雷诺方程在求解紊流运动中被广泛应用,但斯托克斯在首轮评审意见中未对这篇具有深远影响的论文给出积极、肯定的评价,解析该现象的内在机理有助于深入理解紊流模型和理论。通过梳理其推导过程,得到如下主要认识:纳维-斯托克斯方程具备物理学完备性,导致无法再“塞进”其他独立定律,所以封闭雷诺方程的物理定律是不存在的,确定雷诺应力的法理基础缺失。这一本质性缺陷表明,试图在雷诺方程的层面找到普适的彻底解决紊流问题的纯理论模型是不可能的。
气候变化与人类活动正影响着中国河流与湖泊的演变过程,快速发展的遥感技术为河湖系统的演变监测与保护提供了新方法。基于文献计量分析方法对中国河湖演变研究的遥感应用进展进行梳理,剖析了中国河湖演变研究文献数量、研究区域分布与传感器应用的变化,归纳了遥感技术在河湖演变治理中的应用热点与发展趋势,并从提高河湖监测时空间分辨率与准确率、基于遥感技术的河湖演变特征变化定量表征、深化河湖演变驱动因素分析、促进河湖演变与生态系统相互作用研究和构建新一代河湖遥感监测体系5个方面对河湖演变遥感技术发展进行讨论。遥感技术在当前的研究中展现出了巨大的潜力,利用遥感技术提升对河湖演变的认识对于流域综合治理具有重要意义。
疏浚作业时,以底泥释放为代表的内源污染治理问题变得日益突出,减少疏浚带来的水体二次污染是河湖治理中的重难点。通过二维数学模型FS3M进行全尺寸数值模拟,讨论分析了抓斗下行至触底过程的流速分布及悬沙输运特性,探讨了挟沙流动机制与悬沙扩散规律。结果表明:抓斗下行拖曳水体形成逆时针回流区,触底时回流强度与出流速度达到最大,随后逐渐减弱;出流携悬沙扩散至外侧并向上层水体输运,最终影响整个计算域;抓斗下行过程中减速策略对悬沙扰动有显著影响,速度减幅越大或减速起始高度越高,悬沙量越小。综合对比可知,D3与D5方案可作为较优的抓斗下行控制方式。研究成果可为河湖疏浚作业中悬沙扰动控制与环境影响评估提供理论参考。
为明确淮河中游典型分汊河道水沙特性变化及分水分沙规律,采用累积距平、M-K分析法、R/S分析法和Morlet小波分析法等方法,研究了分汊河道濛洼段1985—2020年来水来沙特性,探讨了水沙条件突变及变化趋势的驱动因素,基于水沙关系曲线分析了水沙协同关系与输沙能力的变化,定量给出了濛洼段各汊分流比和含沙量比。结果表明:王家坝站(总)年径流量总体未呈明显增减趋势,含沙量则表现出明显的减小趋势,未来一段时间继续呈减小趋势,在1995年左右发生突变,水库拦沙、农业种植改变下垫面及水土保持措施是含沙量减小的主要驱动因素;来沙系数呈减少趋势,外界影响系数a值逐渐减少,输沙特性拟合系数b值逐渐增大;濛河分流比与本段总来流基本呈正相关,随着流量增加,濛河分流的权重也逐渐升高,6 000 m3/s流量级以下分流能力略有萎缩,6 000 m3/s流量级可以与淮河干流平分上游来流,各汊点河道的含沙量比值近似等于各河道的水流挟沙力比值。以上结果为淮河中游水沙数值模拟中分汊河道含沙量计算模式提供理论支撑,为淮河中游河道整治采用长距离疏浚方案提供科学依据。
水资源承载力是评估区域可持续发展能力的重要指标之一,探究区域水资源承载力对实现区域可持续发展具有重要意义。以长江经济带为研究区域,构建基于水资源-社会-经济-生态环境4个子系统的水资源承载力评价体系,利用TOPSIS法、标准差椭圆对长江经济带2012—2021年水资源承载力的时空演变进行分析。同时,结合耦合协调度模型研究系统间的协调发展水平并应用灰色预测模型对未来5 a的水资源承载力进行了预测。结果表明:长江经济带的水资源承载力在研究年间呈波动上升状态,由警戒转变为良好状态,水资源承载力中心总体向承载力较低的西南方向移动;系统间的耦合度除2012年外均达高水平耦合阶段,且耦合协调度评价值由濒临失调逐渐转变为良好协调,系统耦合协调度不断上升;第三产业占比、城镇化率、人均日生活用水量是与水资源承载力关联性最强的3个因子;未来5 a水资源承载力发展呈现向好态势。研究结果可为长江经济带合理规划利用水资源、促进区域经济社会协调发展提供参考。
探究未来不同情景土地利用变化下农业水土资源空间分布及匹配状况,为流域尺度农业可持续发展规划和决策提供支持。利用FLUS模型预测不同情景下2035年石羊河流域土地利用空间格局变化,采用InVEST模型模拟产水量,评价石羊河流域农业水土资源时空匹配关系。结果表明:石羊河流域水土资源匹配格局整体呈现出西部优于东部,基尼系数介于0.2~0.3之间,未来表现出略微上升趋势,但仍处于比较均衡状态。石羊河流域2035年不同情景下平均水土资源匹配系数为797 m3/hm2,2020年水土资源匹配系数为640 m3/hm2,整体趋势向好。研究成果可为石羊河流域农业水土资源均衡管理提供参考依据。
在无资料地区气象、水文等观测资料缺乏,影响径流预报的准确性,直接影响水文预报和防汛抗旱工作的开展。分析无资料地区现有的降水、气温和径流数据在中长期预报中的适用性,进而实现径流预报非常重要。分别采用卷积神经网络算法(CNN)、双向门控循环神经网络(BiGRU)、注意力机制(Attention)和优化粒子群算法(IPSO)构建CNN-BiGRU-Attention、IPSO-CNN-BiGRU-Attention组合模型,再与门控循环单元模型(GRU)和ABCD水量平衡模型进行对比分析,并在玉龙喀什河进行综合评估,并结合SHAP可解释性机器学习方法探究最优模型中输入特征对径流影响的贡献程度。结果表明:加入降水和气温的组合模型IPSO-CNN-BiGRU-Attention预测精度整体优于CNN-BiGRU-Attention、GRU模型,与实际值能够较好地吻合;随着预见期的增加,提出的组合模型在验证期内均方根误差(RMSE)、平均绝对误差(MAE)、平均绝对百分误差(MAPE)、纳什效率系数(NSE)分别为2.11、1.32 m3/s、73.76%和0.94,并且在前3个月预报精度最高。该方法在缺资料地区月径流预报中具有较好的效果。
水库泥沙淤积是制约水库综合效益发挥的关键因素,采用传统工程清淤方式会引起底泥的再悬浮,导致底泥向水体释放营养盐,进而影响库区水环境。研究提出合理、切实可行的生态清淤方案,合理规避泥沙清淤所产生的水环境污染,是水库泥沙综合利用的前提。围绕新水沙情势下三峡水库淤积泥沙生态清淤需求,对比评估了现有水库清淤技术的特点、适用性及环保性,并结合三峡水库分段淤积特征,提出了适合三峡水库的环境友好型生态清淤技术。在此基础上,选取涪陵、忠县典型淤积河段作为典型区域,建立了二维水动力-悬浮泥沙数学模型,模拟该河段在不同清淤设备下的清淤效果,提出了典型河段生态清淤技术方案。研究成果为三峡水库库容保障及其长期有效使用和综合效益的可持续发挥提供科学依据。
长江安徽段作为长江下游的初始河段,其水质变化状况一直备受关注。基于2021—2023年长江安徽29个国考断面逐日水质监测数据,采用综合水质指数法结合主成分分析、相关性分析等多种方法探究水质时空变化特征及其影响因素。结果表明:①长江安徽段水质指数整体平均值为71.65,水质状况较好。其中,CODMn、NH3-N和TN为影响地区河流水环境质量的主要指标。②从空间上看,上游流域断面(除XK断面外)水质较下游流域更优,造成这一现象可能是由于上下游湖泊水系连通程度、矿产资源利用开发程度以及农业种植规模等有所差异。③从时间上看,受温度以及降水等气象因素影响,水质指数在4个季度上呈现先下降后上升的变化趋势,冬春季节水质优于夏秋季节。
准确估算生态系统碳源/汇量,探究其时空演变规律对于河北省国土空间优化管理及低碳转型具有重要意义。基于能源消耗数据、遥感数据、碳密度数据、水体碳通量数据、盐沼和滨海养殖数据,分别计算了河北省能源消耗碳排放情况、陆地生态系统碳汇和水体碳通量情况,并对河北省碳中和度进行了分析。结果表明:①河北省2000—2019年能源碳排放整体呈现不断增长的趋势,2019年碳排放量约为2000年的4倍,年均增长率约为6.98%。②河北省2000—2020年间生态系统净生产力(NEP)总量变化趋势波动大,但整体呈现上升的趋势;内陆水体碳通量年际变化不大,呈现略微上升的趋势;海水养殖蓝碳总体呈现出增长趋势,从2000年的0.66万t上升至2020年的3.56万t。③汇总河北省国土空间碳源/汇的核算结果,分析可知,2020年生态系统碳汇总量约能抵消3.54%能源碳排放。由此看来,河北省目前碳中和能力较低,低于全国平均水平(15%),减碳增汇压力巨大。
水库的修建严重破坏了库岸生态环境,水位的高频大幅涨落导致消落带生态环境恢复困难。选择河南天池抽水蓄能电站水库为研究对象,对其岩质边坡消落带进行生态修复,保障水资源安全。根据消落带生境特征,围绕抽水蓄能电站水库岩质边坡消落带生态修复重大需求,探讨面向植被生长基质构建、植物群落恢复和植被管护的复绿模式。经历一年多的修复后,该水库消落带植被长势较好,各段均未出现断裂及水土流失的现象,植物出水后的恢复、扩展和拓殖能力较强。在抽水蓄能电站水库岩质边坡消落带生态修复时,可将工程措施和生物措施相结合。常露区和水淹交替区采用土工格栅+生态袋+挂网复合技术,常淹区采用长丝生态袋+挂网复合技术,并在各段合理配置中山杉等13种适生植物。研究成果对于科学指导抽水蓄能电站水库岩质边坡消落带植被复绿具有重要意义。
基础冲刷是导致跨河桥梁水毁的主要原因之一。归纳了跨河桥梁基础冲刷近60 a来的研究成果,总结了一般冲刷、束窄冲刷和局部冲刷3个方面的研究进展,并分析了现有研究的不足。过去60余年,国内外学者基于水槽试验、原型观测、数值模拟等方法,围绕跨河桥梁基础冲刷开展了大量研究,取得了一系列研究成果,显著提高了跨河桥梁基础冲刷的设计水平。由于已有跨河桥梁基础冲刷研究多局限于顺直河道、非黏性河床、单桩结构等简单边界条件,研究方法多基于水槽试验和特定桥梁的原型观测结果,较少考虑人类扰动对河床演变的影响,相关结论和设计方法的适用性和可靠性有限。未来研究需要更好地将水槽试验、原型观测、数值模拟、理论分析、人工神经网络、深度学习等方法进行融合,系统深入开展受人类扰动影响和复杂边界条件的跨河桥梁基础冲刷研究,完善跨河桥梁基础冲刷的理论体系,提出适用性更广、可靠性更高的冲刷设计方法。
涵洞是沟通河系、连接生物生境的重要通道,在其中布置小型挡水结构可有效减小局部流速,增加弱游泳能力鱼类上溯成功率,提高涵洞的生态效益。为明确设置三角形挡水隔板涵洞内水力特性,在水槽单侧布置多个三角形挡水隔板模拟涵洞中的小型挡水建筑物开展水槽试验研究,利用SonTek声学多普勒流速仪(ADV)采集三维流速数据,分析挡水隔板后流速分布、湍流特性、动量输运模式等,论证增设三角形挡水隔板系统对促进弱游泳能力鱼类(小鳈)上溯行为的可行性。研究结果表明:增设三角形挡水隔板,主流区流速仍能维持为25~30 cm/s,对主流区流速影响较小;在隔板边壁产生稳定的低速区(LVZs),其流速为-4~15 cm/s,相较光滑侧壁水槽低速区的面积占比由5%~10%增加为14.80%~18.07%;挡水隔板下游低速区水流湍动能和雷诺应力明显大于无挡水隔板侧的高速区,但未超过相应的鱼类游泳偏好阈值;水流动量交换以喷射和扫掠形态为主,该瞬时形态可提供更适宜弱游泳能力鱼类游动的流动环境。
弯道水流引起的凹岸侵蚀、凸岸淤积是河道治理的主要问题之一。为探明新型河道整治构筑物——调流桨片系统在弯道河流治理中的适用性,通过三维数学模型模拟180°U型弯道设置调流桨片前后的水流流场。结果表明,调流桨片顶部位于自由面以下0.3倍水深时,凸岸区纵向流速增大13.64%,弯道中心区最大横向流速减小37.63%,当调流桨片顶部上升至自由面附近时,凸岸区纵向流速增大21.67%,弯道中心区最大横向流速减小70.33%。调流桨片截断了横向环流,使顺时针旋转的单涡环流结构分解为与原单涡方向相同的2个涡体,加剧水流能量耗散,减小水流横向输移强度。横向流速减小、凸岸纵向流速增大有利于凸岸疏浚,为弯曲型河道治理提供了新的方法。
洞内消能即在隧洞内布置消能工,可优化枢纽布置、降低造价,在引调水工程中应用较为广泛。然而洞内消能水流流态复杂,理论性计算无法满足设计要求。以某灌区渠首引水隧洞洞内消能工为研究对象,通过大比尺水工模型试验,验证渠首引水隧洞洞内消能设计参数的合理性;并通过优化试验,提出适用于洞内消能的“消力池+消波梁”组合消能布置型式,解决洞内波浪高、洞顶余幅不足、空蚀空化等问题。研究结果表明:①无压洞内最大波浪高度减小67%,洞顶余幅可满足安全输水条件;②工作闸门后底板堰面曲线段和边墙扩散段局部最小水流空化数约0.37,堰面出现空蚀空化的可能性较低;③消力池底板沿程测点水流脉动压力均方根均未超过1.0×9.81 kPa,满足结构设计要求。与传统下沉式消能工相比,本文提出的“消力池+消波梁”组合消能型式消能效率显著提高,具有更好的消能特性,水工模型试验验证了优化方案的可行性。消能方案对于解决类似工程洞内水面波动大、难以满足洞顶安全余幅的问题效果显著,消波梁作为洞内消能工,对隧洞过流能力几乎不构成影响,具有一定的普适性。研究成果可为大型灌区渠首消能设计提供参考和借鉴。
针对引江济淮工程渠段地层中软弱结构面导致的不良地质边坡失稳问题,为探究裂隙对渠段边坡稳定性的影响,选取渠段膨胀土进行室内三轴试验,分析了裂隙贯通率对土体的强度性质的影响。研究结果表明:裂隙改变了土体破坏的应力模式,随着贯通率的增加,试样的应力-应变曲线由应变硬化型转变为应变软化型。试样的极限破坏偏应力与裂隙面的抗剪强度指标均随着贯通率的增大逐渐减小。当贯通率由0增加到66.7%,黏聚力和内摩擦角分别下降42.0%和30.9%,表明裂隙的出现与拓展是造成土体强度性质劣化的主要原因。研究成果对于预测工程中土体裂隙面的抗剪强度指标有一定的参考意义。
过河段顶管工程水文地质条件复杂,流固耦合下岩土体的重度增加、内聚力和内摩擦角降低,顶管施工中会进一步加剧土体的变形,甚至造成突水冒顶事故。以某市雨污分流工程的过河段顶管施工为依托,分析了河床地表沉降机理;运用COMSOL软件建立过河段顶管施工三维数值模型,采用强度折减法对岩土体的c、φ值进行折减;深入研究了过河段顶管施工周边土体的应力、河床地表沉降及管道直径、注浆压力和土体弹性模量等参数对地表沉降的影响规律。研究发现:河床地表沉降数值模拟结果与Peck经验公式吻合度较高;管道周围土体应力呈近“M”型分布,且距离管道越近,土体应力曲线更接近“M”型;管道直径越大,最大沉降越大且沉降槽越宽;注浆压力越大、弹性模量越小,顶管开挖对土体的扰动程度越大,河床地表沉降也越大。
为了研究季节性温度边界条件对冻土路基融化固结特性的影响,对三维非线性大变形融化固结理论进行修正,引入季节性温度边界条件,并采用摩尔-库伦准则描述土体融化后进入塑性阶段的沉降,建立了能够考虑季节性温度边界条件影响的三维非线性塑性融化固结理论模型。在此基础上,采用FLAC3D软件对所建理论模型进行数值实现,并以青藏公路某段高含冰量路基为例,分析了其在季节性温度边界条件下的融化固结规律,最后结合实测数据验证了所建理论模型的有效性。研究结果表明,冻土路基的沉降随着地表温度的季节性变化而呈现出周期性的变化规律,这是季节性温度边界条件下冻土路基融化固结规律的最显著特征。在路基土体自重长期作用下,其垂直有效应力的分布范围会随时间逐渐扩展。通过对固结过程中孔隙水压力分布的研究发现,路基浅层融化区域内的孔隙水在运营初期已经消散,而在之后长时间的运营过程中,冻土路基融化沉降的持续发展主要是由于融化锋面处新融化的孔隙水的消散。
地下水位是地下结构工程抗浮设计的关键参数,为明确裂隙岩层中地下水位动态变化对降雨的响应规律,运用实测手段,测试得到裂隙岩层中的水位变化数据和场地的降雨量数据,并对两者进行线性拟合分析。结果表明:地下水位变化与降雨密切相关,丰水期升高、枯水期降低,水位峰谷变化幅度范围为3.34~17.55 m;另外,地下水位增量随降雨量的增长斜率在0.006~0.025之间变化,反映出地下水位变化对降雨的响应快慢不一,主要受降雨强度、场地地势、地表水系和开挖施工等因素的影响。结合岩层的透水性可给出抗浮设计建议措施,裂隙岩渗透系数>20 m/d时,地下结构需增强被动抗浮措施或增加主动排水减压措施,渗透系数在10~20 m/d时需适当增加抗浮安全系数,渗透系数<10 m/d时则按正常工况设计。研究成果可以为地铁车站抗浮设计提供参考。
地下储油洞库一般选址在坚硬的结晶岩地区,洞室围岩稳定问题主要表现为局部的块体失稳。块体理论采用几何拓扑学方法分析地质结构面相互切割形成的块体及其稳定问题,是分析地下洞室围岩稳定性的理想工具。依托某在建地下水封洞库工程,总结形成了工程岩体开挖现场块体预测分析流程。首先,根据前期勘察和主洞室顶层开挖获得的地质素描资料,分析总结主洞室结构面发育规律;然后,对结构面进行组合,利用全空间赤平投影法,判别各组合在主洞室中下层边墙可能出现的可动块体和关键块体;随后,采用最大块体形态分析方法,对关键块体进行几何形态分析,剔除“浅埋型”和“尖长型”这两种非支护关键块体,获得需支护关键块体;最后,对需支护的“端正型”关键块体提出支护建议。研究成果为洞室围岩支护设计提供了理论分析依据,在岩石地下工程建设中具有重要的推广价值。
为推广大粒径骨料沥青混凝土在水利工程中的应用,探究了相同配合比,不同影响因素条件下大粒径骨料沥青混凝土的应力应变、剪胀特性,在剪切大变形条件下(轴向应变εa=30%)对最大粒径Dmax分别为26.5、31.5、37.5 mm沥青混凝土进行了静三轴试验研究,为进一步比较Dmax分别为19、37.5 mm沥青混凝土心墙的差异性,基于未考虑心墙和堆石体接触的有限元模型对新疆某典型工程沥青混凝土心墙进行了对比分析,结果表明:随着骨料粒径增大,沥青混凝土的应力-应变曲线由软化型转为硬化型;相同围压条件下,大粒径骨料(Dmax>19 mm)沥青混凝土的切线模量Et低于Dmax=19 mm沥青混凝土,围压增加时,Dmax=37.5 mm沥青混凝土的最大偏应力、最大体应变相较于Dmax=19 mm沥青混凝土都有所下降,适当增大最大骨料粒径可以减弱剪胀性;提出了初始物理参数(围压、不同最大粒径)计算相变应力比Mpt的表达式,可作为大粒径沥青混凝土剪缩剪胀转化的判断依据,Mpt越大,剪胀性越强;大粒径沥青混凝土心墙沉降率、最大小主应力和最大大主应力均几乎无差异。研究成果有助于推动大粒径沥青混凝土在高应力、深厚覆盖层条件的高坝工程的应用。
箱筒型基础防波堤是港口区域软土地基中较优的防波堤结构形式,为了探究其承载特性,通过大比尺的模型试验和数值仿真,研究了箱筒型基础防波堤的横向承载特性,分析了其受荷响应、失效模式、转动特性及与地基的相互作用。研究发现:横向荷载作用下,箱筒型基础整体失效模式为一般剪切破坏;准弹性阶段防波堤向荷载方向转动,转角与横向位移线性相关;塑性阶段临界位移约为基础长度的1.0%,变位模式由滑移为主向转动为主转变;失效阶段临界位移约为基础长度的3.0%,变位以转动为主;循环位移荷载作用下,正旋转发生循环硬化,负旋转发生循环退化。研究成果有助于完善箱筒型基础结构的计算理论。
为保证盾构掘进施工路线尽可能地吻合设计轴线,提高工程施工质量,基于深度学习技术,提出了一种新的盾构姿态WM-CTA预测模型。该模型主要由数据前处理模块(小波变换、最大信息系数)和预测模块(卷积神经网络和注意力机制)2个框架组成,选取沈阳某在建盾构隧道某区间的监测数据对模型的预测性能进行验证。首先利用试验对数据进行了降噪和相关性分析,然后分析了模型的预测性能和泛化能力。试验结果表明:经过小波变换处理后的监测曲线更平滑,减少了数据点之间发生突变的频率;通过相关性分析发现盾构施工参数对盾构姿态的影响大于土体参数,可对输入参数维度进行精简;与4种基准模型进行对比发现,提出的WM-CTA预测模型预测效果最好,且计算效率较高,同时还通过试验进一步验证了该模型具有较好的泛化能力,可为以后类似的工程提供参考。
西北内陆干旱区广泛分布粗粒盐渍土,盐分类型多样,工程性质复杂,有别于一般的细粒盐渍土,对工程建设危害严重。引入2种不同表面特性的纤维,结合室内纤维吸水试验、扫描电镜试验(SEM)、X射线能谱分析(EDS)和无侧限抗压强度试验等方法,对不同含盐量盐渍土改性前后的强度变化规律开展研究。试验结果表明,含盐量增大使盐渍土应力-应变关系逐渐由应变软化型向应变硬化型转变,无侧限抗压强度呈现先增大后减小的趋势,含盐量1.5%时最大,较非盐渍土提高约40.3%;不同纤维对盐渍土抗压强度的影响效果和机制与纤维的微观构造、盐分溶解度和结晶度、水盐吸附作用等密切相关。木质素纤维具有良好的吸水吸盐性,提高了盐分的溶解比例,盐分多聚集在纤维表面,对弱-中-强盐渍土的抗压强度有改善效果,最优掺量在2%左右,强度增幅12%~118%,但对超盐渍土,强度反而降低;聚丙烯纤维对盐分的吸附效应不明显,纤维在土中交织成网络,更易发挥其抗拉性能,显著增强盐渍土的强度,随纤维掺量的增加,强度增幅呈现先增后减的趋势,弱-中-强盐渍土最优纤维掺量为0.35%,强度最大增幅可达150%~213%。
为了研究酸碱赋存条件对膨胀土力学特性的影响,选取引江济淮工程C003标段膨胀土,通过自制的淋滤试验装置进行不同pH值酸碱溶液的膨胀土淋滤试验,基于界限含水率试验、三轴固结排水剪切试验探究膨胀土强度变化与溶液pH值的关系,并通过化学成分、X射线衍射分析物理力学特性变化的内在机理。结果表明:经酸性溶液淋滤后土体液塑限呈减小趋势,抗剪强度随pH值减小出现明显劣化;经碱性溶液淋滤后土体液塑限呈增大趋势,抗剪强度随pH值增大出现明显增强。微观试验发现,经酸性溶液作用后颗粒扩散层厚度变薄,胶结物遭到溶蚀,土体结构变差,因此,淋滤后试样表面存在孔洞,力学特性随pH值减小逐渐劣化;经碱性溶液作用后颗粒扩散层厚度变厚,土体体积出现膨胀,新生成的胶结物充填内部大小孔隙,土体结构变密实,因此,力学特性随pH值增大逐渐增强。
桩土应力比是浅埋岩软土地基中刚性桩复合地基设计的关键参数,但其取值规律及影响因素尚不明确。依托某混凝土闸坝工程,通过室内物理模型试验,系统研究单桩复合地基的承载特性与桩土应力比,分析垫层类型、桩受力情况、桩距及桩端持力层等因素的影响,获取桩土应力比随荷载变化规律及承载力对应的桩土应力比。结果表明:随荷载增加,摩擦桩桩土应力比先增后减,端承桩桩土应力比基本持续增大;水泥土垫层可显著提高复合地基承载力与桩土应力比,其最大桩土应力比约为砂砾石垫层的2倍;桩端持力层强度与桩间距对桩土应力比影响显著,可通过增大桩间距、调整桩端持力层来优化方案;端承桩复合地基在水泥土垫层下的承载力与砂砾石垫层接近,但桩土应力比更高,可采用复合嵌入式褥垫层以兼顾防渗与应力调节需求。研究成果可为浅埋岩软土刚性桩复合地基优化设计提供理论依据。
为探索南沙软土的抗剪强度性能,分析了南沙数十个场地勘察数据。对软土现场十字板剪切试验结果进行线性回归得出固结快剪强度指标;对本地区软土进行了三轴压缩试验,得出固结不排水抗剪强度、固结排水抗剪强度指标;利用无侧限抗压强度试验、十字板剪切试验求得不固结不排水抗剪强度指标;对无侧限抗压强度和十字板剪切试验结果进行了灵敏度分析。结果表明:①同一埋深淤泥质土的快剪强度指标黏聚力cq、内摩擦角φq大于淤泥的试验结果;②埋深0~10 m的软土固结快剪强度指标黏聚力ccq为11.06~11.98 kPa、内摩擦角φcq为2.40°~3.11°,埋深10~20 m的软土ccq为5.56~13.70 kPa、φcq为1.25°~4.76°;③软土三轴固结排水抗剪强度指标黏聚力c'、内摩擦角φ'分别约为13.75 kPa、14.76°,三轴固结不排水抗剪强度指标黏聚力ccu、内摩擦角φcu分别约为13.13 kPa、11.50°;④原状软土不固结不排水抗剪强度指标τf约为14.84~15.83 kPa,重塑土不固结不排水抗剪强度指标τr约为4.99~7.63 kPa,重塑土的抗剪强度指标τr约为原状土τf的1/3~1/2,主要表现为中灵敏度。研究成果可为本地区软土工程项目建设的基坑设计、地基处理和验算等提供参考。
