欠固結(jié)淤泥質(zhì)吹填土加固前后變形特性及固結(jié)理論研究

吹填土地基加固完成投入工程建設(shè)后，利用天然沉積土相關(guān)理論進(jìn)行變形計(jì)算，其計(jì)算值遠(yuǎn)小于實(shí)際沉降值，結(jié)果導(dǎo)致了許多工程問(wèn)題的出現(xiàn)，主要體現(xiàn)在:（1）吹填土上修建的建筑物周圍吹填土地基出現(xiàn)了較大的整體沉降（最大整體沉降可達(dá)到50cm以上），導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)與周圍土體出現(xiàn)較大的沉降差，影響了結(jié)構(gòu)物的使用功能和安全性；（2）吹填土地基較大的整體沉降導(dǎo)致較大的不均勻沉降，另外由于不均勻沉降還造成了地下管線以及其他市政設(shè)施的破壞，帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。以上工程問(wèn)題都說(shuō)明了吹填土地基的工程特性與天然沉積土存在著很大的差別，以往計(jì)算理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況存在著較大的區(qū)別，需要對(duì)加固后用于工程建設(shè)的吹填土地基的變形固結(jié)理論進(jìn)行深入的研究。 本項(xiàng)目以欠固結(jié)的淤泥質(zhì)吹填土為研究對(duì)象，對(duì)提出的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題進(jìn)行相關(guān)研究，主要擬通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)和理論推導(dǎo)對(duì)欠固結(jié)吹填土真空預(yù)壓加固過(guò)程中以及加固后的本構(gòu)關(guān)系和固結(jié)系數(shù)非線性的固結(jié)理論進(jìn)行研究，提出吹填土不同固結(jié)階段的流固耦合控制方程，編制有限元程序并通過(guò)模型試驗(yàn)對(duì)其驗(yàn)證。具體研究?jī)?nèi)容主要包括：（1）欠固結(jié)淤泥質(zhì)吹填土在真空預(yù)壓加固過(guò)程中及加固后的本構(gòu)關(guān)系；（2）欠固結(jié)淤泥質(zhì)吹填土固結(jié)系數(shù)非線性的固結(jié)理論；（3）建立新近吹填土的流固耦合計(jì)算模型，并進(jìn)行程序開(kāi)發(fā)；（4）吹填土流固耦合計(jì)算模型的驗(yàn)證。通過(guò)研究得到以下重要成果：（1）建立了欠固結(jié)淤泥質(zhì)吹填土真空預(yù)壓加固過(guò)程中以及加固后吹填土的本構(gòu)關(guān)系；（2）提出了淤泥質(zhì)吹填土加固過(guò)程中和加固后滲透系數(shù)、壓縮系數(shù)隨固結(jié)應(yīng)力和孔隙比的變化規(guī)律，分別建立新近吹填土加固過(guò)程中的大變形固結(jié)理論和加固后固結(jié)系數(shù)為變量的固結(jié)理論；（3）建立了適合于欠固結(jié)吹填土不同固結(jié)階段的流固耦合計(jì)算模型，編寫計(jì)算程序，并對(duì)計(jì)算程序進(jìn)行了驗(yàn)證。 2100433B

圍海造陸是解決沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)建設(shè)土地緊張的快速、經(jīng)濟(jì)的方法。目前圍海造陸工程加固前吹填土為含水量高達(dá)120%以上、初始孔隙比為2.8以上的流塑態(tài)，屬欠固結(jié)土，欠固結(jié)吹填土在真空預(yù)壓加固過(guò)程中及加固后的本構(gòu)關(guān)系、固結(jié)理論與天然沉積土存在較大區(qū)別。如何根據(jù)規(guī)劃標(biāo)高確定吹填標(biāo)高以及加固后吹填土地基的變形特性是目前工程中遇到的兩大難題，因此對(duì)填土加固前后固結(jié)變形理論的研究具有緊迫性，已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究熱點(diǎn)；本項(xiàng)研究通過(guò)自主研發(fā)的抽真空三軸試驗(yàn)設(shè)備和常規(guī)三軸儀對(duì)吹填土加固過(guò)程中及后期使用期的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行試驗(yàn)研究，建立吹填土不同狀態(tài)下的本構(gòu)關(guān)系；利用滲流固結(jié)儀研究滲透系數(shù)和壓縮系數(shù)隨孔隙比、有效應(yīng)力的變化規(guī)律，提出固結(jié)系數(shù)非線性的固結(jié)理論；建立吹填土流固耦合計(jì)算模型并在計(jì)算機(jī)上給以實(shí)現(xiàn)；通過(guò)真空預(yù)壓模型試驗(yàn)對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行驗(yàn)證。研究成果可豐富吹填土在土力學(xué)理論上的內(nèi)容并對(duì)工程具有較大的指導(dǎo)意義。

1.壓縮變形特性：

對(duì)于超固結(jié)土，外加荷載小于其先期固結(jié)壓力時(shí)，土層的壓縮很微小，外加荷載一旦超過(guò)先期固結(jié)壓力，土的變形將顯著增大。

2.含水量較低：

由于受前期固結(jié)壓力的影響，超固結(jié)軟土的孔隙性較小，故含水量一般低于軟土的含水量。

3.透水性差

由于受前期固結(jié)壓力的影響，超固結(jié)軟土的透水性一般較差。

4.蠕變

土的蠕變特性是土體變形時(shí)效特性最典型反應(yīng)之一，從宏觀上描述的軟土蠕變現(xiàn)象與其他材料有許多相似之處之外，不同之處在于蠕變變形收固結(jié)特性的影響，因此，分析超固結(jié)軟土蠕變變形時(shí)必須考慮土體的滲透性和孔隙水壓力的消散。在長(zhǎng)期恒定應(yīng)力作用下，軟土將產(chǎn)生緩慢的剪切變形，并導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度的衰減；在固結(jié)沉降完成之后，軟土還可能繼續(xù)產(chǎn)生可觀的次固結(jié)沉降。

按照前期固結(jié)壓力與現(xiàn)有壓力相對(duì)比的狀況，可將土（主要為粘性土和粉土）分為正常固結(jié)土、超固結(jié)土（超壓密土）和欠固結(jié)土三類。正常固結(jié)土層在歷史上所經(jīng)受的先期固結(jié)壓力等于現(xiàn)有現(xiàn)有覆蓋土重。在研究沉積土層的應(yīng)力歷史時(shí)，通常把土層歷史上所經(jīng)受過(guò)的先期固結(jié)壓力p_c與現(xiàn)有覆蓋土重p₁進(jìn)行對(duì)比，兩者的比值定義為超固結(jié)比（OCR）。正常固結(jié)土、超固結(jié)土和欠固結(jié)土的超固結(jié)比分別為OCR=1、OCR>1和OCR<1。

當(dāng)考慮土的應(yīng)力歷史進(jìn)行沉降計(jì)算時(shí)，應(yīng)進(jìn)行高壓固結(jié)試驗(yàn)，確定先期固結(jié)壓力、壓縮指數(shù)等。確定先期固結(jié)壓力最常用的方法是

卡薩格蘭德經(jīng)驗(yàn)作圖法，步驟如下：

1從e-logp曲線上找出曲率半徑最小的一點(diǎn)A，過(guò)A點(diǎn)作水平線A1和切線A2；

2作∠1A2的平分線A3，與e-logp曲線中直線段的延長(zhǎng)線相交于B點(diǎn)；

3B點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的有效應(yīng)力就是先期固結(jié)壓力。

固結(jié)是指松軟土壤在外力作用下發(fā)生壓縮、去水而逐漸密實(shí)的過(guò)程。當(dāng)有壓力施加在土體時(shí)，土粒會(huì)更加緊密的壓在一起，使土體孔隙中水分逐漸排出、體積變小、密度增大。土壤的固結(jié)現(xiàn)象在基礎(chǔ)工程中意義重大，是地基沉降的主要因素。土壤的固結(jié)度是研究地基沉降量與時(shí)間關(guān)系的主要依據(jù)。

正常固結(jié)土超固結(jié)土

超固結(jié)土是先期固結(jié)壓力大于現(xiàn)有自重壓力的土(Pc>Po)。說(shuō)明土在歷史上曾受過(guò)比現(xiàn)有自重壓力大的固結(jié)壓力。超固結(jié)土具有以下特性：

壓縮變形特性

對(duì)于超固結(jié)土，外加荷載小于其先期固結(jié)壓力時(shí)，土層的壓縮很微小，外加荷載一旦超過(guò)先期固結(jié)壓力，土的變形將顯著增大。

含水量較低

由于受前期固結(jié)壓力的影響，超固結(jié)軟土的孔隙性較小，故含水量一般低于軟土的含水量。

透水性差

由于受前期固結(jié)壓力的影響，超固結(jié)軟土的透水性一般較差。

蠕變

土的蠕變特性是土體變形時(shí)效特性最典型反應(yīng)之一，從宏觀上描述的軟土蠕變現(xiàn)象與其他材料有許多相似之處之外，不同之處在于蠕變變形收固結(jié)特性的影響，因此，分析超固結(jié)軟土蠕變變形時(shí)必須考慮土體的滲透性和孔隙水壓力的消散。在長(zhǎng)期恒定應(yīng)力作用下，軟土將產(chǎn)生緩慢的剪切變形，并導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度的衰減；在固結(jié)沉降完成之后，軟土還可能繼續(xù)產(chǎn)生可觀的次固結(jié)沉降 。

正常固結(jié)土欠固結(jié)土

由于人類的工程活動(dòng)或自然地質(zhì)條件的變遷，導(dǎo)致在現(xiàn)存的自重壓力作用下未完成固結(jié)過(guò)程以致仍在繼續(xù)緩慢地進(jìn)行著排水固結(jié)的土體(層)。其判別標(biāo)志是現(xiàn)存的自重壓力大于其先期固結(jié)壓力或者超固結(jié)比OCR<1。特點(diǎn)：土粒在重力作用下未固結(jié)，在沉積壓密過(guò)程中產(chǎn)生鹽類析出或膠結(jié)作用，形成“結(jié)構(gòu)強(qiáng)度”，土體壓縮曲線變緩。土層形成的此類土一旦“結(jié)構(gòu)強(qiáng)度”遭到破壞，則會(huì)產(chǎn)生進(jìn)一步固結(jié)壓密，直至形成正常固結(jié)狀態(tài)。如濕陷性黃土受雨水浸泡后產(chǎn)生大量變形。