壓實(shí)黃土的工程力學(xué)特性及微觀結(jié)構(gòu)研究項(xiàng)目摘要

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、建設(shè)進(jìn)度的不斷加快，建設(shè)用地緊張成為日益突出的問(wèn)題，挖山填溝成為黃土地區(qū)基本建設(shè)的一個(gè)重要手段。黃土狀填土地基和路基的強(qiáng)度、變形和穩(wěn)定性直接影響到上部結(jié)構(gòu)的正常運(yùn)營(yíng)和安全。保證填土的壓實(shí)質(zhì)量是保證工程質(zhì)量的關(guān)鍵。本項(xiàng)目通過(guò)理論分析和試驗(yàn)研究相結(jié)合，對(duì)壓實(shí)黃土狀填土的工程力學(xué)特性進(jìn)行系統(tǒng)研究，從影響壓實(shí)黃土狀填土工程力學(xué)性能的初始含水量、壓實(shí)度、擊實(shí)能等因素著手，利用現(xiàn)代化土工試驗(yàn)儀器和先進(jìn)的測(cè)試技術(shù)，從宏觀力學(xué)性能、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和微觀結(jié)構(gòu)特征、孔隙分布兩方面探討黃土的壓實(shí)機(jī)理，建立壓實(shí)黃土的本構(gòu)模型，尋求壓實(shí)黃土的水分遷移規(guī)律。為深化黃土力學(xué)理論、完善黃土填土設(shè)計(jì)方法、提高填土施工質(zhì)量提供了基礎(chǔ)研究和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)保障黃土填土工程的安全性、經(jīng)濟(jì)性具有重要意義。

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、建設(shè)進(jìn)度的不斷加快，建設(shè)用地緊張成為日益突出的問(wèn)題。挖山填溝成為黃土地區(qū)基本建設(shè)的一個(gè)重要手段，黃土狀填土的應(yīng)用日益廣泛。黃土狀填土地基和路基的強(qiáng)度、變形和穩(wěn)定性直接影響到上部結(jié)構(gòu)的正常運(yùn)營(yíng)和安全，填土的壓實(shí)質(zhì)量是保證工程質(zhì)量的關(guān)鍵。本項(xiàng)目利用現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)黃土狀填土的工程力學(xué)特性進(jìn)行了研究，得到了以壓實(shí)度和土體空隙率作為評(píng)判黃土狀填土壓實(shí)質(zhì)量雙控指標(biāo)的評(píng)判體系、基于改進(jìn)的割線模量法的填土地基沉降計(jì)算方法和黃土狀填土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的描述，為黃土狀填土地基的設(shè)計(jì)、施工提供了理論依據(jù)；采用多因素分析法對(duì)黃土狀填土的強(qiáng)度和變形的影響因素進(jìn)行了分析，得到初始含水量對(duì)黃土狀填土的壓縮變形特性和直剪強(qiáng)度的影響較擊實(shí)能更大，初始含水量和擊實(shí)能的交互作用對(duì)壓縮變形和強(qiáng)度的影響較其他因素更強(qiáng)；對(duì)黃土狀填土的微觀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和水分遷移規(guī)律進(jìn)行了研究，得到了基于分形理論的土體孔隙分布模型、適用于黃土狀填土的土水特征曲線理論模型、黃土狀填土中水分毛細(xì)遷移規(guī)律，并對(duì)黃土狀填土的壓實(shí)機(jī)理進(jìn)行了解釋，極大的豐富了黃土力學(xué)和非飽和土力學(xué)基礎(chǔ)理論。

以鐵路及公路大斷面黃土隧道為依托工程，在近年來(lái)承擔(dān)的相關(guān)研究項(xiàng)目及已有大量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用理論分析、數(shù)值模擬、離心試驗(yàn)、室內(nèi)模型試驗(yàn)等綜合方法，開(kāi)展大斷面黃土隧道施工時(shí)空效應(yīng)分析及支護(hù)結(jié)構(gòu)作用機(jī)理研究。主要內(nèi)容：研究大斷面黃土隧道變形特性、施工過(guò)程的時(shí)空效應(yīng)及支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)行為的變化規(guī)律，并提出施工過(guò)程沉降控制標(biāo)準(zhǔn)；研究淺埋、深埋大斷面黃土隧道錨桿的力學(xué)性能及其作用效果，提出大斷面黃土隧道取消系統(tǒng)錨桿的可行性；研究黃土隧道鋼架 噴混凝土的承載力隨時(shí)間變化規(guī)律，型鋼鋼架與格柵鋼架的性能及適用性，以及相應(yīng)的支護(hù)參數(shù)；在此基礎(chǔ)上，研究提出隧道合理的支護(hù)形式及支護(hù)參數(shù)。研究成果為黃土隧道的設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)，為施工中的變形控制提供理論依據(jù)和方法。

近年來(lái)我國(guó)高速鐵路及公路工程中修建了大量大斷面黃土隧道，揭示大斷面黃土隧道變形特征及初支與圍巖作用機(jī)理，從而采取合理的支護(hù)措施和施工方法是目前極需解決的問(wèn)題。項(xiàng)目以多座鐵路及公路大斷面黃土隧道為依托，采用理論分析、數(shù)值模擬、離心試驗(yàn)等綜合方法，開(kāi)展了大斷面黃土隧道施工時(shí)空效應(yīng)分析及支護(hù)結(jié)構(gòu)作用機(jī)理研究，主要研究?jī)?nèi)容如下：（1）大斷面黃土隧道變形特性；（2）大斷面黃土隧道施工過(guò)程時(shí)空效應(yīng)分析；（3）大斷面黃土隧道系統(tǒng)錨桿作用機(jī)理及效果研究；（4）大斷面黃土隧道格柵鋼架作用機(jī)理及適應(yīng)性研究。 項(xiàng)目收集了大量大斷面黃土隧道變形數(shù)據(jù)，明確了其變形規(guī)律，建立大斷面黃土隧道施工過(guò)程數(shù)值模擬計(jì)算模型，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)變形數(shù)據(jù)，分析了施工過(guò)程時(shí)空效應(yīng)。建立了大斷面黃土隧道錨桿作用數(shù)值計(jì)算模型和離心試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，闡明了錨桿作用機(jī)理，通過(guò)大斷面黃土隧道有、無(wú)系統(tǒng)錨桿現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，明確提出大斷面黃土隧道應(yīng)取消系統(tǒng)錨桿。建立了黃土隧道圍巖特征曲線和支護(hù)特征曲線力學(xué)計(jì)算模型，分析了格柵拱架 噴射混凝土、型鋼拱架 噴射混凝土與圍巖作用機(jī)理，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)，分析了格柵拱架適應(yīng)性，提出大斷面黃土隧道應(yīng)采用格柵拱架支護(hù)，建立了大斷面黃土隧道施工及變形控制體系。研究成果在鄭西高速鐵路，寶蘭客專、武西高速等工程了開(kāi)展了試驗(yàn)應(yīng)用，為我國(guó)大斷面黃土隧道順利修建提供了重要理論基礎(chǔ)和工程借鑒。 項(xiàng)目發(fā)表論文7篇，其中EI論文6篇，申請(qǐng)發(fā)明專利3項(xiàng)；培養(yǎng)博士生2名，碩士生4名，參加國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議3次，國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)會(huì)議3次；研究成果獲得省部級(jí)二等獎(jiǎng)1次，國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1次。 2100433B

本項(xiàng)目擬分別對(duì)加筋黃土試樣在自行改進(jìn)的大三軸剪切儀上進(jìn)行試驗(yàn)，同時(shí)進(jìn)行隨機(jī)地震荷載作用下加筋黃土動(dòng)三軸試驗(yàn)，研究加筋黃土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系及其強(qiáng)度特性，以獲得較合理的加筋層間距和加筋位置，建立加筋黃土的動(dòng)、靜本構(gòu)模型及其參數(shù)；通過(guò)黃土地基的動(dòng)、靜模型試驗(yàn)研究在靜力和地震動(dòng)力作用下加筋黃土地基中的應(yīng)力、應(yīng)變和破壞變形規(guī)律；在此基礎(chǔ)上，利用彈塑性力學(xué)、斷裂力學(xué)等觀點(diǎn)分析加筋黃土在不同加筋方式下的加筋機(jī)理及其破壞特征。最后，把試驗(yàn)中獲得的加筋黃土動(dòng)、靜本構(gòu)模型和參數(shù)引入實(shí)際地基工程進(jìn)行動(dòng)力和靜力有限元分析，研究加筋和未加筋地基在靜力和地震作用下的應(yīng)力和變形規(guī)律，和模型試驗(yàn)相對(duì)比，對(duì)加筋黃土的本構(gòu)模型進(jìn)行驗(yàn)證。本項(xiàng)目的研究成果將為加筋土技術(shù)在黃土地區(qū)的推廣使用將會(huì)產(chǎn)生很大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，同時(shí)，能使加筋土技術(shù)能在地震區(qū)得到合理運(yùn)用，具有極其重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義。 2100433B