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降雨条件下膨胀土与土钉支护结构相互作用研究

作　者: 李建华
导　师: 祝方才
学　校: 湖南工业大学
专　业: 岩土工程
关键词: 膨胀土土钉支护模型试验有限元分析位移轴力
分类号: TU476
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

自从上世纪90年代以来,随着城市建设的发展,或为了使用方便,或因为地皮昂贵,或为了符合建设管理规定及人防要求,我国的工程建设不得不向地下和地上发展。接着高层建筑和市政工程的大量涌现,必然需要大量的基坑产生。在我国中、小城市,特别是大城市、沿海城市尤其是特区,随着建筑趋向高层化,地下的发展需求量越来越大,基坑逐渐向大深度方向发展。对于工程地质条件十分复杂,基坑的开挖会产生较大的位移和沉降,对周围建筑物、市政和地下管造成影响,特别是降雨、震动等外界因素的影响对基坑的稳定性很不利。对于基坑维护的方法很多,然而由于土钉支护经济,结构简单可靠且工期较短等优点,使得土钉支护在基坑围护、边坡支护、隧道围岩支护中迅速得到推广和应用。依托湖南省教育厅科学研究基金资助项目(03C579)的课题研究,本文开展了降雨条件下膨胀土与土钉支护结构相互作用研究工作。通过室内试验、模型试验、有限元分析相结合的方法进行了研究,主要取得如下几个方面的结论和创新成果：(1)基于非饱和三轴试验系统,对不同含水量情况下南宁非饱和膨胀土的强度特性进行研究。研究表明：在定围压下,低含水量时的应力应变曲线呈微应变软化型,高含水量时的应力应变曲线呈应变硬化型；在低含水量的情况下高围压下的曲线呈应变硬化型,而低围压下剪切的试样其应力—应变曲线随着轴向应变的增加呈现出微弱的软化趋势。土体的抗剪强度对含水量的变化敏感性较大。随着含水量的增大,膨胀土的摩擦角线性减小；其粘聚力随含水量的增加先是增大,在最优含水量粘聚力达到最大值,随后随着含水量的继续增加,粘聚力逐渐减小。(2)通过改进的室内直剪试验,分别对南宁膨胀土和株洲红色粘土与混凝土块接触面进行直剪试验。试验研究表明：两者都可以用Mohr—Coulomb准则来描述接触面的强度,接触面的强度指标随干密度和直压力的增加而增大,随含水量的增加而降低。不同的是膨胀土接触面的剪切曲线呈加工软化型,而红色粘土接触面的剪切曲线呈加工硬化型。(3)通过建立室内模型实验,研究了土钉支护膨胀土边坡中不同含水量情况下的土钉受力特性、面板水平位移以及面板土压力变化规律。试验研究表明：土钉支护面板位移沿高度方向上呈中间大,两头小的抛物线形；由于膨胀土的吸水膨胀特性,坡顶向上隆起；对面板水平位移与含水量的回归分析,得知其与含水量的对数线性相关；土钉的存在,改变了边坡的应力分布,面板土压力的大小是基本是Rankine经验公式计算值的0.6倍。(4)基于大型有限元计算软件ADINA对试验模型进行数值仿真模拟分析,由计算结果与实测结果分析得到以下结论：模拟计算得到的土钉轴力、边坡位移与试验实测数据相吻合,说明本文的有限元模型是正确的,所以运用有限元软件来模拟计算实际工程,具有较高的应用价值。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-11
第一章绪论  11-23
  1.1 研究的背景与意义  11-14
    1.1.1 研究的背景  11-12
    1.1.2 研究的意义  12-14
  1.2 国内外研究现状  14-20
    1.2.1 膨胀土国内外研究现状及水平  14-17
    1.2.2 土钉支护结构的国内外研究现状  17-20
  1.3 本文研究的主要内容和方法  20-23
    1.3.1 研究目的  20-21
    1.3.2 研究的内容  21
    1.3.3 研究的方法  21-23
第二章膨胀土的本构模型及强度准则研究  23-35
  2.1 概述  23-24
  2.2 试验用膨胀土的基本性质  24
  2.3 膨胀土本构模型的研究  24-27
    2.3.1 Mohr-Coulomb(M—C)理想弹塑性模型  24-25
    2.3.2 Drucker-Prager(D—P)模型  25
    2.3.3 Duncan-Chang(D—C)模型  25-26
    2.3.4 Lade-Duncan(L-D)模型  26
    2.3.5 Cam-clay(Cam)模型  26-27
  2.4 膨胀土强度规律及其影响因素研究  27-34
    2.4.1 饱和土强度理论  28
    2.4.2 非饱和土抗剪强度理论  28-31
    2.4.3 非饱和膨胀土的三轴试验研究  31-34
  2.5 小结  34-35
第三章土与结构物接触面试验研究  35-50
  3.1 概述  35-36
  3.2 改进的直剪试验  36-37
  3.3 膨胀土与结构物接触面直剪试验  37
    3.3.1 土样介绍及土样制备  37
  3.4 试验结果分析  37-46
    3.4.1 垂直压力对剪应力的影响  37-39
    3.4.2 含水量对剪应力的影响  39-40
    3.4.3 干密度对剪应力的影响  40-41
    3.4.4 各因素对剪应力影响的比较与分析  41-42
    3.4.5 接触面剪切试验曲线及参数分析  42-43
    3.4.6 干密度、含水量对抗剪强度的影响分析  43-46
  3.5 红色粘土与结构接触面直剪试验研究  46-48
    3.5.1 干密度、含水量对剪切强度的影响分析  46-48
  3.6 本章小结  48-50
第四章膨胀土边坡土钉支护模型试验研究  50-62
  4.1 概述  50-51
  4.2 试验用膨胀土的基本性质  51
  4.3 模型试验  51-55
    4.3.1 模型试验设计  51-53
    4.3.2 模型试验的监测系统  53-55
  4.4 试验结果分析  55-60
    4.4.1 土体含水量结果及分析  55
    4.4.2 土钉轴力变化结果及分析  55-57
    4.4.3 边坡位移结果及分析  57-59
    4.4.4 面板土压力结果及分析  59-60
  4.5 本章小结  60-62
第五章岩土工程有限元法分析理论简介  62-72
  5.1 概述  62
  5.2 有限单元法解题的基本步骤  62-63
  5.3 岩土工程弹塑性问题有限元分析  63-66
    5.3.1 弹塑性刚度矩阵  63-65
    5.3.2 弹塑性增量有限元分析  65-66
  5.4 土的弹塑性模型  66-67
  5.5 渗流问题有限元分析  67-68
  5.6 ADINA在岩土工程中的应用  68-72
    5.6.1 ADINA系统概述  68-69
    5.6.2 ADINA在岩土工程中的应用  69-72
第六章土钉支护的有限元分析  72-84
  6.1 概述  72
  6.2 基本假定  72-73
  6.3 有限元模型建立  73-75
    6.3.1 单元选择  73-74
    6.3.2 基本参数的选取  74
    6.3.3. 计算模型网格的划分  74-75
    6.3.4 加载方式与求解过程控制  75
  6.4 数值模拟结果及分析  75-80
    6.4.1 边坡位移分析  75-78
    6.4.2 土钉轴力分析  78-80
  6.5 数值计算与实测结果的对比分析  80-83
    6.5.1 边坡位移对比分析  80-81
    6.5.2 土钉轴力对比分析  81-83
  6.6 本章小结  83-84
第七章结论与展望  84-87
  7.1 本文研究工作的总结  84-86
  7.2. 展望  86-87
参考文献  87-92
攻读硕士学位期间的科研与论文发表及奖励情况  92-93
致谢  93

降雨条件下膨胀土与土钉支护结构相互作用研究

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