土體變形過程中內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化的無損傷動態(tài)研究

課題應(yīng)用ＣＴ技術(shù)，設(shè)計三套適用于ＣＴ的土體壓縮，剪切和滲透裝置，對土體的壓縮變形，剪切變形和滲透變形過程中的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化進行無損傷動態(tài)分析，跟蹤土體在變形過程中細微裂隙的發(fā)生，發(fā)展及分布以及污染物在滲透過程中吸附和遷移等，建立土體變形與結(jié)構(gòu)間的動態(tài)關(guān)系，從而為改良土體的工程性質(zhì)，建立土體正確的本構(gòu)關(guān)系提供理論依據(jù)。 2100433B

過量開采地下水導(dǎo)致地面下沉、開裂，造成巨大的經(jīng)濟損失。野外長期觀測資料表明在地下水位變化情況下，地下水位變化模式對土層的變形特征有顯著影響，但到目前為止國內(nèi)外對此問題都未做深入研究。本項目將在對典型地面沉降地區(qū)長期地下水位觀測資料和相應(yīng)的土層變形監(jiān)測資料分析的基礎(chǔ)上，從土體變形的角度，將實際土層中地下水位的變化情況概化為不同的變化模式，通過實驗研究在每種地下水位變化模式下土體的變形特征，建立相應(yīng)的土體應(yīng)力、應(yīng)變和時間的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上建立土層沉降模型。利用研究區(qū)的長期觀測資料，對所建立的模型進行識別和檢驗，并將經(jīng)過識別和檢驗的模型應(yīng)用于地面沉降的預(yù)測分析中，為地面沉降的防治和地下水的合理開采提供建議。該項目的研究對于土體的變形理論、地面沉降和地裂縫的形成機理、地面沉降模型的進一步發(fā)展都具有重要的科學(xué)意義，對地面沉降的預(yù)測和防治具有重要的實際應(yīng)用價值。 2100433B

變形的性質(zhì)和大小，既決定于荷載的大小、性質(zhì)（靜或動荷載）和持續(xù)的時間，也決定于土的性質(zhì)、初始固結(jié)情況和應(yīng)力歷史等因素。土體的變形包括體積改變的壓縮變形及顆粒和顆粒組成的結(jié)構(gòu)單元相互滑移的剪切變形。當荷載不超過土的屈服強度時，以體積變形為主；當荷載超過屈服強度時，剪切變形成為主要部分。土體受力后，立即產(chǎn)生的變形，稱瞬時變形。粘性土，尤其當水飽和時，大部分變形是隨著土中孔隙水被緩慢擠出而產(chǎn)生固結(jié)變形。粘性土在應(yīng)力不變的條件下可產(chǎn)生持續(xù)而緩慢的蠕變。受力變形后的土體，當外力移去時，一般情況下，部分可以恢復(fù)的變形稱彈性變形；相當一部分不能恢復(fù)的變形稱塑性變形。土的壓縮變形　無側(cè)向變形條件下的壓縮　早期研究土的壓縮性試驗，土樣裝在厚壁金屬環(huán)中，不能產(chǎn)生側(cè)向變形，試驗時分級施加豎向壓力。當每級壓力下土樣變形停止后，再加下一級壓力，由測微表量出土樣在各級壓力下的豎向應(yīng)變。為應(yīng)用方便常用孔隙比代替應(yīng)變，可繪出圖1所示孔隙比-壓力曲線，稱壓縮曲線。在某一壓力段(P1～P2)內(nèi)可近似地把曲線當作直線，其斜率稱壓縮系數(shù)，反映了土在無側(cè)向變形條件下的壓縮性。軸對稱應(yīng)力狀態(tài)下的壓縮　通過圓柱形土樣和三軸壓縮儀試驗裝置，土樣的軸向變形由測壓桿的位移求得；側(cè)向變形因沿土樣高度不一致，不易求得，多根據(jù)土樣的體積變化和軸向變形計算出其平均值?？紫端畨憾嘤脡毫鞲衅髁繙y。根據(jù)三軸試驗中量得的主應(yīng)力和相應(yīng)的主應(yīng)變的增量，可以用公式算出相應(yīng)的割線模量及泊松比。三向應(yīng)力狀態(tài)下的壓縮　為了研究土中主應(yīng)力對土的變形和強度的影響，近十多年來國外已研制成不同型式的真三軸儀。土樣用六個可以一起調(diào)整和相對滑動的剛性板包圍，每對剛性板可以單獨加壓，這樣土樣承受三個互相獨立、大小不同的主應(yīng)力，即一般的三向應(yīng)力。但儀器構(gòu)造復(fù)雜，剛性板對土樣表面摩擦的影響大，試驗費時，正在不斷改進中。土的剪切變形　土樣剪切面上正應(yīng)力保持不變時，其剪位移隨剪應(yīng)力增大，并呈曲線關(guān)系。密實砂土的剪應(yīng)力-剪位移曲線有一峰值，即當剪應(yīng)力達峰值后，隨剪位移的繼續(xù)發(fā)展，剪應(yīng)力下降而趨于一定值；土體積發(fā)生膨脹。松砂的剪應(yīng)力-剪位移曲線達峰值后，剪應(yīng)力不變；其體積先發(fā)生壓縮，后又趨向膨脹。如上所述，砂土在密實狀態(tài)下剪切時體積膨脹，在松散狀態(tài)下剪切時體積壓縮，所以有一“臨界孔隙比”，砂土在此孔隙比剪切時，體積變化為零。通過三軸排水剪試驗研究，發(fā)現(xiàn)臨界孔隙比受側(cè)限壓力的影響，隨側(cè)限壓力的增大而減小。正常固結(jié)粘性土的剪應(yīng)力和剪位移關(guān)系和松砂相似，超固結(jié)粘性土和密實砂土相似。蠕變　粘性土在不變的剪應(yīng)力下，應(yīng)變隨時間而增長的現(xiàn)象，稱為土的蠕變，也稱徐變。應(yīng)力較小時，應(yīng)變隨時間增加，但速率漸減而趨向一極限，如曲線A（圖2）；應(yīng)力較大時，應(yīng)變隨時間增長，但蠕變速率漸減，如曲線B；當應(yīng)力大時（但仍低于通常試驗所定強度），開始應(yīng)變率隨時間漸減，但隨后又大增，從而導(dǎo)致土的破壞，如曲線C。蠕變的影響隨粘性土的塑性指數(shù)和含水量的增大而增大。 2100433B