滨水环境下生态袋结构的适应性研究——以填充物掺入粉煤灰为例

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生态袋护坡技术已被广泛应用在土木、水利、环境以及农业等相关领域,为了施工方便,其填料往往采用就地取材的方式。取材中可能会出现固体废弃物,例如粉煤灰,可能会对环境造成威胁。同时,滨水环境下生态袋结构面层沉降及流固耦合下的稳定性通常难以准确预测。在许多情况下,只是根据经验来估计,而经验所得的沉降量和安全系数往往与实际存在较大差距,严重时甚至会影响到结构的安全。针对以上问题,本文通过室内冲刷试验、三轴试验、单轴试验和固结试验等,研究生态袋填充物粉煤灰土在不同配比下的析出率、强度变化规律、沉降变形规律,提出生态袋面层沉降计算公式。此外,基于Abaqus有限元软件模拟生态袋在不同压实度下的固结沉降规律和生态袋护坡试验段在不同退水工况下的稳定性变化。主要取得了如下研究成果和结论:(1)生态袋冲刷试验通过设置粉煤灰掺量为0%、5%、10%、15%和20%五组试验,通过冲刷4d后得到填料最终析出率分别为:2.6%、1.50%、0.92%、1.12%、1.41%。实验结果表明:粉煤灰的掺入能减少土壤析出。粉煤灰含量为10%的析出率比素土减小了64.6%。(2)生态袋单轴试验通过设置粉煤灰掺量为0%、5%、10%、15%和20%五组试验,结果表明在同一含水率及压实度下,适量掺入粉煤灰可以提高生态袋的抗压强度,粉煤灰占比为20%的生态袋抗压强度为7.4MPa,比素土的强度大12%。同时通过设置3组填充度为70%、80%、90%的试验,结果表明生态袋强度随其填充度的增大而减小。(3)通过自制固结试验装置并设置4级荷载加压生态袋,观测其沉降变形随荷载增加的变化。结果显示:随着预压荷载的增加,生态袋的总沉降天数和沉降值逐渐减小。基于双曲线法对其固结沉降进行预测,预测数据与实际值十分吻合,双曲线模型可以适用于生态袋沉降预测。(4)提出了生态袋结构面层的沉降计算公式,计算了不同压实度的面层沉降。结果表明:预压荷载对面层沉降影响较大,沉降量随压实度的增加线性减小。当预压荷载为1MPa时,生态袋的沉降量比未预压时减少了67.6%。(5)基于Abaqus有限元软件二次开发,进行了生态袋在不同压实度下的固结沉降模拟;同时分析了试验段生态袋边坡在不同退水速度下的稳定性。结果表明:生态袋一维固结模拟与试验结果基本吻合;坡岸随着水位的下降安全系数不断减小。而水位下降速度的越快,同一水位处的安全系数都呈现下降趋势,不利于边坡稳定。最后,通过增加生态袋界面的摩擦系数分析了联接扣设置对生态袋坡岸结构稳定性的影响。
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