考慮雙尺度的軟粘土地基再壓縮理論研究項目摘要

本課題考慮微觀和宏觀雙尺度，研究堆載預(yù)壓后軟粘土地基在長期荷載作用下的微觀結(jié)構(gòu)特性和力學(xué)性能，建立軟粘土變形的微結(jié)構(gòu)模型與應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系?；谑覂?nèi)SEM試驗、MIP試驗、非線性滲流固結(jié)壓縮試驗以及其他常規(guī)土工試驗，通過考慮土中水的非線性滲流特性與滲流機制研究，得到描述其滲流過程的數(shù)學(xué)表達(dá)，同時綜合考慮土體的非線性壓縮等復(fù)雜因素的影響，建立軟粘土再壓縮理論。開展數(shù)值分析和某些理想條件下的解析求解深入研究軟粘土地基的再壓縮性狀，并通過溫州機場、寧波機場等工程的實測數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證，從而為軟粘土地基處理工程提供更加完善、實用的理論指導(dǎo)。

長江三角洲附近廣泛分布著深厚的軟粘土，建于其上的建筑物隨著時間的推移往往會產(chǎn)生過大的沉降或不均勻沉降，因此有必要從宏觀和微觀兩個尺度，對軟粘土的力學(xué)特性特別是再壓縮特性進(jìn)行研究。本次研究主要分為三部分內(nèi)容：軟土的微結(jié)構(gòu)力學(xué)模型研究，軟土的非線性滲流與再壓縮特性研究和軟土的非線性流變固結(jié)理論研究。 軟土的微結(jié)構(gòu)力學(xué)模型研究方面，基于已有的軟粘土微觀研究成果，建立軟粘土微結(jié)構(gòu)突變模型，并針對寧波粘土和杭州軟粘土進(jìn)行了微觀試驗。研究結(jié)果表明：通過唯象理論的方法建立的軟粘土微結(jié)構(gòu)突變模型與本構(gòu)關(guān)系，能夠描述軟粘土流變固結(jié)的力學(xué)特性；隨著固結(jié)應(yīng)力增加，團粒間孔隙不斷減少，而團粒內(nèi)孔隙則未表現(xiàn)出大的變化；主固結(jié)和次固結(jié)都發(fā)生在大而脆弱的孔隙中，是相同的物理過程。 軟土的非線性滲流與再壓縮特性研究方面，考慮了軟土的幾何非線性和材料非線性，建立了不同條件下的非線性大應(yīng)變固結(jié)方程，并采用數(shù)值方法求得其解答。研究結(jié)果表明：相對于假定固結(jié)系數(shù)等參數(shù)保持不變，考慮土體復(fù)雜非線性的計算結(jié)果更符合實際；土層厚度不大時，可以對土體自重進(jìn)行簡化考慮，大多數(shù)情況下不能完全忽略土體自重的影響；軟土地基內(nèi)不同深度處水力梯度的變化都呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，可進(jìn)一步劃分為五個階段。 軟土的非線性流變固結(jié)理論研究方面，分別考慮了軟土應(yīng)力歷史，軟弱下臥層、軟土老化等因素，建立了不同情況下的軟土流變固結(jié)方程，并采用解析方法或數(shù)值方法求得其解答。研究結(jié)果表明：土體壓縮性的影響主要體現(xiàn)在固結(jié)初期，而粘滯性系數(shù)主要影響土體長期變形；軟弱下臥層的存在會減慢固結(jié)速率；土體老化會造成非線性特性，土體的老化越強，產(chǎn)生的準(zhǔn)先期固結(jié)應(yīng)力越大。 2100433B

我國沿海地區(qū)每年圍海造陸面積超過100平方公里，真空預(yù)壓法被廣泛用于加固吹填土來形成陸域，經(jīng)真空預(yù)壓加固后形成的特殊軟粘土地基其變形和變形控制問題對于后期的開發(fā)和利用至關(guān)重要。本課題的研究內(nèi)容包括：揭示施工期該類軟粘土塑性流動變形機理，提出計算理論、方法和控制措施；建立孔壓均化理論，探討施工期軟土變形速率對構(gòu)筑物穩(wěn)定性的影響；揭示正常使用條件下軟粘土地基的變形機理，建立吹填土地基特性的本構(gòu)模型；基于地震、交通及波浪循環(huán)荷載的特征要素，建立荷載要素與軟粘土動變形的對應(yīng)關(guān)系；以室內(nèi)試驗及工程實測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立軟粘土的粘-彈-塑性模型，實現(xiàn)對地基長期沉降的有效預(yù)測；基于以上研究，結(jié)合圍海造陸的工程實踐，編制有關(guān)控制軟粘土變形的技術(shù)規(guī)程。通過以上研究，揭示新近吹填成陸的軟粘土地基在不同應(yīng)力狀態(tài)下的變形機理，提出相應(yīng)的變形計算理論方法和控制措施，為圍海造陸形成陸域的長期穩(wěn)定提供理論和技術(shù)支撐。

建立了基于成層地基一維固結(jié)解析解的求解非線性小應(yīng)變固結(jié)問題的半解析法。建立了求解線彈性大應(yīng)變固結(jié)問題和非線性大應(yīng)變固結(jié)問題的半解析法。建立了變荷載下軟粘土非線性一維固結(jié)半解析解。研究了軟土的沉積作用、大應(yīng)變、土壓縮性和滲透性在固結(jié)過程中的變化，加荷條件等對地基變形發(fā)展規(guī)律的影響，編制了計算程序，得到了有關(guān)固結(jié)曲線，可以分析軟粘土地基在變荷載作用下的非線性一維固結(jié)性狀。研究表明：固結(jié)速率主要因素有壓縮指數(shù)與e-logk曲線斜率的比值Cc/ck、σf/σo和Tvc，加荷速率越快，固結(jié)速率和沉降速率都越快。Cc/Ck值決定非線性特性時固結(jié)過程的影響。本課題研究為開展飽和粘土在復(fù)雜條件下的大應(yīng)變固結(jié)理論提供了有效的思路。 2100433B

通過系統(tǒng)深入的理論研究，建立和發(fā)展可考慮土的成層性、非線性、流變等復(fù)雜因素的飽和土體大應(yīng)變固結(jié)理論，全面分析上述各因素對軟粘土地基固結(jié)性狀的影響，全面分析考慮上述因素后大、小應(yīng)變固結(jié)理論的差別，并提供各種有關(guān)的實用固結(jié)分析程序和計算曲線，為軟土地基上大型重要工程的建造提供更加實用可靠的關(guān)健理論和技術(shù)。 2100433B