結合水對軟粘土力學行為的控制作用與機理

結合水具有復雜的物理化學特性，對粘土物理水理性質(zhì)、變形與強度特性具有重要影響。結合X射線衍射法（XRD）、X射線熒光光譜分析（XRF）、掃描電子顯微鏡（SEM）、容量瓶、等溫吸附、熱失重（TGA）、高壓固結、三軸剪切、蠕變試驗等技術手段，從宏觀和微觀兩個層面，采取試驗測試、理論分析和數(shù)值模擬的途徑，研究了不同地區(qū)軟粘土中結合水的特性，提出了軟粘土結合水分類和表征方法。采用PFC模擬顆粒與結合水的作用過程，明確結合水對土的力學行為的控制作用及機理。采用非線性相關分析方法，建立軟粘土基于結合水特性的變形與強度的量化計算模型。結果表明：軟粘土細小孔隙密布，為結合水的分布提供了空間，造成其結合水含量高而自由水含量少。軟粘土吸附等溫線分為三個不同階段，其吸附規(guī)律分別符合弗雷德里希模型、斯彼朗斯基模型和指數(shù)模型。在水氣平衡壓(p/ps)<0.9的條件下主要是強結合水的形成；在p/ps>0.9條件下吸附水含量明顯增大，弱結合水大量形成。結合水在200~250℃的條件下完全脫失。在p/ps<0.98條件下，水合粘土強結合水的初始脫水溫度在87~92℃；當溫度接近60℃時，弱結合水開始釋放，并在90~108℃條件下被完全除去；毛細水和自由水在60℃前脫失。水合粘土的比重隨吸附水含量線性下降。水合粘土的體積、吸附水的體積和水膜厚度隨吸附水含量均近似線性增加，p/ps<0.9條件下顆粒表面結合水的密度在1.25-1.35g/cm3之間。軟粘土的壓縮系數(shù)隨著結合水含量的增大而增大，內(nèi)摩擦角隨結合水含量增加而減小，粘聚力隨結合水含量的增加先增加后減小。次固結系數(shù)隨結合水含量增長而增長。粘滯系數(shù)隨結合水含量增長總體呈減小趨勢。長期強度指標C∞隨結合水含量增長呈減小趨勢或先增加后減小，φ∞隨結合水含量增加而減小。弱結合水在軟粘土蠕變過程中起主導因素。強結合水階段粘土顆粒之間摩擦力最大，隨著結合水量的累積，水膜的增厚，顆粒間結合水連接力在逐漸削弱，結合水膜的潤滑作用致使顆粒之間的摩擦力也在被減弱。上述研究深入探討了結合水對粘性土力學行為的影響作用，為精細計算軟粘土地基變形及穩(wěn)定性提供理論依據(jù)。 2100433B

結合水對軟粘土的力學行為具有控制作用。已有成果表明，這種控制作用的機制尚未明確，結合水性質(zhì)與軟粘土變形與強度特性之間的關系研究尚未真正開展起來。課題擬在前人研究成果的基礎上，以工程地質(zhì)學、土質(zhì)學、土力學、粘土礦物學等理論為指導，采用“現(xiàn)場調(diào)查—試驗測試—機制探索—模型建立—分析評價”的研究思路，綜合運用先進的測試技術、非線性相關分析方法、PFC數(shù)值模擬手段，對我國沿海和內(nèi)陸地區(qū)幾種典型的不同成因的軟粘土，開展結合水特性及其與力學特性的相關性與機理的研究。探索土中結合水與土顆粒的作用機制，提出結合水的類型界定與表征方法；研究結合水對軟粘土的基本力學性質(zhì)、固結蠕變、長期強度的控制作用和機理，建立軟粘土結合水與其變形、強度之間的量化關系模型。旨在揭示軟粘土變形與強度的本質(zhì)，從而建立更為精細的軟粘土變形與強度的計算模型，豐富土力學的計算理論，為軟土性質(zhì)的改良與軟土地基工程設計提供科學的理論依據(jù)。

隧道-樁作用下軟粘土的長期位移及其相互作用問題是地下工程中地下結構物與結構物之間、結構物與土之間復雜的相互作用問題，主要包括四個方面：隧道開挖對周圍土體的影響；隧道開挖對已有樁基的影響；樁基施工及荷載對周圍土體的影響；樁基施工及荷載對已有隧道的影響。本項目擬針對上述科學問題開展六個方面研究：1.隧道開挖引起周圍土體的瞬時及長期位移；2.隧道開挖對鄰近單樁基礎受力和變形的瞬時及長期影響；3.隧道開挖對鄰近群樁基礎受力和變形的瞬時和長期影響；4.樁基施工及正常使用階段對周圍土體的影響；5.樁基施工過程對已有隧道受力和變形的影響；6.上部荷載施加及建筑物正常使用階段對已有隧道受力和變形的影響。擬采用結構-土體-結構理論分析，建立土工離心機模型試驗及現(xiàn)場試驗,并進行數(shù)值反饋仿真。通過本項目研究，可望在理論與試驗上揭示隧道-樁作用下軟粘土的長期位移及其相互作用的機理，建立一套完整可行的設計計算標準。

軟粘土的強度極低，不排水強度通常僅為5～30kPa，表現(xiàn)為承載力基本值很低，一般不超過70kPa，有的甚至只有20kPa。軟粘土尤其是淤泥靈敏度較高，這也是區(qū)別于一般粘土的重要指標。

軟粘土的壓縮性很大。壓縮系數(shù)大于0.5MPa-1，最大可達45MPa-1，壓縮指數(shù)約為0.35-0.75。通常情況下，軟粘土層屬于正常固結土或微超固結土，但有些土層特別是新近沉積的土層有可能屬于欠固結土。

滲透系數(shù)很小是軟粘土的又一重要特點，一般在10-5-10-8cm/s之間，滲透系數(shù)小則固結速率就很慢，有效應力增長緩慢，從而沉降穩(wěn)定慢，地基強度增長也十分緩慢。這一特點是嚴重制約地基處理方法和處理效果的重要方面。

結構性軟粘土地基上的工程施工會對土體產(chǎn)生擾動，致使土體微觀結構損傷和宏觀強度衰減，給工程帶來潛在危害。為此本項研究從模型試驗、宏觀力學試驗和微觀試驗等層次組織了研究，結合理論分析，揭示天然沉積結構性軟粘土力學擾動的機理和評價方法。研究中首先開展了玻璃棒-黏膠體系力學損傷的模型試驗研究，然后進行了連云港天然沉積結構性軟土進行了控制損傷的室內(nèi)試驗，試驗中根據(jù)不同的應力路徑對土體進行人為的損傷，對損傷后土體進行微觀試驗（MIP和SEM），損傷后土體的無側(cè)限抗壓強度、壓縮固結滲透等試驗。結合力學擾動施加的能量、土體彈塑性功、膠結破損和損傷變量間已有的研究成果，結合本研究獲得的數(shù)據(jù)，比對了多種損傷變量的表征方法，最后發(fā)現(xiàn)p-q系的損傷變量對測試和工程均為合適；在此基礎上，探討了損傷變量與變形（e）定義和強度（qu）定義的擾動度間的關系，結果表明按變形的擾動度與損傷變量間關系不明晰，而按強度定義的擾動度與損傷變量間具有良好的相關關系，構建了損傷后土體的強度以及其他物理力學指標與擾動度和損傷變量間的關系。通過壓汞試驗和電鏡掃描試驗的微觀結果，表明損傷后土體大孔徑發(fā)生較大的改變，其變化趨勢與損傷變量間有較好的對應關系。同時需要指出的是，土體發(fā)生損傷，其強度等參數(shù)變小，而滲透系數(shù)等參數(shù)有可能增大，這對工程有一定的意義。 2100433B