真空荷载下吹填淤泥排水固结淤堵特性微观数值模拟研究

发布时间：2020-10-21 05:25

　　 真空预压排水固结是吹填淤泥地基加固的主要方法,吹填土具有含水量高、压缩性大、土体颗粒尚未形成稳定土骨架等特性,使得土颗粒在水力梯度作用下向排水板迁移、堆积和压实,在排水板周围形成“土柱”,导致深层土体排水困难、地基强度达不到预期目标等问题。现有研究多从孔压消散值、固结度和地基强度等宏观指标来揭示吹填淤泥地基排水固结淤堵特性,对真空荷载下吹填土颗粒的微观运动特性及其导致“土柱”范围变大、渗透系数减小等宏观现象的研究相对较少。本文采用离散单元法(DEM)模拟排水板滤膜和土颗粒、计算流体力学(CFD)描述孔隙水,建立吹填淤泥排水固结的微观数值仿真模型,分析真空负压引起的孔隙水和土颗粒的相互作用,揭示土颗粒迁移与接触、土体孔隙形态演化以及排水板滤膜中土颗粒滞留等吹填土排水固结的微观淤堵机理。主要研究工作及成果如下:(1)总结了地基排水固结中排水板的淤堵问题,讨论了土体颗粒微观数值模拟的研究现状和不足;总结了计算流体力学(CFD)和离散元(DEM)基本原理,并对CFD-DEM耦合原理,相互作用力及相关软件(SediFOAM)进行介绍;(2)建立了单颗粒静水中自由沉降模型和太沙基一维固结模型,通过数值模拟解与理论解的对比,验证了CFD-DEM耦合求解器SediFOAM的正确性;(3)采用离散元(DEM)模拟土体颗粒和排水板滤膜,计算流体力学(CFD)描述孔隙流体,建立排水板淤堵模型;采用六方堆积结构模拟排水板滤膜,建立不同级配土体颗粒模型,在不同负压压差下再现土颗粒迁移运动以及滤膜淤堵过程。分析淤堵过程中土体颗粒在滤膜孔隙口的运动特性,统计滤膜表层各区域的孔隙比和渗透系数变化情况。研究表明,滤膜表面形成的致密土层(反滤层)是造成排水板滤膜淤堵的主要原因。在淤堵形成过程中,反滤层渗透系数和孔隙比在短时间内急剧下降并趋于一个稳定值,该值大小与施加的水力梯度大小无关,与颗粒级配有关。反滤层的渗透系数与孔隙比在lg-坐标中呈线性关系;(4)采用离散元(DEM)模拟土体颗粒和排水板滤膜,计算流体力学(CFD)描述孔隙流体,模拟排水板表面反滤层形成的过程。通过对不同高度和粒径颗粒的统计研究发现,在反滤层形成过程中,大粒径颗粒先于小粒径颗粒到达稳定状态,形成反滤层的主体结构;小粒径颗粒在大粒径颗粒形成反滤层主体结构后,继续在其孔隙中运动,使反滤层愈发致密。
【学位单位】：浙江工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TU447
【部分图文】：

究背景着世界经济的高速增长，用地需求量激增，土地资源已成为制约各国展的一大瓶颈。地势低平、国土面积狭小的荷兰自 13 世纪起就开始地，如今荷兰五分之一的国土是人工填海而成的；人口稠密，土地资，近几十年围海造陆达 200 平方千米，包括著名的神户人工岛以及港。近年来，我国经济发达的沿海地区如京津冀、长三角、珠三角都的围海造地，以缓解日益紧张的生活和生产用地需求，如唐山曹妃甸飞工程、上海临港新城、澳门国际机场等都是近年来我国重要的围海工程[1]。其中，国内规模最大的单体围垦项目温州瓯飞工程规模达 4温州市建成区面积 2 倍。为缓解可持续发展的土地资源制约，可以和其他滨海国家将在人工吹填地基上大量进行港口口岸和城市基础

浙江工业大学硕士学位论文淤泥一般含水量高达 80%~200%，黏粒含量高，塑性指数大，强度极低淤泥地基在吹填完毕后还需经过几年的晾晒，待其完成自重固结，形成稳后，再进行加固处理。但随着城市发展和开发建设脚步的加快，要求新近不经过长时间晾晒而直接进行加固处理。吹填土地基广泛采用真空负压技术[2]，即在土体中插入预制竖向排水板，在土体表面覆盖密封的土工抽真空形成负压，负压沿竖向排水通道向下传递，在负压作用下，土体中逐渐渗流到竖向排水通道中，超孔隙水压力逐渐消散，从而达到土体排水增加的效果。已有工程实践表明虽然在吹填地基土处理早中期，排水板的孔压的消散及地表沉降等都有显著变化，但依然存在深层土体排水困难达不到预期目标、需要二次插板处理[3]以及加固工期较长等问题。

图1-3土柱示意图Figure 1-3. Schematic diagram of soil column2 国内外研究现状.1 吹填土排水固结研究现状吹填土地基与自然沉积的软土地基同属软弱地基，吹填土排水固结研究需传统固结理论的研究经验，但吹填土的高含水率、未形成稳定土骨架的特性使研究不能简单的套用传统固结理论。洪振舜[6]在 Gibson[7]提出的大变形固结理础上，采用显式与隐式差分相结合的方法对固结方程进行离散，建立了吹填土大变形固结模型。刘莹等[8]针对吹填土提出了结构强度的概念，并通过压缩试到了结构强度与固结压力的关系曲线，并从微观结构受力的角度对结构强度长机理进行分析。王冠英[9]将宏观与微观试验方法相结合，对不同地区的吹填行结构特性及应力历史进行研究，并分析了结构强度的形成原因。谢海澜[1出采用水泥与生石灰处理吹填地基，通过对土体进行工程地质与结构性的分比，证实了该方法的可行性。牛岑岑[11]等通过室内试验对天津地区吹填土的
【参考文献】

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本文编号：2849699