軟粘土變形特性及地基沉降控制理論研究

由于天津濱海新區(qū)的建設和發(fā)展對土地的迫切要求，進行了大規(guī)模的圍海造陸工程，普遍采用真空預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的粘土地基不同，對于其開發(fā)和利用是至關重要的，需要進行深入研究。為了解決這個問題，本課題從以下幾個方面進行了研究。 i) 通過室內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，并以此為基礎提出了相應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構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關系。 本課題的研究成果表明，與正常固結的軟粘土地基不同，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，使結構性的重塑強度降低，造成更為嚴重的后果。有些道路的路面形成波浪起伏，嚴重影響其使用功能。這些成果除了可以深化認識動荷載對吹填土形成的地基的變形特性的科學意義外，對于該種地基上面的道路、碼頭和防波堤的設計和建設具有重要的指導重要。 iii) 以室內試驗及工程實測數(shù)據為基礎，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測。 軟粘土的粘-彈-塑性應力應變的關系是巖土學科的前沿課題，目前以劍橋模型為基礎的相關研究尚在不斷深入。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)負值孔隙水壓力的發(fā)展規(guī)律方面進行了深化的研究。研究成果可以用于對于基坑開挖、建筑物在復雜應力路徑條件下的變形預測。 iv)編制了有關控制軟粘土變形的技術規(guī)程。 基于以上研究，結合圍海造陸的工程實踐，通過以上研究，根據揭示的新近吹填成陸的軟粘土地基在不同應力狀態(tài)下的變形機理，提出了相應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)定提供理論和技術支撐。在此基礎上編制了相應的技術規(guī)程。 2100433B

我國沿海地區(qū)每年圍海造陸面積超過100平方公里，真空預壓法被廣泛用于加固吹填土來形成陸域，經真空預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)和利用至關重要。本課題的研究內容包括：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關系；以室內試驗及工程實測數(shù)據為基礎，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測；基于以上研究，結合圍海造陸的工程實踐，編制有關控制軟粘土變形的技術規(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力狀態(tài)下的變形機理，提出相應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)定提供理論和技術支撐。

建立了基于成層地基一維固結解析解的求解非線性小應變固結問題的半解析法。建立了求解線彈性大應變固結問題和非線性大應變固結問題的半解析法。建立了變荷載下軟粘土非線性一維固結半解析解。研究了軟土的沉積作用、大應變、土壓縮性和滲透性在固結過程中的變化，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，得到了有關固結曲線，可以分析軟粘土地基在變荷載作用下的非線性一維固結性狀。研究表明：固結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，固結速率和沉降速率都越快。Cc/Ck值決定非線性特性時固結過程的影響。本課題研究為開展飽和粘土在復雜條件下的大應變固結理論提供了有效的思路。 2100433B

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

軟粘土在荷載作用下的強度會增長。

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，土的抗剪強度也將會隨之增長。2100433B

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，對軟粘土的力學特性特別是再壓縮特性進行研究。本次研究主要分為三部分內容：軟土的微結構力學模型研究，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理論研究。 軟土的微結構力學模型研究方面，基于已有的軟粘土微觀研究成果，建立軟粘土微結構突變模型，并針對寧波粘土和杭州軟粘土進行了微觀試驗。研究結果表明：通過唯象理論的方法建立的軟粘土微結構突變模型與本構關系，能夠描述軟粘土流變固結的力學特性；隨著固結應力增加，團粒間孔隙不斷減少，而團粒內孔隙則未表現(xiàn)出大的變化；主固結和次固結都發(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變固結方程，并采用數(shù)值方法求得其解答。研究結果表明：相對于假定固結系數(shù)等參數(shù)保持不變，考慮土體復雜非線性的計算結果更符合實際；土層厚度不大時，可以對土體自重進行簡化考慮，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，可進一步劃分為五個階段。 軟土的非線性流變固結理論研究方面，分別考慮了軟土應力歷史，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方程，并采用解析方法或數(shù)值方法求得其解答。研究結果表明：土體壓縮性的影響主要體現(xiàn)在固結初期，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速率；土體老化會造成非線性特性，土體的老化越強，產生的準先期固結應力越大。 2100433B