长期热循环下桩土力学特性及作用机理研究结题摘要

本项目围绕热交换桩，采用室内试验、模型试验、理论和数值方法，开展了长期热循环下桩土力学特性及作用机理研究。首先采用温控静动三轴仪，开展了不同温度（25℃、45℃和65℃）、不同围压（100kPa、150kPa、200kPa）及先加温后剪切、先剪切后加温条件下宁波软黏土的热力学特性，分析了温度对土的应力~应变及抗剪强度等指标的影响。其次，研制了大型温控固结仪，开展了循环温度下土的固结试验，获得土的e~p、e~logp曲线及压缩系数等指标；在广义三元件模型、西原模型基础上，引入考虑温度影响的元件参数，建立了耦合温度的三元件流变模型和西原模型，探讨了的热流变固结性状。第三，以宁波软黏土为对象，开展预制热交换桩桩-土模型试验，研究了温度对桩身轴力、桩侧摩阻力、桩顶位移、桩身应力应变、土体孔压、地表沉降等的影响规律，揭示了长期热循环作用对桩基承载特性的影响。最后，考虑能源桩桩土界面法向温度应力增量对初始剪切刚度的影响，对传统桩土界面荷载传递双曲线模型进行修正，建立了考虑温度影响的桩土界面荷载传递模型，分析了温度对能源桩侧摩阻力的影响；并基于上负荷面、tij和温度等价应力概念，提出了可考虑超固结比、结构性、温度效应和中间主应力的黏土热弹塑性本构模型，并进行二次开发，在Abaqus程序中开展热交换桩基承载特性数值模拟，计算获得不加热(室温30℃)、加热至45℃(60℃)、先加热至45℃(60℃)再自然降温至30℃、先加热至45℃再自然降温至30℃(进行两次循环加热)六种工况及30℃→45℃→30℃(两次循环)工况下桩土温度、应力、孔压时程曲线，荷载沉降、桩侧阻力、桩身轴力，进一步阐明长期热循环作用对桩基承载特性的影响机理；利用有限元模型，计算分析了长期热循环作用下热交换桩有承载力特性，评价了长期热循环作用对热交换桩基础承载力设计的影响，并提出了长期热循环作用下桩端和桩侧后注浆对热交换桩附加沉降的控制措施。 2100433B

热交换桩技术是与桩基工程协同施工的、新的建筑节能技术。在长期热循环作用下，桩土力学特性、界面荷载传递及作用机理等是亟待解决的关键科学问题。为此，本项目采用室内试验、模型试验、理论建模和数值模拟相结合的方法，首先对桩周土开展热排水三轴剪切试验、热固结试验，定量地揭示温度对土的强度、固结和应变累积特性的影响，判定土的热硬化或软化规律；其次采用模型试验方法，开展不同温度增量及循环加热/卸热作用下的桩基静载荷试验及测试，揭示热交换桩的长期热循环作用机理；在此基础上，建立桩土界面剪应力-位移模型及桩土系统数值模型，将计算结果与模型试验结果相互验证，评价长期热循环效应对桩基承载力的影响，进而优化热交换桩的设计计算，提出相应的技术措施。本项目一方面旨在揭示复杂环境条件对热交换桩基础工程特性的影响，促进学科交叉，另一方面为热交换桩基础的优化设计提供必要的科学依据和技术支撑。

着眼于路堤下搅拌桩复合地基工后特性的研究，探讨搅拌桩处理软土路基工后数年没降过大的原因。利用理论分析、室内试验和现场监测等手段，来研究搅拌桩工后在路堤荷载和交通荷载共同作用下的长期变形特性，提出工后没降计算方法，利用系统工程，预测学等边缘学科的理论，进行沉降工期预测模型研究，预估远期沉降、从而达到控制沉降的目的。 2100433B

针对碎石土边（滑）坡、堰塞坝、土石坝等堆积体中普遍存在的内侵蚀现象，围绕碎石土内侵蚀演化特性以及作用机理的问题开展研究。鉴于当前内侵蚀模拟试验设备无法满足大粒径宽级配碎石土内侵蚀试验模拟的需要，拟研制适用于大粒径宽级配碎石土内侵蚀模拟设备，并开展应力及水力条件下碎石土内侵蚀演化试验模拟。以大量试验成果为基础，结合理论分析及数值模拟，解决碎石土几何条件与内侵蚀演化特征关系、应力及水力条件作用下碎石土内侵蚀演化规律、不同内侵蚀阶段碎石土刚度及强度的损伤演化机制等关键科学问题。构建碎石土内侵作用下力学和水力特性的损伤演化分析模型及计算方法，并运用在典型工程变形破坏及稳定性分析中。利用现场监测与反馈信息，不断完善分析模型。最终形成适用于内侵蚀作用下的碎石土变形破坏分析的理论模型及计算方法，为碎石土边（滑）坡、堰塞坝、土石坝等堆积体变形破坏机制分析、工程治理设计等提供科学依据。

隧道-桩作用下软粘土的长期位移及其相互作用问题是地下工程中地下结构物与结构物之间、结构物与土之间复杂的相互作用问题，主要包括四个方面：隧道开挖对周围土体的影响；隧道开挖对已有桩基的影响；桩基施工及荷载对周围土体的影响；桩基施工及荷载对已有隧道的影响。本项目拟针对上述科学问题开展六个方面研究：1.隧道开挖引起周围土体的瞬时及长期位移；2.隧道开挖对邻近单桩基础受力和变形的瞬时及长期影响；3.隧道开挖对邻近群桩基础受力和变形的瞬时和长期影响；4.桩基施工及正常使用阶段对周围土体的影响；5.桩基施工过程对已有隧道受力和变形的影响；6.上部荷载施加及建筑物正常使用阶段对已有隧道受力和变形的影响。拟采用结构-土体-结构理论分析，建立土工离心机模型试验及现场试验,并进行数值反馈仿真。通过本项目研究，可望在理论与试验上揭示隧道-桩作用下软粘土的长期位移及其相互作用的机理，建立一套完整可行的设计计算标准。