斜坡上复合衬垫系统剪力传递机理模型试验和数值模拟项目摘要

为防止渗滤液污染周边地下水及周围环境，填埋场常采用复合衬垫系统进行防渗。在垃圾沉降作用下，垃圾体将产生下拽力施加在斜坡上的复合衬垫系统上，易引起复合衬垫系统发生破坏。本项目首先通过单元体试验，测试基本力学特性，建立界面软化本构关系。再通过大型模型试验以及离心模拟试验，分别揭示低应力水平下和高应力水平下垃圾体与复合衬垫系统间及复合衬垫系统内部剪力传递机理以及多层不同材料之间协调受力变形机制。根据界面软化本构关系及模型试验揭示的剪力传递规律，采用FLAC软件进行程序开发从而实现复合衬垫系统变形的数值模拟。利用模型试验验证数值模拟的正确性，再分析不同因素对复合衬垫系统拉力的影响。最后通过调整复合衬垫系统的组合型式，实现复合衬垫系统长期安全性的控制。本项目的研究将为我国填埋场斜坡上复合衬垫系统的设计提供新的设计理论和方法。

本项目所有研究内容均按原定计划执行，目前已满额完成既定研究任务，达到了预期的研究目标和成果。 在试验方面，测试获得了我国典型土工合成材料的拉伸及抗剪强度特性，揭示了土工膜/GCL界面膨润土挤出机理，研制了复合衬垫系统大型斜坡试验装置，揭示了衬垫系统界面软化对上覆材料拉力的影响，研制了离心模型垃圾样和模型土工膜，开发了斜坡衬垫系统离心模型试验装置，揭示了垃圾沉降、坡度、界面强度等对衬垫系统拉力的影响规律。 在理论模拟方面，针对我国城市生活垃圾沉降变形大的特点，采用FLAC软件进行了土工膜在垃圾大变形下的受力分析，并采用试验结果进行了验证，获得了各种关键因素，如边坡坡角、填埋层数、上下界面强度、导排层等，对土工膜拉力的影响，揭示了土工膜拉力的产生机理。 在工程应用方面，提出了衬垫系统优化设计方法、衬垫系统界面剪切强度参数选择方法等，已被吸收到课题承担单位主编的行业标准《生活垃圾卫生填埋场岩土工程技术规范》（CJJ176-2012）。研究成果先后应用于杭州天子岭、苏州七子山等大型填埋场，取得了显著的经济和环境效益。 本项目研究成果共出版著作1部，发表学术论文6篇，其中EI收录论文4篇，授权和申请国家发明专利2项，获国家科学技术进步奖二等奖和教育部科学技术进步奖二等奖各1项。 在研期间，项目承担单位组织召开了第一届全国岩土多场相互作用及环境土工学术研讨会（2012年11月25~26日）及第七届全国岩土工程物理模拟学术研讨会（ 2013 年 11 月 2-3 日）等学术活动。 在人才培养方面，基于该项目共培养博士研究生1人，硕士研究生2人，其中已毕业2人。

本文以模型试验和数值模拟为基础，对传统复合地基及变刚度复合地基在竖向荷载作用下的力学性状进行分析研究，主要完成工作如下： 1.完成模型试验14组，对改变桩长和褥垫层厚度的单桩、群桩复合地基及变刚度复合地基在竖向荷载作用下的内力及变形进行了量测和记录，试验揭示了桩土相互作用、荷载传递过程、应力分布特点、沉降变形等规律。 2.利用ANSYS，系统地分析了不同桩长、桩径、桩体模量、加固区和下卧层土体模量、褥垫层厚度和模量等因素对复合地基力学性状的影响，对采用不同桩长的变刚度复合地基进行分析研究，为建立经验公式提供了必要数据。 3.针对群桩复合地基的差异沉降问题，进行了变刚度复合地基的必要性和方案研究。 4.提出了采用“桩体沉降法”来计算复合地基沉降的公式，该计算方法通过与模型试验结果和工程实测数据相比较，达到较高的精度，能直接应用于工程设计。在该沉降计算方法的基础上提出变刚度复合地基的沉降计算公式。 5.应用加权均值GM（1，1）模型对复合地基进行沉降预测，并与传统GM（1，1）模型相比较，具有更高的预测精度。

1 绪论

1．1 复合地基的定义、分类和形成条件

1．1．1 复合地基的定义

1．1．2 复合地基的分类

1．1．3 复合地基的形成条件

1．2 研究背景

1．3 复合地基效应与破坏模式

1．3．1 复合地基效应

1．3．2 复合地基破坏模式

1．4 复合地基的研究现状

1．4．1 试验研究

1．4．2 数值计算

1．4．3 复合地基承载力和沉降研究

1．4．4 变刚度理论研究

1．5 研究思想、方法和内容

2 模型试验设计

2．1 城市地下工程相似模拟试验系统介绍

2．1．1 模型箱体

2．1．2 加载系统

2．1．3 加载油路系统

2．1．4 数据采集系统

2．2 相似理论基础

2．2．1 相似理论概述

2．2．2 相似理论基础

2．2．3 相似定理

2．2．4 相似准则的导出

2．2．5 准则的判断和选择

2．2．6 物理相似模型试验设计的基本原则和设计步骤

2．3 模拟试验设计

2．3．1 罗列参数、求准则

2．3．2 试验内容

2．3．3 试验方案

3 模型试验结果及分析

3．1 单桩复合地基模型试验

3．1．1 p-s曲线

3．1．2 桩土应力比及荷载分担

3．1．3 桩身应力分布

3．1．4 桩侧摩阻力沿桩身分布

3．1．5 土体竖向应力沿深度分布

3．2 群桩复合地基模型试验

3．2．1 p-s曲线

3．2．2 桩土应力比及荷载分担

3．2．3 桩身应力分布

3．2．4 桩侧摩阻力沿桩身分布

3．2．5 土体竖向应力沿深度分布

3．2．6 差异沉降

3．3 变刚度复合地基模型试验

3．3．1 p-s曲线

3．3．2 桩土应力比及荷载分担

3．3．3 桩身应力分布

3．3．4 差异沉降

3．4 改变褥垫层厚度的复合地基模型试验

3．4．1 p-s曲线

3．4．2 桩土应力比及荷载分担

3．4．3 桩身应力分布

3．4．4 褥垫层对桩间土应力分布的影响

3．5 桩长、荷载对复合地基沉降的影响规律

3．5．1 单桩复合地基

3．5．2 九桩复合地基

4 数值模拟结果及分析

4．1 概述

4．2 ANSYS在土木工程中的应用

4．2．1 ANSYS简介

4．2．2 ANSYS在土木工程中应用介绍

4．3 有限元模型的建立

4．3．1 计算模型体系

4．3．2 单元划分

4．3．3 刚度矩阵的建立

4．3．4 方程组求解方法的选择

4．4 材料非线性的模拟

4．5 复合地基数值模拟分组方案

4．6 单桩复合地基数值模拟

4．6．1 桩长的影响

4．6．2 桩径的影响

4．6．3 桩身模量的影响

4．6．4 加固区土体压缩模量的影响

4．6．5 下卧层土体压缩模量的影响

4．7 褥垫层作用机理的数值模拟

4．7．1 褥垫层厚度的影响

4．7．2 褥垫层模量的影响

4．8 群桩复合地基数值模拟

4．8．1 桩长的影响

4．8．2 桩身模量的影响

4．8．3 加固区土体压缩模量的影响

4．8．4 下卧层土体压缩模量的影响

4．9 变刚度复合地基的数值模拟

5 实现变刚度复合地基的必要性与方案研究

5．1 控制沉降和差异沉降的重要性

5．2 差异沉降的产生

5．2．1 群桩中不同桩位的差异沉降

5．2．2 不同荷载下产生的差异沉降

5．2．3 桩体下不同下卧层的差异沉降

5．3 群桩复合地基应力场、位移场的分析

5．3．1 群桩复合地基应力场、位移场特点

5．3．2 群桩复合地基中桩、边桩、角桩应力场、位移场比较

5．4 实现变刚度复合地基的方案研究

5．4．1 改变桩长

5．4．2 改变桩径

5．4．3 改变桩体模量

5．5 变刚度复合地基应力场、位移场的分析

5．5．1 桩顶应力

5．5．2 负摩阻力和桩身**大应力

5．5．3 桩侧正摩阻力和桩端应力

5．6 变刚度调平设计的基本内容

5．6．1 变刚度调平设计的概念

5．6．2 天然地基箱基的变形特征

5．6．3 均匀布桩的桩筏基础的变形特征

5．6．4 均匀布桩的桩顶反力分布特征

5．6．5 碟形沉降和马鞍形反力分布的负面效应

5．6．6 变刚度调平概念设计

5．6．7 试验验证

5．6．8 工程应用

6 复合地基承载力和沉降计算

6．1 传统复合地基承载力计算

6．1．1 复合地基承载力计算模式

6．1．2 应力比公式

6．1．3 稳定分析法

6．1．4 粘结材料桩极限承载力计算

6．1．5 桩间土极限承载力计算

6．1．6 复合地基加固区下卧层承载力验算

6．2 传统复合地基沉降计算

6．2．1 复合地基沉降计算模式

6．2．2 加固区压缩量的计算方法

6．2．3 下卧层压缩量的计算方法

6．3 变刚度复合地基承载力计算

6．4 变刚度复合地基沉降计算

6．4．1 加固区压缩量的计算方法

6．4．2 下卧层压缩量的计算方法

6．5 桩体沉降法计算复合地基沉降

6．5．1 单桩复合地基

6．5．2 群桩复合地基

6．5．3 桩体沉降法与模型试验值检验

6．5．4 桩体沉降法与唐山会展中心广场沉降观测值检验

6．6 变刚度复合地基沉降计算经验公式推导

6．7 长短桩复合地基设计

6．7．1 长短桩复合地基适用范围

6．7．2 长短桩复合地基设计步骤

6．8 以沉降量为控制指标的复合桩基设计

6．8．1 桩土共同工作的客观现象中的主要特征

6．8．2 以沉降量为控制指标的复合桩基设计基本概念

7 应用灰色理论预测复合地基沉降

7．1 应用传统GM（1，1）模型进行沉降预测

7．1．1 传统GM（1，1）模型建立

7．1．2 模型精度的检验

7．1．3 预测分析

7．2 应用加权均值GM（1，1）模型进行沉降预测

7．2．1 加权均值生成

7．2．2 加权均值生成的性质

7．2．3 加权均值生成的逆运算

7．2．4 建模原理

7．2．5 预测分析

7．3 精度检验

参考文献 2100433B

颗粒流理论在以散体材料为主要特征的岩土工程的研究中具有重要意义。本书系统总结了颗粒流数值仿真技术在岩土工程中的应用及研究进展，详细介绍了数字图像无标点土体量测技术和土体细观量测技术在室内模型中的应用，利用颗粒流理论对各种岩土工程问题进行数值仿真模拟分析。通过试验结合数值模拟的方法从细观角度对岩土工程中的各种宏观现象进行解释，并揭示其力学机制。本书的内容涉及岩土工程领域中各种问题的细观力学机制，包括土体稳定破坏、桩土变形、饱和砂土液化、土的渗透破坏及地基加固等。

本书可供土建、水利、交通、铁道等部门从事科研、设计、施工和勘察工作的科研人员参考，也可作为高等院校土建相关专业的高年级本科生和研究生的教材使用。2100433B