元的GDS应力路径三轴仪,研究了沉井下沉应力路径对土体小应变特性的影响。通过试验数据拟合建立了土体最大剪切模量Gmax与平均有效主应力p?和孔隙比e关系的经验公式;并揭示了不同应力路径下剪切模量衰减规律。结果表明:在小应变范围内土体剪切模量衰减极快,应力路径偏转角对初始剪切模量有较大的影响;弯曲元在K0固结完成时的测试值与剪切过程中的初始值有一定的差别。（4）利用ABAQUS材料子程序VUMAT进行二次开发,改进了能够考虑土体小应变特性的沉井下沉数值模拟方法;有限元计算结果表明,应力振荡现象明显减弱,土体沉降曲线更为合理,水平位移与监测结果更为接近;对土体沉降曲线进行拟合,得到了适用于镇江地区典型地质条件下沉井下沉地表沉降曲线预测公式。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第一章 绪论
  •   1.1 研究背景
  •   1.2 沉井下沉特性研究现状
  •     1.2.1 沉井下沉井体受力特性研究
  •     1.2.2 沉井下沉引起的环境效应研究
  •     1.2.3 沉井下沉数值模拟方法研究
  •   1.3 小应变问题研究现状
  •     1.3.1 最大剪切模量研究
  •     1.3.2 土体刚度应变及应力路径依赖性研究
  •   1.4 存在的问题
  •   1.5 研究内容及技术路线
  •     1.5.1 研究内容
  •     1.5.2 技术路线
  • 第二章 沉井施工现场监测
  •   2.1 工程介绍
  •     2.1.1 工程概述
  •     2.1.2 工程地质条件
  •     2.1.3 沉井概况
  •     2.1.4 施工流程及施工工艺
  •   2.2 现场监测项目及测点布置
  •     2.2.1 现场监测项目
  •     2.2.2 监测方法和仪器
  •   2.3 监测结果分析
  •     2.3.1 沉井下沉监测
  •     2.3.2 地下水位监测
  •     2.3.3 沉井周边土体水平位移监测
  •   2.4 本章小结
  • 第三章 沉井下沉影响土体应力状态的数值模拟研究
  •   3.1 CEL方法对贯入问题的实现
  •     3.1.1 连续介质运动的描述方法
  •     3.1.2 耦合欧拉-拉格朗日（CEL）方法简介
  •   3.2 可用于CEL方法的岩土开挖数值模拟
  •     3.2.1 问题的引入
  •     3.2.2 可用于CEL方法的岩土开挖数值模拟方法实现过程
  •     3.2.3 开挖方法合理性验证
  •     3.2.4 计算结果影响因素分析
  •   3.3 沉井下沉数值模拟方法实施过程介绍
  •   3.4 大型沉井下沉有限元模型
  •     3.4.1 基本假定
  •     3.4.2 几何模型
  •     3.4.3 土体和结构物的模拟
  •     3.4.4 施工工况的模拟
  •   3.5 大型沉井下沉对土体应力状态的影响
  •     3.5.1 应力分布
  •     3.5.2 应力路径
  •   3.6 土体位移
  •     3.6.1 土体沉降
  •     3.6.2 土体水平位移
  •     3.6.3 土体位移机制分析
  •   3.7 本章小结
  • 第四章 考虑沉井下沉应力路径的土体小应变特性试验研究
  •   4.1 试验设备
  •     4.1.1 GDS应力路径三轴仪
  •     4.1.2 霍尔效应传感器
  •     4.1.3 弯曲元
  •   4.2 试验材料与制备安装过程
  •     4.2.1 试验材料
  •     4.2.2 试样制备及安装
  •   4.3 最大剪切模量试验研究
  •     4.3.1 试验过程
  •     4.3.2 数据处理方法
  •     4.3.3 试验结果
  •   4.4 小应变特性曲线试验研究
  •     4.4.1 试验概况
  •     4.4.2 试验过程
  •     4.4.3 试验结果及分析
  •   4.5 本章小结
  • 第五章 考虑土体小应变特性的沉井下沉模拟分析方法与应用
  •   5.1 小应变特性本构模型二次开发
  •     5.1.1 VUMAT介绍
  •     5.1.2 土体小应变特性本构模型内容
  •     5.1.3 VUMAT工作内容
  •   5.2 沉井下沉数值模拟方法的改进
  •     5.2.1 数值模拟方法存在的问题
  •     5.2.2 参数赋值方法优化
  •     5.2.3 沉井开挖-下沉过程的连续化
  •   5.3 考虑小应变特性的沉井下沉分析
  •     5.3.1 应力路径对小应变特性影响的间接实现
  •     5.3.2 计算结果对比
  •     5.3.3 地表沉降曲线预测公式
  •   5.4 本章小结
  • 第六章 结论与展望
  •   6.1 结论
  •   6.2 展望
  • 参考文献
  • 致谢
  • 攻读硕士期间发表的论文及专利

    • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 孙彦晓

    导师: 刘松玉,邓永锋

    关键词: 大型沉井,土体变形,有限元,应力路径,小应变,数值模拟

    来源: 东南大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

    专业: 地质学,建筑科学与工程,建筑科学与工程

    单位: 东南大学

    分类号: TU753.64;TU433

    DOI: 10.27014/d.cnki.gdnau.2019.003707

    总页数: 106

    文件大小: 5897k

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