淺談武廣客運專線紅粘土地基沉降數(shù)值分析及試驗研究

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1、中南大學(xué)博士學(xué)位論文武廣客運專線紅粘土地基沉降數(shù)值分析及試驗研究姓名：李珍玉申請學(xué)位級別：博士專業(yè)：巖土工程指導(dǎo)教師：王永和20090501摘要紅粘土是一種區(qū)域性較強的特殊土類，普遍認為它是一種較好的天然地基和良好的建筑材料，同時卻因為具有明顯的收縮性、裂隙性和分布不均勻等工程特性而存在著工程隱患。隨著我國西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施，在西南、華中、華南等紅粘土地區(qū)修建高速鐵路所遇到的紅粘土問題也越來越多。對紅粘土已有的研究成果尚很難解決高速鐵路無砟軌道對地基沉降量嚴格要求的問題。因此，進一步深入地開展紅粘土工程特性的研究具有重要的理論和工程實際意義。為此，結(jié)合武廣客運專線建設(shè)的實際需要和

2、鐵道部重大研究課題，綜合分析了國內(nèi)外在該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，并應(yīng)用室內(nèi)土工試驗、原位測試、現(xiàn)場工程監(jiān)測及理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對超固結(jié)殘積層紅粘土這一特殊土的變形規(guī)律，獲得的主要結(jié)論和研究成果如下：(1)基于武廣鐵路客運專線沿線工程地質(zhì)勘察報告，通過大量的室內(nèi)土工試驗，獲得該區(qū)域典型紅粘土的工程特性參數(shù)。采用概率統(tǒng)計的方法分析紅粘土各土性參數(shù)的空間變異規(guī)律，建立了各指標間的經(jīng)驗關(guān)系。研究了紅粘土隨埋置深度的增加，其含水量、孔隙比、液限、塑限、液性指數(shù)、塑性指數(shù)、壓縮模量、前期固結(jié)壓力等指標的變化規(guī)律。(2)通過室內(nèi)大量固結(jié)壓縮試驗和三軸剪切試驗，系統(tǒng)地研究了紅粘土的應(yīng)力歷史、

3、不同應(yīng)力水平下的應(yīng)力應(yīng)變特性、不同固結(jié)狀態(tài)下強度參數(shù)的變化規(guī)律，以及土層深度、圍壓等因素對紅粘土強度和變形的影響情況。(3)在紅粘土地基上進行了載荷試驗及靜力觸探試驗，分析了典型工點所得紅粘土地基的沉降變形曲線，及其在外荷載作用下的變形規(guī)律。將不同深度的靜力觸探參數(shù)與室內(nèi)土工試驗進行對比，得到了兩者參數(shù)之間的相互關(guān)系，并利用靜力觸探參數(shù)對紅粘土地基土層的固結(jié)性狀進行判斷。(4)鑒于該區(qū)域紅粘土的超固結(jié)特性，在分析紅粘土地基固結(jié)沉降變形時，充分地考慮了其應(yīng)力歷史的影響。分析了在外荷載作用下，超固結(jié)紅粘土地基可能出現(xiàn)的幾種固結(jié)性狀。對固結(jié)狀態(tài)變化時的分界面采用臨界孔隙水壓力表示，并運用

4、孔隙水壓力消散水平表示其消散的程度。(5)考慮超固結(jié)比沿深度變化的特征，建立了超固結(jié)飽和紅粘土的非線性固結(jié)控制方程。用有限差分法對固結(jié)方程進行數(shù)值計算，并用FORTRAN語言編制了相應(yīng)的計算程序，獲得了紅粘土固結(jié)方程的有限差分數(shù)值解。用本文的方法結(jié)合課題的試驗成果，分析了該區(qū)域紅粘土在外荷載作用下的固結(jié)性狀及其影響因素。(6')在工程應(yīng)用中，對武廣客運專線綜合試驗段的路基進行了373天的現(xiàn)場監(jiān)測。根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測的結(jié)果，分析路基填筑期間和完成后，紅粘土地基的地表沉降、分層沉降及孔隙水壓力的發(fā)展變化規(guī)律。除了運用本文方法對路基進行分析外，還采用有限元軟件ADINA對紅粘土路基進行數(shù)值模擬

5、。將理論計算結(jié)果與監(jiān)測值相對比，表明得到的理論分析值與現(xiàn)場測試結(jié)果之間較為吻合。(7)利用Bayesian理論對沉降修正系數(shù)進行了公式的推導(dǎo)。應(yīng)用均勻分布的經(jīng)驗分布作為先驗分布，在現(xiàn)場原位測試數(shù)據(jù)有限的條件下，利用小樣本貝葉斯分析，建立了后驗分布的概率密度函數(shù)，并采用馬爾科夫鏈蒙特卡羅(MCMC)方法和Gibbs抽樣法對該后驗概率密度進行取樣模擬，最大限度地利用有限的樣本信息，推求出沉降修正系數(shù)的后驗分布，進而對傳統(tǒng)的沉降修正系數(shù)取值進行了優(yōu)化。該方法最大程度地利用了以往的經(jīng)驗信息，充分地反映了其客觀性。這一方法與巖土相關(guān)參數(shù)統(tǒng)計的實際過程一致，具有較高的應(yīng)用價值，同時也為類似工程

6、地基的沉降計算提供了又一條分析途徑。關(guān)鍵詞紅粘土，超固結(jié)比，固結(jié)變形，有限差分法，Bayesian理論，沉降修正系數(shù)，MCMC法，Gibbs抽樣法IIABSTRACTRedclayisastrongerregionalspecialsoiltype．Itisconsideredthatredcalyisagoodnaturalfoundationandgoodbuildingmaterials．Atthesametime，therearealotofengineeringproblemsbecauseithasobviousshrinkage，cracksandunevendist

7、ribution，etc．WithChina’Swestemdevelopmentstrategyimplementation，therewouldbeinevitablymoreandmorequestionsaboutredclaywhenalotofhigh—speedrailwayswillbebuiltonredclaygroundinthesouthwest，centralandsouthernChinaareas．State—of-the-artrese