軟粘土變形特性及地基沉降控制理論研究項(xiàng)目摘要

我國(guó)沿海地區(qū)每年圍海造陸面積超過(guò)100平方公里，真空預(yù)壓法被廣泛用于加固吹填土來(lái)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(wèn)題對(duì)于后期的開(kāi)發(fā)和利用至關(guān)重要。本課題的研究?jī)?nèi)容包括：揭示施工期該類軟粘土塑性流動(dòng)變形機(jī)理，提出計(jì)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(duì)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(jī)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(dòng)變形的對(duì)應(yīng)關(guān)系；以室內(nèi)試驗(yàn)及工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立軟粘土的粘-彈-塑性模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)地基長(zhǎng)期沉降的有效預(yù)測(cè)；基于以上研究，結(jié)合圍海造陸的工程實(shí)踐，編制有關(guān)控制軟粘土變形的技術(shù)規(guī)程。通過(guò)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(jī)理，提出相應(yīng)的變形計(jì)算理論方法和控制措施，為圍海造陸形成陸域的長(zhǎng)期穩(wěn)定提供理論和技術(shù)支撐。

由于天津?yàn)I海新區(qū)的建設(shè)和發(fā)展對(duì)土地的迫切要求，進(jìn)行了大規(guī)模的圍海造陸工程，普遍采用真空預(yù)壓加固吹填土來(lái)形成陸域，目前已造陸近百平方公里。這樣形成的特殊軟粘土地基的變形和變形控制問(wèn)題與一般正常固結(jié)的粘土地基不同，對(duì)于其開(kāi)發(fā)和利用是至關(guān)重要的，需要進(jìn)行深入研究。為了解決這個(gè)問(wèn)題，本課題從以下幾個(gè)方面進(jìn)行了研究。 i) 通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)和理論分析揭示了施工期吹填形成的軟粘土的塑性流動(dòng)變形機(jī)理，并以此為基礎(chǔ)提出了相應(yīng)的計(jì)算理論和工程控制措施。這對(duì)于吹填土形成的地基的正常使用和結(jié)構(gòu)物的選型具有重要的意義。 ii）基于地震、交通及波浪循環(huán)荷載的特征要素，建立了荷載要素與軟粘土動(dòng)變形的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 本課題的研究成果表明，與正常固結(jié)的軟粘土地基不同，吹填土形成的軟土地基對(duì)交變荷載更為敏感，動(dòng)荷載使地基的孔隙水壓力升高，使結(jié)構(gòu)性的重塑強(qiáng)度降低，造成更為嚴(yán)重的后果。有些道路的路面形成波浪起伏，嚴(yán)重影響其使用功能。這些成果除了可以深化認(rèn)識(shí)動(dòng)荷載對(duì)吹填土形成的地基的變形特性的科學(xué)意義外，對(duì)于該種地基上面的道路、碼頭和防波堤的設(shè)計(jì)和建設(shè)具有重要的指導(dǎo)重要。 iii) 以室內(nèi)試驗(yàn)及工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立軟粘土的粘-彈-塑性模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)地基長(zhǎng)期沉降的有效預(yù)測(cè)。 軟粘土的粘-彈-塑性應(yīng)力應(yīng)變的關(guān)系是巖土學(xué)科的前沿課題，目前以劍橋模型為基礎(chǔ)的相關(guān)研究尚在不斷深入。本課題研究了劍橋模型對(duì)于吹填土的適用性，特別是在卸荷狀態(tài)負(fù)值孔隙水壓力的發(fā)展規(guī)律方面進(jìn)行了深化的研究。研究成果可以用于對(duì)于基坑開(kāi)挖、建筑物在復(fù)雜應(yīng)力路徑條件下的變形預(yù)測(cè)。 iv)編制了有關(guān)控制軟粘土變形的技術(shù)規(guī)程。 基于以上研究，結(jié)合圍海造陸的工程實(shí)踐，通過(guò)以上研究，根據(jù)揭示的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(jī)理，提出了相應(yīng)的變形計(jì)算理論方法和控制措施，為圍海造陸形成陸域的長(zhǎng)期穩(wěn)定提供理論和技術(shù)支撐。在此基礎(chǔ)上編制了相應(yīng)的技術(shù)規(guī)程。 2100433B

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(wèn)題的半解析法。建立了求解線彈性大應(yīng)變固結(jié)問(wèn)題和非線性大應(yīng)變固結(jié)問(wèn)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(guò)程中的變化，加荷條件等對(duì)地基變形發(fā)展規(guī)律的影響，編制了計(jì)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(shí)固結(jié)過(guò)程的影響。本課題研究為開(kāi)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

軟粘土地基承載力低，強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢；加荷后易變形且不均勻；變形速率大且穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)；具有滲透性小、觸變性及流變性大的特點(diǎn)。常用的地基處理方法有預(yù)壓法、置換法、攪拌法等。

軟粘土在荷載作用下的強(qiáng)度會(huì)增長(zhǎng)。

飽和軟粘土地基在外荷載作用下隨著孔隙水壓力的消散以及土層的固結(jié)，土的抗剪強(qiáng)度也將會(huì)隨之增長(zhǎng)。2100433B

長(zhǎng)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(shí)間的推移往往會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的沉降或不均勻沉降，因此有必要從宏觀和微觀兩個(gè)尺度，對(duì)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(duì)寧波粘土和杭州軟粘土進(jìn)行了微觀試驗(yàn)。研究結(jié)果表明：通過(guò)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(tuán)粒間孔隙不斷減少，而團(tuán)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(guò)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(duì)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(jì)算結(jié)果更符合實(shí)際；土層厚度不大時(shí)，可以對(duì)土體自重進(jìn)行簡(jiǎn)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(shì)，可進(jìn)一步劃分為五個(gè)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(zhǎng)期變形；軟弱下臥層的存在會(huì)減慢固結(jié)速率；土體老化會(huì)造成非線性特性，土體的老化越強(qiáng)，產(chǎn)生的準(zhǔn)先期固結(jié)應(yīng)力越大。 2100433B