軟粘土地基電滲加固機理及工程應(yīng)用研究項目摘要

我國沿海沿江地區(qū)軟粘土地基分布很廣，而軟粘土含水量高、抗剪強度低、水力滲透系數(shù)小，采用堆載預(yù)壓法等常規(guī)方法進(jìn)行加固，由于加固費時往往不能滿足工程進(jìn)度需要，有時大量的堆載材料也難以解決。電滲法排水的速率與土的電滲滲透系數(shù)有關(guān)。軟粘土的電滲滲透系數(shù)一般比其水力滲透系數(shù)大2-3個數(shù)量級，采用電滲法可以較快排出軟粘土中的水。但由于對電滲加固機理缺乏深刻認(rèn)識，至今未能將電滲法加固地基大量應(yīng)用于工程實踐。本課題通過室內(nèi)外電滲固結(jié)試驗研究，并結(jié)合工程案例分析，建立電滲固結(jié)模型，建立電滲過程中金屬離子的遷移模型，發(fā)展考慮非線性電場、滲流場、應(yīng)力場耦合作用的電滲固結(jié)理論，提出電滲加固軟粘土地基設(shè)計計算方法，特別是電滲-真空預(yù)壓聯(lián)合固結(jié)作用和電滲-堆載預(yù)壓聯(lián)合固結(jié)作用加固軟粘土地基設(shè)計計算方法，為工程建設(shè)服務(wù)。該課題可解決工程實踐中迫切需要解決的基礎(chǔ)理論問題，既有重要的理論意義，又有重大的工程應(yīng)用價值。 2100433B

電滲加固機理要從土的微觀結(jié)構(gòu)說起。土是固—液—氣三相分散系。土的固相即土顆粒，其表面通常帶有負(fù)電荷，在外加電場作用下，向電勢高處運動，此現(xiàn)象稱為電泳；土的液相即土中水，它極易和被溶解的物質(zhì)如水中的陽離子結(jié)合成水化陽離子，在外加電場作用下，向電勢低處運動，此現(xiàn)象稱為電滲。土中水分為結(jié)合水和自由水。自由水是指在雙電層影響以外的水，排水固結(jié)法排出的的水是自由水。結(jié)合水是受雙電層影響， 吸附于土粒表面的水，可分為強結(jié)合水和弱結(jié)合水。強結(jié)合水很難排出， 但其性質(zhì)已接近固體，因此不對土體加固產(chǎn)生影響；弱結(jié)合水因為受土粒靜電場的影響，一般的排水固結(jié)法很難將其排出，但在外加直流電場的作用下，部分弱結(jié)合水可以擺脫靜電場的束縛被排出，這是電滲力的優(yōu)勢所在，即電滲不僅可以排出自由水，還可以排出弱結(jié)合水。

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。

由于天津濱海新區(qū)的建設(shè)和發(fā)展對土地的迫切要求，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題與一般正常固結(jié)的粘土地基不同，對于其開發(fā)和利用是至關(guān)重要的，需要進(jìn)行深入研究。為了解決這個問題，本課題從以下幾個方面進(jìn)行了研究。 i) 通過室內(nèi)試驗和理論分析揭示了施工期吹填形成的軟粘土的塑性流動變形機理，并以此為基礎(chǔ)提出了相應(yīng)的計算理論和工程控制措施。這對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變形的對應(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交變荷載更為敏感，動荷載使地基的孔隙水壓力升高，使結(jié)構(gòu)性的重塑強度降低，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)識動荷載對吹填土形成的地基的變形特性的科學(xué)意義外，對于該種地基上面的道路、碼頭和防波堤的設(shè)計和建設(shè)具有重要的指導(dǎo)重要。 iii) 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。 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于基坑開挖、建筑物在復(fù)雜應(yīng)力路徑條件下的變形預(yù)測。 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踐，通過以上研究，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)下的變形機理，提出了相應(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。在此基礎(chǔ)上編制了相應(yīng)的技術(shù)規(guī)程。 2100433B