袋装砂井与粉喷桩综合处治深厚软土地基路堤的有限元数值分析

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我国幅员辽阔,地质条件复杂多样,软土分布极为广泛。随着“交通强国”和“一带一路”战略的推进,深厚软土地基上公路、铁路工程的建设日益增加。因软土具有含水率高、孔隙比大、抗剪强度低、压缩性高、固结缓慢和蠕变等特性,将导致路堤作用下地基沉降过大甚至失稳,极大威胁交通运输的安全,造成人力和物力的巨大损失。排水固结法和粉体喷射搅拌法从上世纪被开发以来,其理论和设计方法方法发展相对比较完善,但两种方法均有自身的不足。将两者结合使用的综合处治法虽已得到一定的工程应用,但关于其处治效果、力学机理、设计优化等的深层次研究尚少见。本文在国内外研究基础上,结合前人已开展的离心模型试验成果,综合考虑软土蠕变、路堤逐层动态填筑、土-结构相互作用等,开展了袋装砂井与粉喷桩综合处治深厚软土地基加固效果、作用机理等方面的精细化数值模拟。所开展的主要工作如下:(1)基于PLAXIS 3D软件平台,介绍了三维Biot固结理论的数值实现、软土本构模型的合理选择、袋装砂井与粉喷桩的科学模拟等有限元建模中的关键技术,最终确定采用软土蠕变模型描述软土力学行为,分别应用实体置换、界面单元模拟粉喷桩、桩-土相互作用,并采用“排水线”单元模拟袋装砂井。(2)采用PLAXIS 3D软件,基于三维Biot固结理论,依托前人开展的土工离心模型试验,构建了袋装砂井与粉喷悬浮桩综合处治软土地基路堤的数值模型,经与离心模型试验成果(地基的沉降和侧向位移)对比,证实了所建立的数值模型可靠,从而为后续更深入、全面的分析奠定了良好基础。(3)基于经与离心模型试验成果校核、修正后的数值模型,讨论了无处治措施、仅袋装砂井处治、仅粉喷桩处治、袋装砂井与粉喷桩综合处治等4种工况下,软土地基沉降、侧向变形、路堤顶面沉降等的分布规律;从超孔隙水压、桩土应力等角度出发,分析了袋装砂井与粉喷桩综合处治深厚软土地基路堤的力学机理;探讨了软基经悬浮粉喷桩处治的土拱效应全过程演变。(4)进一步讨论了袋装砂井与粉喷桩综合处治深厚软土地基路堤的2个核心问题,包括袋装砂井与粉喷桩对路堤沉降影响的权重关系、粉喷桩核心设计参数对路堤工后沉降影响的敏感性等,可为袋装砂井与粉喷桩综合处治软土地基路堤的设计、施工等提供有益参考。
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