竖井地基热固结模型试验及有限元分析

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有关“热”的研究是目前岩土工程领域的一个重要课题,在核废料处置、地下结构防护以及能源储存与输送等方面均有良好的研究应用背景,国内外关于温度效应对工程影响的研究已有大量的成果,但将“热”作为一种地基处置技术,以改变岩土性质,加速地基处理过程的尝试并不多见。本文针对“热排水固结法”这一新型地基处理技术,从理论、试验和有限元三方面开展了竖井地基热固结问题的研究。  (1)基于前人研究成果,从热弹性理论、渗流理论和热传导理论,结合达西定律、有效应力原理,并考虑温度对土体物理力学性质的影响,推导、建立了饱和土热固结的控制方程。从理论上解释了热固结问题的耦合作用机理,为开展相应的试验研究和建立有限元耦合模型奠定了理论基础。  (2)选取宁波饱和软黏土,在温控动三轴试验仪上开展不同温度、围压下的热固结试验,并进行了理论分析。结果表明:对软黏土而言,温度主要通过影响土中水的粘滞系数来提高土体的渗透系数,进而加速土体的固结过程;温度越高,土体的固结越快,土体的固结度也越高;温度差值越大,土体固结度差值越大;不同温度条件下的土体固结度差值随时间先迅速增大至极值,随后再逐渐减小至零;理论计算与试验结果相互验证。因此,温度效应主要体现在土体前小半段排水固结过程中,而且温差越大,温度效应越明显。  (3)在室温28.6℃和水热循环温度70℃下分别开展宁波软黏土排水固结和热排水固结模型试验研究,测试并讨论了模型中温度、孔隙水压力和表面沉降变化规律。试验结果表明:热排水固结法可加速模型的固结,固结度达到90%所需时间较之排水固结法显著减少;经过温度历史后,地表最终沉降量增加,土的抗剪强度有所提高,增强了地基处理效果;在此基础上,结合已有先期固结压力随温度变化理论,按 e-logp曲线法建立热排水固结法的沉降计算公式,对竖井地基地表沉降进行理论计算,与实测沉降的对比表明理论计算与试验结果吻合较好,初步验证了沉降计算公式的合理性及适用性。  (4)采用非等温管道流模拟竖井中 U型导热管的传热过程,考虑温度对竖井扰动区和未扰动区渗透性的影响,利用 COMSOL有限元软件建立了竖井地基热排水固结法的有限元模型,获得了竖井地基热排水固结模型试验计算结果,并利用试验结果对有限元耦合模型进行了验证。最后,对一经典有涂抹区的单井地基算例分耦合、部分耦合和不耦合三种工况进行模拟。结果表明:相对于排水固结法的不耦合情况,部分耦合工况下温度产生附加孔压延缓了地基固结的发展,固结速率有所减慢;耦合工况下温度虽会产生附加孔压,但温度有效地改善了竖井涂抹区土体的渗透特性,地基的固结速率加快,固结周期缩短,与模型试验结果一致。
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