土-膨润土(SB)垂直阻隔墙是针对地下污染防控的一种阻隔技术,能够有效阻滞污染物的迁移,保护周边地下环境。这种技术在国外已经历了几十年的工程应用检验,目前也在国内被大力推行。由于回填材料的半流体特性,SB阻隔墙建成后将经历一段时间的固结,SB阻隔墙在固结过程中产生的应力分布变化和变形将会影响它的服役性能。通过对SB阻隔墙固结过程的长期现场监测和理论研究,人们对其固结行为有了 一定的认识,但更深层的固结机理还未明晰,另外现有复杂工况下的阻隔墙沟槽稳定性分析方法计算过于繁琐。对此,本文采用有限元分析,发展了相应的分步骤模拟方法对SB阻隔墙的施工和固结过程进行模拟,进而对SB阻隔墙的固结机理和沟槽稳定性开展了深入研究,并提出固结解析解和新的沟槽稳定性分析方法。这些研究成果将为SB阻隔墙的设计和施工提供指导:(1)基于刚性侧壁假定,建立了墙体平面应变有限元固结模型,以模拟侧壁摩阻力存在时SB阻隔墙的固结过程,并利用模拟结果对固结机理进行了深入的分析和总结。经分析可见,墙体侧摩阻力、固结荷载、超静孔压以及有效应力在固结过程中是相互联系、影响的;侧壁界面处有效应力增长较快,导致侧摩阻力能够在固结前期迅速增大,令竖向固结荷载快速降低;超静孔压的减小由竖向固结荷载降低和固结渗流共同引起,前者引起的超静孔压减小量在固结过程中所占比例较大;墙体排水以横向排水为主导,只有当墙体深度较浅且宽度较厚时,竖向排水能够占据一小部分。(2)提出了两种SB阻隔墙平均固结度的定义,一种同时计入了竖向固结荷载降低和固结渗流对固结过程的贡献,侧重于描述超静孔压当前总减小量与初始竖向固结荷载的比例;另一种侧重于描述固结渗流造成的孔压消散量与当前竖向固结荷载的比例。利用有限元模拟结果对两种定义下的固结度都进行了计算,由于它们的侧重点不同,计算结果显示出各自的特性。(3)提出了不同假定下的3种SB阻隔墙固结解析解。将解析解计算结果与相应假定下的有限元模拟结果进行比较,验证了解析解的有效性:解析解①与解析解③能够较好地预测当侧壁刚性且不考虑侧摩阻力时的超静孔压和墙体平均固结度,其中解析解③还能预测超静孔压在横向上的分布;当侧壁刚性且考虑侧摩阻力时,解析解②对超静孔压的预测相比于解析解①有了很大的进步。(4)改进刚性侧壁条件下的固结模型,在同时考虑侧壁摩阻力、周围地基土变形以及更多现场实际条件的情况下,模拟了美国Bucknell大学的全比尺SB阻隔墙现场试验的施工和固结全过程。模拟结果表明,模型很好地预测了墙体土压力和孔隙水压沿深度的分布以及随时间的变化,证明了该分步骤模拟方法以及参数取值方法的合理性。该模拟结果与此前刚性侧壁下的模拟结果相比,基本的固结机理没有变化,但由于一些工况和假定条件的改变,有一些特殊的变化产生。(5)基于朗肯主动土压力理论,提出了新的泥浆沟槽稳定性分析方法,计算过程简便且可同时考虑地表存在堆体荷载和地基土分层的情况。相同工况下,该方法与库伦极限平衡法有着一致的计算结果,验证了此方法的可靠性。(6)建立了三维有限元模型,模拟沟槽在泥浆护壁下的开挖,对沟槽稳定性以及周围地基土的应力分布进行了研究。分析结果显示,随着槽段长度增加,安全系数逐渐减小,因此阻隔墙沟槽开挖施工时控制槽段长度可利于防止沟槽失稳;三维条件下的安全系数要显著大于平面应变条件下的相应值,说明二维的稳定性分析较为保守;进一步有限元受力分析表明,周围地基土内存在水平、竖向的“土拱作用”以及“向下的应力传递”,这些作用增加了沟槽的稳定性;分段间隔开挖可以有效避免周围地基土过大的应力变化或位移。