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成果名称:  沿海离岸软基围堰工程大砂袋技术的理论与应用方法研究 技术领域:  港航工程
体现形式:  新技术 项目名称:  沿海离岸软基围堰工程大砂袋技术的理论与应用方法研究
完成单位:  中国铁建港航局集团有限公司、华南理工大学 项目负责人:  李强,周小文,刘吉福
项目成员:  刘齐辉,曹竞梅,何远海,何海群,陈卓希,颜俊,林潘生,杨卫军,张天辉,王汉杰,吴伟涛,许典宇,陈雪芹,王松泉,程香菊,薛娈鸾,胡海英,陈凌伟,赵世威,何勇彬
研究开始时间:  2013-09-04 研究结束时间:  2017-03-31
联系人:  陈雪芹 联系邮箱:  597599442@qq.com
验收编号:  粤交科验字[2017]32号 验收时间:  2017-06-26
 

沿海离岸软基围堰工程大砂袋技术的理论与应用方法研究

发布人:李强,周小文,刘吉福        发布时间:2017-12-07        浏览次数:891
知识产权声明:         项目研究成果是本团队独立进行研究工作所取得的成果,研究成果归完成单位所有,如发现本项目研究成果被恶意抄袭,本项目团队将进行法律追究。

1.任务来源
            广东省交通运输厅
2.应用领域和技术原理
            1、应用领域
本项目的应用领域为近海围堰工程,特别是在河道、港口、码头、隧道等工程的围堰施工。
2、技术原理
本项目采用调研、依托工程的现场观测、模型试验、理论分析、数值仿真分析相结合的方法进行研究。对国内外大砂袋围堰现有设计方法调研和总结,依托在建工程的现场观测,深入研究大砂袋围堰的力学行为特征、破坏模式和破坏机理。在此基础上,通过理论推导和仿真计算,探讨符合大砂袋围堰力学特征的地基承载力计算方法和边坡稳定分析方法。综合上述研究成果及工程经验,提出科学、实用的大砂袋围堰的设计方法,为相关规范的改进提出建议。
3.性能指标
            本项目圆满完成了任务书合同要求的技术指标。本项目的研究提出了大砂袋围堰的破坏模式及改进的地基承载力计算方法,提出了“船式位移”的设计新理念,成果的实施将有效规范沿海离岸软基围堰大砂袋的设计与施工,提高工程质量,具有广泛的工程应用前景。本项目的研究成果总结如下:
(一)发表论文11篇  
[1]  廖威林,周小文,何勇彬.  城市地区水库溃坝洪水演进模拟.
[2]  Zhou  Xiaowen,  Chen  Lingwei,  Li  Qiang.  Studies  on  stress-strain  features  of  structured  granite  residual  soil.  
[3]  Lingwei  Chen,  Zhou  Xiaowen.  Mechanical  behavior  of  structured  granite  residual  soil.  
[4]  赵仕威,周小文,刘文辉,刘攀.  考虑颗粒棱角影响的直剪试验的离散元模拟.
[5]  Shiwei  Zhao,  Xiaowen  Zhou,  Wenhui  Liu.  Discrete  element  simulations  of  direct  shear  tests  with  particle  angularity  effect.
[6]  Shiwei  Zhao,  Xiaowen  Zhou,  Wenhui  Liu,  Chengguang  Lai,  Random  packing  of  tetrahedral  particles  using  the  polyhedral  discrete  element  method.  
[7]  Liu  Pan,  Zhou  Xiaowen,  Zhao  Shiwei.  Influence  of  initial  stress  ratio  on  undrained  shear  behavior  of  completely  decomposed  granite.  
[8]  Zhou  Xiaowen,  Liu  Pan,  Lan  Zexin.  Experimental  Study  on  Disintegration  Behavior  of  Granite  Residual  Soil.  
[9]    Zhou  Xiaowen,  Chen  Lingwei,  Li  Qiang.  Application  of  big  sandbag  cofferdam  technology  on  soft  seabed  in  land  reclamation  engineering.  
[10]  周小文,陈凌伟,程展林,汪明元.  软基路堤施工稳定性控制标准研究.  
[11]  陈凌伟,周小文,何海群等.  沿海软基大砂袋围堰的离心模型试验
(二)专利
①  “一种应用于回淤和吹填阶段的管市取土器”已获得实用新型专利证书,发明人王汉杰、陈雪芹,专利号ZL.2015  2  0822389.8;
②  “一种应用于吹填工程验收工作的浮排”已获得实用新型专利证书,发明人王汉杰、梁建兴,专利号ZL.2015  2  0819979.5;
③  发明专利申请“一种对吹填区域软基处理施工的土工织物铺设方法”  (申请号201510685246.1)已受理。
(三)研究报告
形成研究报告《沿海离岸软基围堰工程大砂袋技术的理论与应用方法研究》。
4.成果关键技术介绍
            (1)通过离心模型试验观察地基与边坡的破坏模式
地基承载力和边坡稳定安全系数的计算公式,是否准确可靠?关键在于是否真正观察得到了地基和边坡的破坏模式?公式推导所做的力学假定是否符合观察得到的破坏模式?如果这二条做到了,则理论就是正确的。此时,再通过采用合理的计算参数,就能得到准确的计算结果。
对于大砂袋围堰的失稳,在加筋(含反包约束)作用下,地基与边坡是如何变形和失稳的?这是一个关键的理论问题。一般边坡的破坏是假定为圆弧滑动面。圆弧滑动面的假定与实际的大尺度横向加筋的大砂袋围堰边坡破坏模式,可能有根本的差距。亦即,将大砂袋围堰假定为圆弧型的滑动破坏,缺乏充分的依据。由此得到的滑动稳定安全系数,也可能不是真正的安全系数。
针对上述问题,应该通过必要的物理模型试验(如现场试验或离心模型试验)和理论分析,来确定不同工况下的破坏模式,再研究有针对性的计算方法。
(2)膜袋材料—土界面的力学特性试验
要设计专门的试验,研究膜袋材料—土界面的力学特性。这方面的研究,国内外已有很多的成果。本项目要针对工程中常采用的膜袋材料,以及袋内充填的砂土材料,进行试验。目的是考察在什么样的变形情况下,土工布发挥什么样的强度。这对于地基和边坡的破坏模式和稳定系数,是至关重要的。
(3)理论模型中膜袋材料—土界面力学特性的模拟
关于砂袋围堰稳定的计算,目前一般采用极限平衡圆弧滑动法,也有采用基于有限元的强度折减法。而在对待砂袋的抗拉作用方面,也有二种基本方法:
1)将大砂被看成是由两种不同性质的材料—土(充填砂)和筋材(聚丙烯编织袋)组成,其中筋材视为填充砂及周围填土的类似于土钉支护结构,通过其与周围土体的摩擦作用传递作用力以发挥其抗拉性能,从而起到加强边坡稳定性作用;
2)将大砂袋和土混为一种均质的材料,通过修改材料参数(  粘聚力和内摩擦角)来反映膜袋的加筋作用。
由于有土工布和土是截然不同的材料,应力应变关系完全不同。如何准确模拟土工袋的作用,是关键的技术问题。
5.与国内外同类技术比较
            (1)在试验研究方面,国内外学者主要是采用单轴压缩试验、界面试验等手段研究模袋砂的力学性质,研究对象也是以小型土工模袋为主,模袋数量一般不超过3个。极少数的学者采用了离心模型的方法对大砂袋围堰的整体稳定性进行了探讨,已有文献中均未详细介绍模型土工布如何模拟,砂袋如何制作,更未提及土工布应变如何测量等关键技术问题。
(2)在数值研究方面,前人大多采用数值分析的方法,对软基上大砂袋围堰的稳定性进行了分析及评价。然而并未对大砂袋的加筋作用、发挥效应、破坏模式等关键问题展开深入研究。这些长上百米、宽数十米的土工布起到了多大的作用、其应力应变分布及对围堰稳定性的影响有多大,均不得而知,需结合工程现场施工情况、室内物理模型试验等综合手段,对此问题展开深入研究。
(3)在理论研究方面,前人对加筋围堤的稳定性研究都是基于极限平衡法开展的,区别在于采用不同的方式考虑土工布的拉力和筋土界面摩阻力的影响,但其实质还是圆弧滑动法。大砂袋围堰与普通的加筋土坡不同,其属于包裹式的加筋体,与一般敞开式还是有所区别,分析时需考虑两侧的竖向加筋作用。因此,大砂袋围堰的力学特征需综合运用极限平衡分析和有限元模拟,再加上模型试验或现场监测,才能探讨清楚。
6.成果的创造性、先进性
            提示了软基上大砂袋围堰的变形机理和失稳特征,提出了软土地基情况下大砂袋围堰的二中破坏模型。基于地基呈剪切破坏模式,提出了修正的大砂袋围堰的地基承载力计算方法。改进了软基上大砂袋围堰的施工稳定控制表彰。基于对软基上大砂袋围堰的破坏模式的研究,首次提出了基于船型理论的大砂袋围堰的设计方法。研制了一套用于实验室土工布应力标定的装置,研制出一种应用于回淤和吹填阶段的管式取土器,可视式螺旋取土器和可控性大砂袋。
7.作用意义
            由于土工布的存在,大砂袋围堰的力学性质与常规的土质围堰相比发生了根本性的改变,与小型模袋砂围堰相比也有显著变化。大砂袋改变了纯土质边坡的特性,也与常规的土工加筋方式有所不同。模袋中土工布的发挥效应多大、应力应变分布特性、大砂袋围堰的破坏模式及机理、地基承载力及稳定性分析方法等许多关键问题仍亟待解决。
大砂袋围堰的实践领先于其理论,目前相应的工程设计主要是依靠经验和工程类比。现有的技术和基于内陆经验建立的各种勘察、设计和施工规范,已不适用于大砂袋围堰的工程建设需要。作为一项有待进一步发展的新技术,对于大砂袋围堰开展更多的研究工作是必要的,它对于该技术的推广与应用具有重大意义。
8.推广应用前景与措施
            本项目研究属于应用基础和技术开发的研究。针对我国沿海软土基本情况,开展了深厚软基地基上大砂袋围堰工程的关键技术研究,提出了大砂袋围堰的破坏模式及改进的地基承载力计算方法,提出了“船式位移”的设计新理念。本项目成果对于大砂袋围堰技术的发展具有重要的意义,具有良好的应用前景。
9.推广应用存的问题和改进意见
            无。
10.相关附件材料
[application/pdf]科技-2013-02-043——沿海离岸软基围堰工程大砂袋技术的理论与应用方法研究 2017-12-07 下载 0 次
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