本文選題：碎石土地基　切入點：隨機分形　出處：《中國地質(zhì)大學(xué)》2013年博士論文

【摘要】：注漿漿液以滲透和擠密等方式灌入巖石或土層,將原來松散的土料或裂隙膠結(jié),形成具有一定加固或防滲性能的“結(jié)石體”。松散地基土層物性參數(shù)分布具有明顯的隨機性和不規(guī)則特征,強烈影響漿液滲流過程,并造成注漿結(jié)石體形狀的隨機性和力學(xué)參數(shù)空間分布的不確定性。天然地基在注漿加固后地基強度和承載力得到提高,但加固區(qū)整體仍然表現(xiàn)為非均質(zhì)性和各向異性。作為地基處理與巖土體加固的可行方法,雖然注漿技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用,但注漿理論方面的研究與注漿實踐要求還有相當?shù)牟罹?對地基承載力和變形計算理論的研究還很不夠成熟。被注介質(zhì)的不均勻性和不確定性、漿液材料的多變性、注漿工藝和被注介質(zhì)對漿液性能的影響、漿液滲入理論及機制等方面的研究一直存在許多困難。 本課題以三峽庫區(qū)廣泛存在的碎石土地基為工程研究背景,采用碎石土地基的土工試驗數(shù)據(jù)和室內(nèi)注漿試驗成果,從注漿漿液材料特性、地基土物性參數(shù)、滋漿壓力控制與注漿方式三大方面,綜合考慮影響注漿過程的參數(shù)的互相關(guān)性、非均質(zhì)土層物性參數(shù)空間分布的結(jié)構(gòu)性和隨機性、關(guān)鍵注漿參數(shù)的動態(tài)和時變特性,基于注漿過程中的滲流場與應(yīng)力場的流固耦合作用,探討了非均質(zhì)松散巖土體漿液隨機擴散過程,分析了結(jié)石體擴散形狀和力學(xué)參數(shù)的空間分布的隨機性,及荷載作用下注漿加固土體的應(yīng)力與位移變化,研究了非均質(zhì)松散巖土體注漿加固的力學(xué)行為。 本文主要工作內(nèi)容如下： (1)從注漿工藝和注漿材料入手,在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上,較系統(tǒng)地分析了漿液流變模型,從漿液粘度時變性、漿液濃度變化角度,考慮漿液特性因素對注漿漿液擴散效果的影響。 試驗分析了不同水灰比條件下水泥漿液粘度與時間的關(guān)系式。試驗數(shù)據(jù)顯示,一定的漿液濃度條件下,水泥類漿液的粘度隨時間呈指數(shù)關(guān)系變化。水泥類漿液在前期其粘度和剪切強度相對穩(wěn)定,但隨著凝結(jié)時間到來,其粘度和剪切強度快速增長。根據(jù)此特征,水泥類漿液在合適的時間內(nèi)完成滲透注漿,否則將要影響水泥漿液的可注性。 試驗結(jié)果還顯示,漿液粘度變化與時間有關(guān),也與漿液濃度改變關(guān)聯(lián)。漿液濃度變化會明顯改變漿液粘度,特別是在水灰比小于1時尤其明顯。水泥漿液濃度和注漿持續(xù)時間對漿液粘度變化有著不同的影響。如果漿液因受非飽和土土體吸附或地下水混合等作用而使固體顆粒沉淀或析出,并改變流動漿液的濃度,會改變水灰比條件并明顯影響粘度和改變擴散過程。施工工藝條件和土層地質(zhì)條件對漿液濃度和注漿時間影響不可忽視。 地下注漿漿液擴散過程中可能存在不同流型的轉(zhuǎn)換過程,擴散特性還與注漿土體的力學(xué)參數(shù)、注漿工藝有著密切關(guān)系。真實注漿過程具有明顯的非穩(wěn)定特性,實際注漿過程下的注漿理論公式也相當復(fù)雜。 (2)通過對取自三峽庫區(qū)治理加固工程的碎石土試樣進行土工試驗和室內(nèi)注漿試驗,獲取有效粒徑、滲透系數(shù)、土體壓縮模量、水泥漿液粘度、注漿壓力等試驗數(shù)據(jù),基于人工智能的支持向量機方法,建立其與注漿試驗所得結(jié)石體的抗壓強度、彈性模量等力學(xué)參數(shù)的關(guān)系,進行相互關(guān)聯(lián)的多因素共同作用下的注漿結(jié)石體的力學(xué)參數(shù)預(yù)測,分析影響結(jié)石體力學(xué)特性的主要因素及其變化規(guī)律。 結(jié)石體強度、彈模等受多種因素關(guān)聯(lián)作用,任何一個因素的改變都會對注漿結(jié)果產(chǎn)生很大影響�；谥С窒蛄繖C方法,可以很好地分析和預(yù)測具有復(fù)雜關(guān)聯(lián)性和非線性關(guān)系的多維變量狀態(tài)參數(shù)與注漿結(jié)石體力學(xué)參數(shù)的關(guān)系,為進一步研究注漿結(jié)石體形狀分布和強度分布的空間隨機性,分析結(jié)石體隨機分布對加固地基的承載力影響和變形抑制作用,以及評價地基加固處理前后的承載力提高及變形穩(wěn)定性提供了參考。 (3)建立了基于隨機分形插值的地層參數(shù)空間隨機分布預(yù)測模型。碎石土堆積體結(jié)構(gòu)松散,物性參數(shù)空間分布不均勻,土體中粗粒集中部位因細粒充填不足還容易形成高孔隙率的架空結(jié)構(gòu)。碎石土注漿加固機理和過程研究重點考慮松散碎石土的不均勻性帶來的土體局部細微變化問題。研究基于隨機分形理論中Diamond-square方法的運用,分析了土層空間的分形特征,根據(jù)已知的土層數(shù)據(jù)成果建立的模型實現(xiàn)了對未知數(shù)據(jù)地層的孔隙率、土體密度、滲透率、壓縮模量等空間隨機分布預(yù)測。 在常規(guī)土層剖面中,層厚和土的物理力學(xué)參數(shù)常用定值來表示,忽略了參數(shù)的波動。在隨機分布的注漿土層剖面研究過程中,考慮孔(裂)隙分布、表面特征的隨機分形特性,將參數(shù)的剖面特征作為坐標的隨機函數(shù)處理。研究利用改進的數(shù)盒子法獲得孔隙率分布曲線的分維數(shù),反映土體孔隙率等參數(shù)在空間分布上的不均勻性和復(fù)雜程度。 研究以地質(zhì)勘察點的坐標作為已知的控制點,將可通過地質(zhì)勘察得到的該點的孔隙率值已知量,作為區(qū)域土層物性參數(shù)變量的數(shù)據(jù)源,利用分數(shù)布朗運動相關(guān)的分形插值方法,將地層孔隙率分布特性看作隨機過程,進行注漿加固地層孔隙率參數(shù)的隨機性描述。 考慮巖土工程中的物理力學(xué)參數(shù)之間的互相關(guān)性,將可通過地質(zhì)勘察得到的孔隙率已知量作為區(qū)域土層物性參數(shù)變量的基本量,探討了基于多維變量相關(guān)性的滲透系數(shù)、壓縮模量、土體密度、體積模量等其它基本物理參數(shù)在有限元單元結(jié)點中的賦值。 基于上述思路,模擬了多孔介質(zhì)地層的孔隙率、滲透系數(shù)、土體密度、壓縮模量、體積模量的空間隨機分布,生成適用于孔隙地層注漿數(shù)值模擬的物性參數(shù)隨機分布的二維地質(zhì)剖面和三維數(shù)字地層。 (4)建立了參數(shù)動態(tài)變化的多孔介質(zhì)滲流場與應(yīng)力場耦合的的注漿擴散模型。引入了多孔介質(zhì)中流體滲流的運動方程、連續(xù)方程；基于廣義的Biot方程,采用宏觀層次和細觀層次的綜合分析方法,建立多孔介質(zhì)飽和滲流狀態(tài)下的變形與應(yīng)力方程：研究將漿液粘時變性擴散作為特殊的滲流過程；基于滲流物理場和擴散物理場理論,考慮多孔介質(zhì)的多場耦合作用,根據(jù)體積應(yīng)變的概念,引出了考慮孔隙率、滲透率、孔隙壓縮系數(shù)等物性參數(shù)的動態(tài)變化過程數(shù)學(xué)模型。注漿擴散模型的建立為非均質(zhì)地層中流固禍合注漿數(shù)值模擬的實現(xiàn)提供了有效途徑。 (5)模擬了多場禍合的均質(zhì)和非均質(zhì)土體注漿過程模擬。 基于滲流物理場和擴散物理場耦合理論,考慮漿液擴散的時變效應(yīng)、土層參數(shù)的動態(tài)變化,模擬均質(zhì)土體中點源注漿、柱孔注漿條件下漿液擴散范圍,與Magg理論計算方法和室內(nèi)試驗試驗結(jié)果進行了對比分析,以驗證基于流固耦合作用下的漿液擴散過程的正確性,及土層參數(shù)動態(tài)變化的合理性。 研究考慮非均質(zhì)土體土層參數(shù)的互相關(guān)性及隨機分布,結(jié)合試驗結(jié)果編制程序,利用有限元軟件進行注漿過程模擬,探討了土體不均勻分布、注漿壓力、漿液水灰比和粘時變性因素對注漿擴散范圍、擴散路徑、擴散模式的影響,以及注漿結(jié)石體隨機分布規(guī)律。數(shù)值模擬計算結(jié)果表明,碎石土注漿孔附近流固耦合效應(yīng)強烈,物性參數(shù)動態(tài)變化明顯。 (6)研究了荷載作用下的注漿土體應(yīng)力場和位移場分布。 圍繞流固耦合作用下的漿液擴散細觀模擬過程,利用Matlab軟件提取注漿開始前計算場區(qū)內(nèi)單元體的表觀密度、滲透壓力、孔隙率、壓縮模量、壓縮系數(shù)的分布狀態(tài)和數(shù)值；提取非均質(zhì)土體有限元模型注漿模擬計算結(jié)束后網(wǎng)格結(jié)點的彈性模量、泊松比以及密度等的物理力學(xué)參數(shù)；基于注漿擴散的室內(nèi)試驗結(jié)果及支持向量機方法,對有限元單元體已知物性參數(shù)進行提取,利用Matlab軟件編程,對注漿結(jié)石體的彈性模量等力學(xué)參數(shù)進行預(yù)測,并進行分布空間上的有限元單元賦值。 非均質(zhì)土體注漿加固過程必然伴隨著結(jié)石體骨架分布的隨機性。注漿加固復(fù)合體的力學(xué)特性取決于結(jié)石體骨架與周圍土體的共同作用�；诩庸糖昂笸翆游锢砹W(xué)常量賦值和物理力學(xué)動態(tài)參數(shù)計算結(jié)果,建立了未注漿土體區(qū)域、加固漿液擴散區(qū)域的數(shù)值計算模型,通過計算模擬,比較分析了相同物性參數(shù)的非均質(zhì)土體注漿加固前后的應(yīng)力場和位移場,研究了碎石土加固注漿的力學(xué)行為特征。 本文的主要創(chuàng)新點是： (1)結(jié)合室內(nèi)模擬試驗結(jié)果,并基于支持向量機理論,研究了結(jié)石體抗壓強度、彈性模量與被注介質(zhì)結(jié)構(gòu)(滲透系數(shù)、孔隙度、有效粒徑、壓縮模量)、注漿壓力、漿液水灰比等因素的關(guān)系規(guī)律,對指導(dǎo)注漿工程的設(shè)計和注漿效果預(yù)測等有現(xiàn)實意義。試驗及研究均表明：水灰比、注漿壓力、介質(zhì)結(jié)構(gòu)(孔隙率、滲透率等)作為影響注漿的關(guān)鍵因素,都影響注漿過程,并進而影響注漿后碎石土地層的承載力學(xué)性能。在研究注漿漿液在松散土層中的滲流過程時,將不同水灰比條件下的水泥漿液粘度時變特性引入非均質(zhì)土體中漿液擴散過程模擬,推導(dǎo)并模擬了時變性漿液在非均質(zhì)土體的滲透擴散規(guī)律。 (2)研究基于隨機分形理論中Diamond-square方法的運用,考慮多個隨機變量的相互關(guān)聯(lián)作用,建立了土層物性參數(shù)的空間隨機分布預(yù)測模型。非均質(zhì)土體的有限元單元賦值包括兩個方面,一是將已知控制點作為代表性單元體,其孔隙率參數(shù)值作為區(qū)域變量的基本量賦值給有限元單元體單元結(jié)點,通過探討和分析松散土層單元中物性參數(shù)變量的互相關(guān)性,獲得了該單元體的其它參數(shù)與孔隙率的關(guān)系,實現(xiàn)了有限單元的表觀密度、滲透系數(shù)、壓縮模量、壓縮系數(shù)等參數(shù)的關(guān)聯(lián)性賦值。二是將已知控制點的孔隙率參數(shù)值作為區(qū)域變量的數(shù)據(jù)源,考慮土性參數(shù)分布的分形特性,將地層特征看作隨機過程,對該地層的未知數(shù)據(jù)區(qū)域進行孔隙率、滲透率、壓縮模量等參數(shù)的空間分布預(yù)測,生成適用于孔隙地層注漿數(shù)值模擬的數(shù)字地層剖面。 (3)綜合運用注漿漿液的時變性方程,物性參數(shù)的動態(tài)變化方程,進行非均質(zhì)土體注漿漿液擴散與土體應(yīng)力場耦合作用下的數(shù)值模擬。研究模擬了漿液在碎石土層滲透擴散過程中的壓力梯度分布、滲透速度分布、漿液擴散距離和注漿時間的關(guān)系規(guī)律,揭示了漿液在地層內(nèi)的運動過程,對松散非均質(zhì)土體中漿液運動的量化計算有著重要的理論意義�；谧{漿液擴散流場與土體應(yīng)力場的耦合模擬成果,探討了注漿結(jié)石體在非均質(zhì)土體中的分布形態(tài)、空間分布模式。在注漿孔點布置約束條件下,結(jié)石體骨架特征明顯,結(jié)石率受土層參數(shù)和施工工藝參數(shù)影響,結(jié)石體形狀和體積的隨機分布具有規(guī)律性�；谧{結(jié)石體骨架和物性參數(shù)隨機分布時空規(guī)律的研究,對注漿效果進行了量化計算分析。計算結(jié)果表明：結(jié)石體骨架和土體共同作用下土體的物理力學(xué)性質(zhì)改善,地基加固作用明顯,地基整體的承載能力明顯提高。 研究考慮土的物性參數(shù)互關(guān)聯(lián)、土性參數(shù)分布的分形特性、土層地質(zhì)剖面的隨機性、漿液特性時變性等多因素共同影響,建立了非均質(zhì)土層參數(shù)地質(zhì)剖面隨機分布模型,開展注漿擴散過程及注漿加固體力學(xué)行為的數(shù)值模擬,可對注漿方案計算分析、注漿效果定量評價、注漿問題質(zhì)量溯源、加固工程安全評估提供理論基礎(chǔ),對結(jié)構(gòu)注漿加固與糾偏機理研究與技術(shù)應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù),并為復(fù)雜環(huán)境條件下松散巖土注漿加固作用分析研究提供有效途徑。但目前該研究的一些理論和方法有待豐富和完善。本文僅作了初步的探索,以后在以下幾個方面仍然需要進一步的研究： (1)本文研究注漿機理時,著眼于漿液滲透注漿擴散過程,并同時考慮了注漿過程對被注土體的擠密作用。注漿介質(zhì)在不同注漿壓力和工藝條件下時注漿機理和擴散機理不同,將數(shù)字地層剖面、分形隨機理論、多孔介質(zhì)物性參數(shù)動態(tài)變化方程引入劈裂注漿作用下的注漿模擬還需進一步研究。 (2)漿液擴散過程試驗和數(shù)值模擬沒有考慮地下動水的影響。對動水作用、土體應(yīng)力場分布、漿液擴散過程的耦合作用模擬和試驗,應(yīng)考慮對不同流形的流體在混合時的運動問題進一步研究。 (3)地基加固體與其周圍地基土的相互作用規(guī)律、考慮復(fù)雜地質(zhì)條件、復(fù)雜荷載作用、復(fù)雜地層結(jié)構(gòu)邊界條件的注漿加固效應(yīng)、注漿加固復(fù)合地基下臥層附加應(yīng)力擴散問題,及其注漿優(yōu)化設(shè)計方法等還有待進一步探索和研究。 (4)本研究成果未考慮不同含水率對注漿過程的影響。水泥是一種典型的懸濁液,漿液在土體中的沉淀、濾水、凝絮和非飽和土土體毛細作用會改變注漿沿程路徑上的水灰比,進而改變漿液粘度時變特性。這些因素對漿液擴散過程的影響,及如何將非飽和土吸附對漿液濃度的改變等因素更好地引入注漿模擬過程有待更深入研究。非飽和土體的基質(zhì)吸力對流體入滲和土體內(nèi)部滲流的影響是一個復(fù)雜的土力學(xué)問題,非飽和土中的滲透系數(shù)與飽和度的關(guān)系還有待大量的研究和探討。 (5)漿液在土體中的沉淀、濾水、凝絮和土體毛細作用也會改變土體的有效孔隙率。由于試驗條件限制,本論文結(jié)合已有文獻,主要從宏觀角度討論了水泥漿液中土體吸水帶來的漿液顆粒的沉積過程和化學(xué)漿液的絮凝固化過程。通過試驗手段在微觀和宏觀兩個方面對顆粒遷移、沉積特性進行研究,對漿液的絮凝過程進行分析,從而為科學(xué)地定量描述漿液滲透終止的判別準則提供更可靠的依據(jù),仍是今后所需要做的工作。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號】：TU472

【參考文獻】

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本文編號：1704167