天然沉積結(jié)構(gòu)性軟粘土的力學(xué)擾動機(jī)理和評價方法

結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)損傷和宏觀強(qiáng)度衰減，給工程帶來潛在危害。為此本項(xiàng)研究從模型試驗(yàn)、宏觀力學(xué)試驗(yàn)和微觀試驗(yàn)等層次組織了研究，結(jié)合理論分析，揭示天然沉積結(jié)構(gòu)性軟粘土力學(xué)擾動的機(jī)理和評價方法。研究中首先開展了玻璃棒-黏膠體系力學(xué)損傷的模型試驗(yàn)研究，然后進(jìn)行了連云港天然沉積結(jié)構(gòu)性軟土進(jìn)行了控制損傷的室內(nèi)試驗(yàn)，試驗(yàn)中根據(jù)不同的應(yīng)力路徑對土體進(jìn)行人為的損傷，對損傷后土體進(jìn)行微觀試驗(yàn)（MIP和SEM），損傷后土體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、壓縮固結(jié)滲透等試驗(yàn)。結(jié)合力學(xué)擾動施加的能量、土體彈塑性功、膠結(jié)破損和損傷變量間已有的研究成果，結(jié)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(chǔ)上，探討了損傷變量與變形（e）定義和強(qiáng)度（qu）定義的擾動度間的關(guān)系，結(jié)果表明按變形的擾動度與損傷變量間關(guān)系不明晰，而按強(qiáng)度定義的擾動度與損傷變量間具有良好的相關(guān)關(guān)系，構(gòu)建了損傷后土體的強(qiáng)度以及其他物理力學(xué)指標(biāo)與擾動度和損傷變量間的關(guān)系。通過壓汞試驗(yàn)和電鏡掃描試驗(yàn)的微觀結(jié)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(yīng)關(guān)系。同時需要指出的是，土體發(fā)生損傷，其強(qiáng)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

結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)損傷和宏觀強(qiáng)度衰減，給工程帶來潛在危害。目前的研究主要針對土體擾動后某一狀態(tài)的擾動度進(jìn)行評價，而對各狀態(tài)間相互關(guān)系，即施工擾動過程與擾動度和土體強(qiáng)度之間的關(guān)系尚不明確，致使目前施工擾動研究存在重大缺陷。本項(xiàng)目研究采用損傷力學(xué)理論，分析力學(xué)擾動過程中土體損傷發(fā)展規(guī)律，得到合理表征土體損傷的變量，探討力學(xué)擾動施加的能量與土體彈塑性功、膠結(jié)破損和損傷變量之間的關(guān)系。通過給定損傷變量的固結(jié)試驗(yàn)，建立擾動度與損傷變量二者的關(guān)系，結(jié)合擾動度與強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，構(gòu)建力學(xué)擾動所施加的能量、土體損傷變量、擾動度、土體強(qiáng)度等之間有機(jī)的評價方法。該評價方法將揭示力學(xué)擾動的機(jī)理，并為天然沉積結(jié)構(gòu)性軟粘土地基設(shè)計(jì)和施工方法的制定，提供科學(xué)依據(jù)和理論支持。

運(yùn)用統(tǒng)計(jì)相關(guān)和奇異值分解方法，系統(tǒng)地考察了非絕熱加熱對大氣局地?cái)_動位能的響特征和機(jī)理問題。分析結(jié)果表明，熱帶地區(qū)海表溫度異常和擾動位能的耦合相關(guān)特征與厄爾尼諾和南方濤動變率的關(guān)系密切，擾動位能在熱帶外地區(qū)的耦合模態(tài)空間型呈現(xiàn)出與北太平洋—北美大氣遙相關(guān)型極為相似的分布特征。

位能表面溫度與擾動位能的相關(guān)關(guān)系

海表溫度異常對于大氣系統(tǒng)熱力動力過程的影響是知道的，同樣作為下墊面邊界條件，陸面溫度的異常變化也必然會對大氣局部能量有效性造成影響。因此，在對SST場異常以及特征指數(shù)與大氣擾動位能相關(guān)關(guān)系進(jìn)行分析基礎(chǔ)上，這里簡要考察表面溫度（SurfaceAirTemperature，SAT）與擾動位能的局地單點(diǎn)相關(guān)關(guān)系。

擾動位能和表面溫度的點(diǎn)對點(diǎn)局地相關(guān)系數(shù)分布情況。可以看出，全球各個格點(diǎn)在四個季節(jié)PPE和SAT的相關(guān)系數(shù)均大于0，呈現(xiàn)正相關(guān)特征，相關(guān)不顯著區(qū)域主要集中于夏半球，1月份分布在澳洲和南大洋以及熱帶地區(qū)，而月份則分布在北太平洋和北大西洋海區(qū)以及熱帶和南極附近；春秋過渡季節(jié)陰影區(qū)顯著減小，主要集中于熱帶，但春季4月份南極大陸幾乎都未通過嚴(yán)格的顯著性檢驗(yàn)。總體來看，陸面溫度和擾動位能的相關(guān)要好于海面。

擾動位能反映的是局地能量的有效性，它與局地溫度相對于全球平均的偏差有關(guān)，因而，表面溫度與局地?cái)_動位能的顯著相關(guān)是容易理解的，這也反映出兩者變化具有一致性。當(dāng)然，在不同季節(jié)也會出現(xiàn)相關(guān)相對較弱的個別區(qū)域，這些情況可能與其它未知因素有關(guān)。

位能熱帶地區(qū)Q1和擾動位能的SVD分析

在單點(diǎn)相關(guān)分析基礎(chǔ)上，進(jìn)一步以Q₁為左場，以大氣擾動位能為右場進(jìn)行了SVD場相關(guān)分析，并按照熱帶地區(qū)Q₁和擾動位能之間，以及北半球熱帶外Q₁和擾動位能之間兩種情況來分別開展研究。

首先，以冬季熱帶地區(qū)的視熱源Q₁為左場，以該地區(qū)整層積分的擾動位能為右場進(jìn)行SVD分析，其目的是考察低緯以潛熱為主的非絕熱加熱率與局地能量有效性的相關(guān)關(guān)系。第一模態(tài)解釋兩個場之間的總協(xié)方差平方和的62.18%，能夠代表兩個場耦合變化型的主要特征，解釋Q₁方差的27.02%，解釋整層擾動位能方差的7.03%，兩個場的耦合變化型顯然在Q₁場中占較大的方差比例。第二耦合模態(tài)的方差貢獻(xiàn)則遠(yuǎn)不及第一模態(tài)，其仍在Q₁場中的貢獻(xiàn)很大。大部分耦合模態(tài)左右場展開時間系數(shù)之間的相關(guān)可達(dá)0.7以上，通過了99.9%的信度檢驗(yàn)。

軟粘土的強(qiáng)度極低，不排水強(qiáng)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(biāo)。

軟粘土的壓縮性很大。壓縮系數(shù)大于0.5MPa-1，最大可達(dá)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(jié)土或微超固結(jié)土，但有些土層特別是新近沉積的土層有可能屬于欠固結(jié)土。

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

結(jié)合水對軟粘土的力學(xué)行為具有控制作用。已有成果表明，這種控制作用的機(jī)制尚未明確，結(jié)合水性質(zhì)與軟粘土變形與強(qiáng)度特性之間的關(guān)系研究尚未真正開展起來。課題擬在前人研究成果的基礎(chǔ)上，以工程地質(zhì)學(xué)、土質(zhì)學(xué)、土力學(xué)、粘土礦物學(xué)等理論為指導(dǎo)，采用“現(xiàn)場調(diào)查—試驗(yàn)測試—機(jī)制探索—模型建立—分析評價”的研究思路，綜合運(yùn)用先進(jìn)的測試技術(shù)、非線性相關(guān)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(jié)合水特性及其與力學(xué)特性的相關(guān)性與機(jī)理的研究。探索土中結(jié)合水與土顆粒的作用機(jī)制，提出結(jié)合水的類型界定與表征方法；研究結(jié)合水對軟粘土的基本力學(xué)性質(zhì)、固結(jié)蠕變、長期強(qiáng)度的控制作用和機(jī)理，建立軟粘土結(jié)合水與其變形、強(qiáng)度之間的量化關(guān)系模型。旨在揭示軟粘土變形與強(qiáng)度的本質(zhì)，從而建立更為精細(xì)的軟粘土變形與強(qiáng)度的計(jì)算模型，豐富土力學(xué)的計(jì)算理論，為軟土性質(zhì)的改良與軟土地基工程設(shè)計(jì)提供科學(xué)的理論依據(jù)。