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        降雨過程粉質黏土地基承載力演化特性研究
        2019年06月05日 10:07         所屬學院: []          點擊:


        大學生創新訓練項目申請書

         

         

        項目編號       s201910536046               

        項目名稱

        項目負責人   劉宇峰    聯系電話   1597311389  

        所在學院             國際學院                 

            201703150216 專業班級  土木1702  

        指導教師                胡煒                  

        E-mail         29130415@qq.com             

        申請日期         201955號              

        起止年月        20194-202011月       

        長沙理工大學

         


             

         

        1、本申請書所列各項內容均須實事求是,認真填寫,表達明確嚴謹,簡明扼要

        2、申請人可以是個人,也可為創新團隊,首頁只填負責人。項目編號一欄不填。

        3、本申請書為大16開本(A4),左側裝訂成冊??删W上下載、自行復印或加頁,但格式、內容、大小均須與原件一致。

        4、負責人所在學院認真審核, 經初評和答辯,簽署意見后,將申請書(一式兩份)報送××××大學項目管理辦公室。

         

        一、 
        基本情況

        項目

        名稱

        降雨過程粉質黏土地基承載力演化特性研究

        所屬

        學科

        學科一級門:

        工學

        學科二級類:

        土木類

        申請

        金額

             20000

        起止年月

             20194-2020 11

        負責人

        姓名

        劉宇峰

        性別

        民族

        漢族

        出生年月

          199812

        學號

        201703150216

        聯系

        電話

        宅:          手機:15973113895

        指導

        教師

        胡煒

        聯系

        電話

        宅:          手機:18390999363

        負責人曾經參與科研的情況

        1)長沙理工大學大學生創新性實驗計劃項目公路邊坡新型防排水裝置的結構優化研究,2018.3

        2)長沙理工大學互聯網+大學生創新創業大賽項目土木plus科技有限公司,2018.5

        3)在石燕湖、岳麓山等地方進行多次工程地質勘察,2018.10

        指導教師承擔科研課題情況

        1)湖南省教育廳科研項目地震作用下巖體結構面力學性能演化規律及其對邊坡失穩風險的影響研究,2016.102018.09

        2)湖南省水利科技項目河道生態護坡安全控制技術研究,2018.052019.12

        指導教師對本項目的支持情況

        指導教師為本項目選題提供了一定建議,參與了申報書的修改和完善工作,同時,指導教師在完成該課題方面有充分的科研和試驗能力,對巖土體的理論分析、試驗研究、數據處理等積累了豐富的經驗,協同課題組對項目研究內容進行了深入分析和研究,制定了詳細的項目實施方案,明確了項目的實施目標,對本項目開展所需的實驗研究、理論分析、數據處理、報告撰寫等均能提供理論指導和技術支持。

        姓   名

        學號

        專業班級

        所在學院

        項目中的分工

        劉宇峰

        201703150216

        土木1702

        國際學院

        前期調研,研究報告與論文撰寫

        龍鑫洋

        201703150217

        土木1702

        國際學院

        研究條件準備和項目實施

        周寧杰

        201708020718

        土木1707

        土木學院

        前期調研,數據處理

        曹  濤

        201708020726

        土木1707

        木學院

        數據整理和分析

        i. 立項依據(可加頁)

        (一) 項目簡介

        地基極限承載力對于工程的穩定分析至關重要,而實際工程中影響地基承載特性因素眾多,尤其是外界降雨作用,導致確定地基承載力時比較復雜、耗時費力。因此,有必要針對降雨條件下基礎的地基承載力及破壞模式進行深入研究。地基常位于地下水以上,為非飽和土層,其強度及承載特性受基質吸力影響顯著,而降雨入滲將引起基質吸力的減小,進而降低地基極限承載力,嚴重時誘發地基發生破壞,對工程穩定及安全危害大。本項目將利用人工降雨模型試驗分析不同雨強、歷時以及雨型下非飽和地基基質吸力的變化過程及變化規律,基于降雨條件下地基極限承載力計算理論,結合基質吸力計算結果,得到不同降雨條件下地基極限承載力的演化規律,闡述降雨對地基強度及承載能力的影響大小及影響程度,為相關工程穩定性分析提供借鑒和參考。

        (二) 研究目的

        目的在于探究不同降雨條件下地基基質吸力與極限承載力的變化過程及演化規律,為正確評價雨季地基承載性能、及時采取針對性措施防止施工期地基失穩破壞提供一定技術支撐。

        (三) 研究內容

        1.降雨條件下粉質黏土基質吸力演化規律研究

        利用人工降雨模擬試驗得出在不同雨強、時以及雨型下模擬降雨強度取值為1.25mm/h(中雨)、2.5mm/h(大雨)、5mm/h(暴雨),降雨持續時間為12h)粉質黏土土方含水率與基質吸力的變化情況

        2.降雨條件下地基極限承載力演化規律研究

        在通過人工降雨模擬試驗得到粉質黏土土方含水率與基質吸力的變化的數值后,利用降雨條件下地基極限承載力計算理論,在試驗數值的基礎上得到極限承載力的演化規律。

        (四) 國、內外研究現狀和發展動態

        1.人工降雨模型試驗研究現狀

        人工降雨模型試驗是研究降雨條件下土層基質吸力變化規律的方法之一,目前已有大量研究者開展了工作:

        詹良通[1]等以湖北昭陽某典型非飽和膨脹土未防護邊坡為研究對象,進行人工降雨試驗和現場監測,試驗對所模擬的降雨雨強大但歷時短的降雨對膨脹土邊坡整體穩定影響并不明顯,而雨強小且歷時長的降雨對其穩定不利,監測結果表明:膨脹土的降雨入滲規律及其對含水量、孔隙水壓力的影響與土中裂隙密切相關。

        Ling[2]等利用室內土工離心機,進行多組不同雨強的離心模型試驗,得出了試驗邊坡在不同雨強下的浸潤曲線變化規律和臨界破壞高度。

        Huat[3]等基于室內模型試驗,研究了坡面覆蓋(草皮或土工合成材料等)和邊坡坡度對降雨入滲和吸力的影響,并與現場降雨入滲試驗結果對比,研究表明不同的覆蓋物引起雨水入滲的情況不同,隨著坡度的增大降雨入滲逐漸減小,在不考慮濕潤鋒的移動的情況下,坡腳比坡頂入滲更顯著。

        周中[4]等針對上瑞高速貴州段的某典型土石混合體邊坡進行現場監測及人工降雨模型試驗,研究結果表明:降雨入滲對土石混合體邊坡的變形了以坡面最大,以坡面往破內深部逐漸減小,入滲率隨時間增加而逐漸減少,一段時間后穩定。

        謝妮[5]等對甘肅平頂某高速公路填方路基邊坡進行人工降雨模型試驗,同時監測4次降雨試驗邊坡含水率變化,后期持續一個月監測結果表明:降雨引起表層土體含水率增大同時吸力下降明顯,雨水沖刷導致坡面出現沖溝,在持續降雨時土體抗剪強度進一步衰減。

        王福恒[6]等設計制作路堤土工模型并利用降雨裝置模擬人工降雨,進行不同初始含水率和降雨條件下的黃土邊坡濕潤鋒試驗和入滲率試驗,分析了降雨歷時和不同雨強對黃土路堤邊坡安全系數的敏感程度及入滲規律。

        豐光亮[7]等針對鄂西恩施地區降雨特征進行分析,并選定6種典型降雨,自行設計室內人工降雨的非飽和土柱入滲試驗,通過實測土柱內的含水率變化,來揭示降雨入滲的影響區域,入滲前鋒運移規律和降雨歷時對入滲規律的影響。

        武彩萍[8]等自制人工降雨裝置通過室內黃土邊坡模型來研究降雨入滲過程中土體的含水率變化規律,研究表明:坡面雨水入滲速率較坡頂更快。

        董輝[9]等針對水竹彎隧道旁級配良好的碎石土,通過自制一維滲透儀和邊坡模型進行試驗降雨入滲,研究該堆積土在降雨條件下的濕潤鋒變化規律,研究結果表明:坡腳、坡面與坡頂處的入滲速率分別滿足線性、對數及指數關系。

        田海[10]等利用新型介質霧化噴霧設備模擬降雨,對有無格柵支護措施的松散堆積體邊坡做離心模型試驗,試驗結果表明:降雨開始后的松散堆積體滑坡頂部沉降和坡面處水平位移逐漸增大,而又土工防護格柵支護的邊坡在降雨作用下穩定性較好,得出該支護措施是提高堆積體邊坡穩定性的有效方法。

        由此可見,現有研究利用人工降雨模型試驗分析了不同降雨雨強、歷時以及雨型下邊坡、路基等工程的基質吸力演化規律,表明該方法已經十分成熟,可為本次研究提供技術支撐。

        2.非飽和地基極限承載力研究現狀

        非飽和土的強度與基質吸力息息相關,國內外學者將基于飽和抗剪強度理論的地基極限承載力計算理論,與非飽和抗剪強度理論結合,用于探究非飽和土地基極限承載力計算理論,并取得了豐碩的成果。如:

        Vanapalli[11-12]引入利用土水特性描述的非飽和土強度理論,規定基質吸力計算取值為1.5倍基礎寬度范圍內應力球的平均基質吸力,拓展太沙基地基極限承載力計算理論,提出了非飽和地基極限承載力計算方法,最后利用沙土地基的室內荷載試驗對拓展的計算理論進行了驗證。

        趙煉恒等[13]根據Fredlund非飽和抗剪強度理論,給出了基質吸力沿深度均勻分布和沿深度線性減小時的多剛性塊上限分析法并對非飽和土條形基礎豎向極限承載力進行研究。結果表明:土中基質吸力存在所引起的附加抗剪強度使非飽和土地基承載力較飽和土得到了提高;土體內基質吸力分布方式和地下水位高低對條形基礎極限承載力影響也較大,地下水位升高導致基質吸力降低,極限承載力減小。

        張常光等[14]基于非飽和土雙應力狀態變量抗剪強度統一解,綜合考慮中間主應力、基質吸力和超固結比等影響,推導了非飽和土條形地基太沙基極限承載力解析解,并得出統一強度理論參數、基質吸力和超固結比對承載力的影響規律。

        Vahedifard[15]利用穩定入滲條件下基質吸力解析解預測地基基質吸力分布,結合太沙基非飽和地基極限承載力計算公式,給出了穩定滲流下地基極限承載力計算的方法,并分析了入滲流量、地下水位對地基極限承載力的影響。

        謝研[16]則采用有限元分析方法研究了降雨條件下地基基質吸力演變特性,并利用可靠度分析理論進一步探究了其極限承載力變化規律。結果表明:降雨期間,隨時間増長,土體基質吸力變小,地基的穩定性變差;降雨結束后,滲流繼續進行,基質吸力分布趨于穩定,地基的穩定性變好。

        張常光等[17-18]考慮基質吸力均勻分布、線性分布以及雨水入滲下基質吸力線性分布變化時的影響,建立非飽和土條形地基的太沙基極限承載力解答。同時研究了線性吸力和高吸力對地基極限承載力的影響。結果表明:高吸力具有雙重影響,線性吸力分布下的地基極限承載力明顯小于均布吸力下的地基極限承載力。

        金亮星等[19]基于極限分析法,在將地基劃分成剛塑性三角形塊的基礎上,綜合考慮地下水位和非飽和土基質吸力的影響,利用內外虛功率相等原理建立極限承載力的求解方程。

        陳茜等[20]基于穩態流下吸應力剖面具有明顯非線性的特點,補充普朗德爾假定,利用剛體平衡方法,推導了普朗德爾滑動面范圍內非飽和土地基的極限承載力計算模型,討論了地下水埋深和比流量變化對地基極限承載力的影響。結果表明:地基極限承載力隨地下水位埋深減小呈先減后增的變化趨勢;當滑動土體內吸應力隨比流量的增大呈現先增后減的趨勢時,地基極限承載力呈現先減小再增大的變化趨勢。

        由此可見,對于非飽和地基極限承載力計算的理論研究已有很多成果,可為本項目提供借鑒。同時近些年來,研究者已開始關注雨水入滲引起地基基質吸力改變,進而影響地基極限承載力的問題,但對基質吸力分布的求解往往采用復雜的數值計算或簡化處理,這不利于準確地求解雨水入滲過程中地基極限承載力,對客觀評價雨季地基承載狀態造成不便。因此,找出一種適用于客觀評價雨季地基承載狀態的地基承載力演化規律就顯得尤為重要了。

        綜上所述,人工降雨模型技術和非飽和地基極限承載力計算理論已經成熟,可為本次研究提供借鑒。但降雨入滲下地基基質吸力與極限承載力的演化研究尚少。而利用試驗方法監測基質吸力變化,進而結合非飽和地基極限承載力計算理論探究地基基質吸力與極限承載力演化規律的研究較少,因此,有必要進一步揭示不同雨強、歷時以及雨型下地基基質吸力與極限承載力的演化規律,為地基防災減災提供理論支撐。

        參考文獻

        [1] 詹良通,吳宏偉,包承綱等. 降雨入滲條件下非飽和膨脹土邊坡原位監測[J]. 巖土力學,2003,24(02):151-158.

        [2] LingH, WuM. Centrifuge Modeling of Rainfall Induced Slope Failure[J]. American Geophysical Union Fall Meeting 2006.2006,12,466~479.

        [3] Huat, B.B.K., Huat, Ali, F.H.J., Low, T.H. Water  infiltration  characteristics of unsaturated soil slope and its effect on suction and stability[J]. Geotechnical  and  Geological  Engineering. 2006, 24(5): 1293-1306.

        [4] 周中,傅鶴林,劉寶琛等. 土石混合體邊坡人工降雨模擬試驗研究[J].巖土力學,2007,28(07):1391-1396. 

        [5] 謝妮,鄒維列,嚴秋榮等. 黃土路基邊坡降雨響應的試驗研究[J]. 四川大學學報(工程科學版),2009,41(04):31-36.

        [6] 王福恒,李家春,田偉平等. 黃土邊坡降雨入滲規律試驗[J].長安大學學報,2009,29(4):20-24.

        [7] 豐光亮,胡新麗,吳剛等. 鄂西恩施地區非飽和土降雨入滲規律[J]. 地質科技情報,2010,29(05):112-116.

        [8] 武彩萍. 人工降雨條件下黃土邊坡的室內模型試驗研究[D].西北農林科技大學,2013.

        [9] 董輝,羅瀟. 強降雨作用下堆積碎石土滲流規律研究[J]. 工程地質學報,2015,23(04):616-623. 

        [10] 田海,孔令偉,李波等. 降雨條件下松散堆積體邊坡穩定性離心模型試驗研究[J]. 巖土力學,2015,36(11):3180-3186.

        [11] Vanapalli S, Sun R, Li X, et al.Bearing capacity of an unsaturated sand from model footing tests[J].Unsaturated Soils.2010: 1217-1222.

        [12] Vanapalli S K , Mohamed F M O. Bearing capacity and settlement of footings in unsaturated sands[J]. International Journal of GeomateGeotechnique Construction Materials & Environment, 2013, 5(1):595-604.

        [13] 趙煉恒,李亮, 楊峰, . 基于SQP和上限法的非飽和土條形基礎極限承載力計算[J]. 巖石力學與工程學報, 2009, 28(S1): 3021–3028.

        [14] 張常光,曾開華,趙均海.非飽和土臨界荷載和太沙基極限承載力解析解[J].同濟大學學報(自然科學版),2010,38(12):1736-1740.

        [15] Vahedifard F, Robinson J D. Unified method for estimating the ultimate bearing capacity of shallow foundations in variably saturated soils under steady flow[J]. Journal of Geotechnical &Geoenvironmental Engineering, 2016, 142(4): 04015095.

        [16] 謝妍. 非飽和土地基上條形基礎的可靠度分析[D].合肥工業大學, 2016.

        [17] 張常光,范文,趙均海.非飽和土強度統一解及地基承載力的拓展研究[J].中國礦業大學學報,2016,45(05):937-943.

        [18] 張常光,晏青,周菲,.不同吸力分布下條形地基極限承載力解答[J].巖石力學與工程學報,2018,37(05):1237-1251.

        [19] 金亮星,潘卓夫,馮琦璇.條形基礎地基極限承載力的改進徑向移動算法研究[J].鐵道科學與工程學報,2017,14(02): 233-240.

        [20] 陳茜,程大偉.穩態流下非飽和土地基承載力模型[J].土木建筑與環境工程,2018,40(06):9-14.

        (五) 創新點與項目特色

        1)采用人工降雨模擬試驗與非飽和地基極限承載力計算理論結合,提供了一種降雨條件下地基極限承載力演化規律研究的方法。

        2)揭示了不同降雨雨強、歷時下地基基質吸力與極限承載力的演化規律。

        (六) 技術路線、擬解決的問題及預期成果

        1.技術路線

        1) 人工降雨模型試驗

        預制0.5mx0.5mx1m的滿足初含水率,干密度,壓實系數條件的粉質黏土土方,考慮雨型、歷時等降雨條件,進行以下四組模型試驗,監測含水率及基質吸力的變化情況,確定其含水率及基質吸力的演化規律。

        實驗根據降雨等級,模擬降雨強度取值為1.25mm/h(中雨)、2.5mm/h(大雨)、5mm/h(暴雨),降雨持續時間為12h。

        如表1所示。

        1 降雨強度參數

        降雨等級

        中雨

        大雨

        暴雨

        降雨強度(mm/h

        1.25

        2.5

        5

        降雨持時(h

        12

        12

        12

        降雨量(mm

        15

        30

        60

         

        第一組,在中雨的條件下,進行粉質黏土土方含水率及基質吸力變化試驗;

        第二組,在大雨的條件下,進行粉質黏土土方含水率及基質吸力變化試驗;

        第三組,在暴雨的條件下,進行粉質黏土土方含水率及基質吸力變化試驗;

        2)降雨條件下地基極限承載力分析

        在模型試驗基礎上,利用有限元法和部分其他的數值方法含水率與基質吸力的數據進行計算分析,進一步揭示雨型、歷時的降雨對粉質黏土土方的影響規律。

        3)實地調研

        對湖南某建筑工地進行實地調研,收集工程資料。

        4)數據整合和分析

        分析試驗數據,利用公式根據粉質黏土的含水率與基質吸力來計算出其地基承載力,并通過軟件繪制出對應的曲線圖,綜合考慮雨型、歷時,尋找其中地基承載力的演化規律。技術路線圖見圖1

        1 技術路線

        2.擬解決的問題

        通過人工降雨模型試驗分與降雨條件下地基極限承載力計算理論,得到極限承載力的演化規律

         

        3.預期成果

        (一)揭示不同降雨強度、歷時下對地基極限承載力的演化特性,為更好地防護因降雨的影響而導致的地基變形損壞繼而導致的建筑物的毀壞提供一定的技術支持。

        (二)公開發表論文1-2。

            (三)申請專利1-2項。

         

        (七) 項目研究進度安排

        根據研究內容,項目進度安排如下:

        20194-5月:完成資料收集,制定研究工作計劃

        20196-8月:進行物理模型模擬試驗

        20199-12月:利用有限元法等進行計算及校對

        20201-3月:正交實驗法分析試驗

        20204-5月:實地調研

        20206-8月:數據整理分析,撰寫論文

        20209-11月:撰寫研究報告,申請結題

         

         

         

         

         

         

        (八) 已有基礎

        1.與本項目有關的研究積累和已取得的成績

        項目團隊成員已查閱大量關于人工降雨模型試驗和降雨條件下地基基質吸力與極限承載力演化規律分析的文獻;同時,已前往建筑工地對降雨條件下地基極限承載力問題開展了調研,對本項目的背景及現狀有了清楚認識。學習了與本項目相關的專業基礎課程(《理論力學》、《材料力學》、《公路工程地質》等),具有較扎實的理論基礎。項目組成員多次參與學科競賽和科研工作,具備良好的團隊協作能力。這些研究積累為本創新實驗項目順利實施奠定了良好的基礎。

        2.已具備的條件,尚缺少的條件及解決方法

        長沙理工大學圖書館不但有豐富的紙質圖書資源,而且所購買的數據庫能夠為本項目組研究提供豐富的中英文學術期刊、報刊、案例資料。課題依托長沙理工大學擁有的公路工程教育部重點實驗室、水沙科學與水災害防治湖南省重點實驗室和國家級工程實踐教育中心等科研平臺,擁有本課題實驗所需的常規測試儀器、人工降雨模型試驗場地及設備,因此,實驗室已有設備能滿足研究地基基質吸力與極限承載力演化規律所需的基質吸力試驗的要求。

         

        二、 經費預算

        開支科目                    

        預算經費

        (元)

        主要用途       

        階段下達經費計劃(元)

        前半階段

        后半階段

        預算經費總額

        20000

         

        12000

        8000

        1. 業務費

        5000

        支付論文版面費

        2000

        3000

        1)計算、分析、測試費

         

         

         

         

        2)能源動力費

         

         

         

         

        3)會議、差旅費

         

         

         

         

        4)文獻檢索費

         

         

         

         

        5)論文出版費

        5000

        支付論文版面費

        2000

        3000

        2. 儀器設備購置費

         

         

         

         

        3. 實驗裝置試制費

        6000

        模型制作花費

        4000

        2000

        4. 材料費

        9000

        購買鋼筋、混凝土、磚、玻璃板、螺栓等耗材

        6000

        3000

        學校批準經費

        20000

         

        12000

        8000

        三、 指導教師意見

        地基破壞是巖土工程中的主要問題之一,一直是研究的熱點問題。然而,降雨入滲對非飽和地基穩定性影響極大。本項目擬重點研究不降雨強度、歷時下地基基質吸力與極限承載力的演化規律,為正確評價雨季地基承載性能、及時采取針對性措施防止地基失穩破壞提供技術支撐,具有較高工程應用價值。此外,項目組成員做了充分準備,已有知識儲備基本能勝任創新實驗項目的研究工作,我們愿意擔任指導老師。

        導師(簽章):

        年  月   日

        四、 院系大學生創新創業訓練計劃專家組意見

         

         

         

         

                                             

        專家組組長(簽章):

        年  月   日

        五、 學校大學生創新創業訓練計劃專家組意見

         

         

         

                                            

         

         

        負責人(簽章):

        年  月   日

        六、 大學生創新創業訓練計劃領導小組審批意見

         

         

         

                                            

         

        負責人(簽章):

        年  月   日

         

         

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