塑料排水板地基精细固结理论及优化设计方法

Based on previous investigations, the influence zone of prefabricated vertical drains (PVDs) during the consolidation process of soft foundations is found to be in an ellipse with the major axis being parallel to the width of PVDs, rather than in a circular shape. This project will conduct a series of model scale laboratory tests, field test, and numerical simulations to study the variations of the elliptic influence zone of PVDs with depth and time, based on which the calculation method for the semi-major and semi-minor axes of the ellipse will be proposed. An initial step is to develop the refined consolidation theory by considering constant semi-major and semi-minor axes for the elliptic influence zone using a cylindrical coordinate system in both the single-drain analysis and the multidrain analysis. Further analyses will be performed to account for the depth- and time-dependent length scales (i.e., semi-major and semi-minor axes) of the elliptic influence zone for both single-drain and multiple drains. Comparison will be made between the refined consolidation theory and the widely used design approaches for PVDs. The cumulative flow with time during drainage will be assessed considering the equilibrium requirements in a topological space, and the spatial arrangement of PVDs will be optimized. A refined theoretical framework for the consolidation theory of PVDs will be proposed. Design charts will be drawn to provide guidance for use in practice. This project will improve the cost benefits for the optimum design of PVDs, which is of significance for engineering design.

申请人通过大量前期研究表明，塑料排水板地基固结过程中的影响区域不是一个圆形，而是一个以塑料排水板宽度方向为长轴方向的扁平椭圆形区域。针对这一发现，本项目拟结合模型试验、现场试验和数值模拟等方法，阐明塑料排水板椭圆形影响区域的范围以及其随深度和时间的变化规律，并给出该椭圆形影响区域长短轴的计算方法；在此基础上，分别在椭圆柱坐标系和椭圆台坐标系下建立基于椭圆形影响区域的塑料排水板单井和群井地基精细固结理论，并对现有竖井地基设计计算方法进行评估；采用拓扑理论、流量平衡原理和数值模拟等，探索塑料排水板优化布设方法，完善塑料排水板竖井地基的设计方法，并给出可用于工程设计和施工的计算方法和设计指南，从而为塑料排水板竖井排水固结法的设计和施工提供更加完善的理论指导。本项目可解决工程中竖井优化设计的经济性问题，对丰富和发展固结理论，提升工程设计水平具有十分重要的意义。

作为传统砂井的替代品，塑料排水板因其施工快、工期短、透水性好且造价相对低廉等优点而得到了越来越广泛的应用。申请人通过大量前期研究表明，塑料排水板地基固结过程中的影响区域不是一个圆形，而是一个以塑料排水板宽度方向为长轴方向的扁平椭圆形区域。针对这一发现，本项目在考虑塑料排水板真实扁矩形形状对其处理地基固结过程的影响时，结合模型试验、现场试验和数值模拟等方法，阐明了塑料排水板椭圆形影响区域的范围并给出了该椭圆形影响区域长短轴的计算方法。在此基础上，逐步考虑变荷载、涂抹效应、井阻效应、土体的非线性、大应变特性、非饱和土体、排水板未打穿工况、群板地基、土体排水边界条件以及加热法联合使用技术，全方面完善塑料排水板地基固结理论，建立了一套塑料排水板地基精细化固结理论体系，并给出了可用于工程设计和施工的计算公式及分析程序。本项目研究成果可为软土地基处理工程中塑料排水板地基的设计和施工提供更加完善的理论指导。同时，本项目围绕软土地基处理课题设计的透水管桩相关装置和设备，可实现软土地基处理中排水和承载二合一的效果，具有巨大的成果转化前景；自主研发的多功能大型固结仪和设有竖向排水装置的固结仪，可为本团队和其他团队后续关于软土地基固结的试验研究提供硬件支持。此外，首次提出一种线性热压缩理论模型，用以描述土体的热压缩试验现象，并据此建立考虑土体热压缩特性的热-水-力耦合固结解析模型，为后续相关的土体热-水-力耦合问题的研究提供一个更合理的理论模型，也为加热联合塑料排水板处理地基技术的推广应用提供理论基础。在本项目的支持下，共发表科技论文58篇，其中SCI收录30篇，EI收录20篇，核心期刊论文8篇，获国家专利23项。项目在实施期间有2名博士研究生和4名硕士研究生参与项目的研究工作，均已毕业。项目负责人先后获广西壮族自治区科技进步奖一等奖、技术发明奖一等奖。