软土地基虹吸排水理论分析与模型试验

发布时间：2020-06-12 16:56

【摘要】：软土地基处理历来是岩土工程的技术难题,如何能够经济高效地提高软土体的固结排水效率,同时,又要对周边环境造成的影响降到最低,这是每一个从事软土地基处理的岩土工程技术人员需要考虑的问题。传统的井点降水技术可以迅速降低软土层内部的地下水位,从而可以用于防止软土基坑发生土体渗透破坏。论文利用井点降水技术的优势,同时结合传统的砂井地基方法,创造性地提出了一种虹吸排水联合堆载处理软土的方法,并对相关问题开展了理论分析和模型试验研究。(1)针对软土渗透系数小而虹吸排水能力强的特性,将竖向排水体打穿软土层的渗流问题处理为定降深完整井抽水非稳定流问题,通过理论推导,获得了定降深完整井抽水非稳定流问题中,水位和流量的近似解,对比表明所推求的近似解与严格的解析解吻合较好,在实际的定降深抽水工程应用中,获得的降深和流速变化也与实测数据吻合。(2)在非稳定井流理论的基础上,针对软土虹吸排水技术特性,提出了不考虑越流的潜水完整井定降深非稳定井流模型,并采用Boltzmann变换,得到了该数学模型的解析解,可以描述软土在虹吸排水过程中,地下水位降深变化和虹吸流量变化,对比经典解析解结果和试验测试结果,表明所提出的解析解误差较小,能满足工程应用的需求。(3)采用物理模拟方法,研究了应用虹吸排水联合堆载后软土内部孔隙水压力、地表沉降以及排水流量的变化特性,通过与传统砂井地基固结理论计算得到的孔隙水压力和沉降变化进行对比,表明采用虹吸排水联合堆载预压处理地基时,土体内部以径向渗流固结为主,该方法通过降低塑料排水板中的水位,促进软土中地下水渗流,可以提高土体排水速率,且渗流方向由上而下,与土体自重方向一致,可加速土体的固结沉降。(4)通过对比分析虹吸排水联合堆载固结方法与无堆载下虹吸排水固结模型试验,以及无虹吸作用下的堆载固结模型试验中孔隙水压力、固结度以及竖向排水体中的流量变化,表明所提出的虹吸排水联合堆载固结方法可以更快提高土体强度,在实验室尺度下,采用虹吸排水可以缩短土体固结时间约为20%。有堆载情况下,最终的地表沉降和沉降差均大于无堆载下虹吸排水固结试验结果,而沉降和孔隙水压力的稳定时间相近,表明堆载作用无法提高土体的排水效率,但堆载作用使土体更加密实。说明虹吸排水联合堆载技术具有明显的优势。(5)开展了虹吸排水群井模型试验,分别进行了单井、双井以及三井模型试验,通过对土体底部孔隙水压力、土体表面沉降以及排水板内虹吸流量的变化分析,表明群井条件下的孔隙水压力、沉降达到稳定的时间显著小于单井条件下达到稳定的时间。(6)应用水动力学理论,采用颗粒沉降模型,对土柱在虹吸水流作用下的运动特性进行了分析,表明土柱容易在虹吸管弯曲圆弧段形成淤堵,可以通过减小虹吸管弯曲圆弧段半径、降低虹吸管出水口高度以及减小虹吸管长度,达到减小淤堵。
【图文】：

虹吸作用,高扬程,虹吸现象,压力

况下的抽水试验和数值模拟研究。逡逑１．４虹吸排水方法研究现状逡逑虹吸现象是由于液态分子之间存在引力和位能差导致的，如图１．２所示，由逡逑于１断面和３断面存在位能差，导致１断面处的液体通过虹吸管向上运动，液逡逑体运动到最高处后，向底部的容器流出，直至１断面和３断面的液面高度相同。逡逑虹吸管内的液体可以在虹吸作用下，持续不断地向低高程液面流动，因此可以逡逑实现液体的免动力跨流域运输。逡逑人们很早就注意到了虹吸现象，并将该现象应用于日常生活中。在中国古代，逡逑出现了很多利用虹吸原理的装置，例如东汉末年出现的用于灌溉的“渴乌”、西南逡逑少数民族用于饮酒的长竹管、宋朝出现的将山上的泉水引下山的竹管、以及中国逡逑古代利用虹吸原理制作的唧筒，，用于扑灭攻城打仗引起的大火等等［１（）６］。逡逑当前对虹吸现象已经有了很明确的认识，虹吸现象是由于液态分子间引力和逡逑位能差导致的

技术路线图,联合堆载,模型试验研究,新方法

图１．３虹吸联合堆载示意图逡逑针对新方法的探索性研究，本文进行了理论分析和模型试验研究，技术路线逡逑如图１．４所示。为了研究虹吸排水联合堆载固结方法的可行性和有效性，需要首逡逑先对其作用机理有一定的认识。由于虹吸排水速率较快，软土自身排水能力较弱，逡逑因此，在虹吸启动后，会把塑料排水板中的水位迅速降低，并保持在一个持续的逡逑低水位状态下，因此，虹吸排水的问题可以看成是定降深的抽水问题，而原有定逡逑降深的抽水问题公式复杂，难以应用，因此提出了近似解，并根据近似解的方法逡逑提出适用于软土地基虹吸排水的解析解，从理论角度解释该方法的作用机理。同逡逑时，为了说明该新方法的可行性，需要进行室内试验，为了突出该方法的优势，逡逑需要将室内模型试验结果与砂井地基理论解、砂N<地基模型试验以及仅有虹吸作逡逑用的模型试验做对比。在现场施工中，排水板以群井的形式布置，因此在室内需逡逑开展群井模型试验
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU472

【参考文献】