天津?yàn)I海新區(qū)軟土流變固結(jié)特性研究

天津?yàn)I海新區(qū)軟土流變固結(jié)特性研究天津擁有悠久的圍海造陸歷史,自1939年塘沽新港始建以來(lái),天津地區(qū)相繼在沿海及海河沿岸進(jìn)行了不同規(guī)模的圍海造陸工程。近年來(lái)隨著天津?yàn)I海新區(qū)大規(guī)模的建設(shè)和開(kāi)發(fā),圍海造陸已經(jīng)為了濱海新區(qū)開(kāi)發(fā)土地資源的主要途徑。大規(guī)模的圍海造陸工程形成了大量由軟土組成的建筑地基,由于軟土的黏粒含量高,有機(jī)質(zhì)含量高,親水性強(qiáng),使得地基在排水處理結(jié)束后較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)仍會(huì)產(chǎn)生沉降,也產(chǎn)生了諸如軟土地基地面不均勻沉降、較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的工后沉降量較大等一系列的實(shí)際工程問(wèn)題。大量科學(xué)研究與工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)均表明,軟土的流變性是產(chǎn)生這些問(wèn)題的主要原因之一。對(duì)于在圍海造陸過(guò)程中形成的大量由軟土組成的地基,這種流變特性產(chǎn)生的影響尤其顯著。軟土地基的這種特性,不僅會(huì)影響建筑在其上的各種建筑物的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和長(zhǎng)期使用的安全性,圍海造陸工程所形成的軟土地基本身也會(huì)產(chǎn)生地面沉降開(kāi)裂、填土標(biāo)高損失、引發(fā)次生地質(zhì)災(zāi)害等一系列嚴(yán)重的工程問(wèn)題,從而造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此,研究圍海造陸形成的軟土地基中土體的流變固結(jié)特性,尋找軟土體的應(yīng)力應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系,分析其產(chǎn)生流變的本質(zhì)機(jī)理,成為了目前土體研究和實(shí)際工程領(lǐng)域急需解決的問(wèn)題。為了解決圍海造陸軟土地基的流變性狀在理論研究實(shí)際工程中所產(chǎn)生的問(wèn)題,研究軟土固結(jié)流變特性及其本質(zhì)規(guī)律這一重要課題,論文結(jié)合國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No.41172236),國(guó)家青年自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41402243)和教育部博士點(diǎn)基金項(xiàng)目(20120061110054),以天津?yàn)I海新區(qū)軟土地基作為研究對(duì)象,主要做了以下研究工作:根據(jù)取樣地點(diǎn)的工程地質(zhì)概況,對(duì)天津?yàn)I海新區(qū)軟土的基本物理性質(zhì)、易溶鹽含量、pH值、陽(yáng)離子交換和粒度分析等特性進(jìn)行測(cè)試,以確定其基本特征,為下一步進(jìn)行軟土次固結(jié)試驗(yàn)提供研究基礎(chǔ)。在太沙基一維固結(jié)理論的基礎(chǔ)上,建立了考慮次固結(jié)變形的一維流變固結(jié)微分方程。并利用次固結(jié)系數(shù)和Singh-Mitchell經(jīng)驗(yàn)蠕變方程,對(duì)一維流變固結(jié)微分方程的計(jì)算過(guò)程和參數(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)化。改進(jìn)的一維流變固結(jié)微分方程能充分反映軟土在流變固結(jié)過(guò)程中應(yīng)變與應(yīng)力和時(shí)間的關(guān)系,為宏觀力學(xué)試驗(yàn)和微觀結(jié)構(gòu)分析提供理論基礎(chǔ)。為了求解考慮次固結(jié)變形的一維流變固結(jié)微分方程,將天津?yàn)I海新區(qū)軟土作為研究對(duì)象,運(yùn)用高壓固結(jié)儀對(duì)其進(jìn)行次固結(jié)試驗(yàn),得出不同應(yīng)力條件下土體隨時(shí)間的蠕變變形發(fā)生發(fā)展過(guò)程,并分析了濱海新區(qū)軟土的次固結(jié)特性。并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析,得到了軟土次固結(jié)系數(shù)的變化規(guī)律,分析次固結(jié)系數(shù)受試驗(yàn)荷載因素,壓縮指數(shù)等因素影響。并提出了一種用應(yīng)變速率和體積變化關(guān)系來(lái)劃分主次固結(jié)的方法,經(jīng)驗(yàn)證這種方法可以合理地適用于各種荷載情況。開(kāi)展微觀尺度試驗(yàn),利用掃描電鏡與壓汞試驗(yàn)觀測(cè)固結(jié)和流變前后軟土的微觀結(jié)構(gòu)特征變化,測(cè)定其孔隙分布規(guī)律及其變化,為微結(jié)構(gòu)力學(xué)模型的建立提供依據(jù)。對(duì)天津?yàn)I海新區(qū)軟土的結(jié)合水特性進(jìn)行了測(cè)試,測(cè)定了軟土的吸附結(jié)合水量,對(duì)土顆粒之間的微觀連接特征做出評(píng)價(jià)。在次固結(jié)實(shí)驗(yàn)和微觀結(jié)構(gòu)研究的基礎(chǔ)上,利用新的軟土一維流變固結(jié)模型,提出能描述荷載作用下土體微觀結(jié)構(gòu)變形特性的物理模型。對(duì)模型進(jìn)行力學(xué)分析,推導(dǎo)得到宏觀力學(xué)參量與微觀參數(shù)之間的關(guān)系。模型中涉及土的孔隙分布、微結(jié)構(gòu)變形特性、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、土的結(jié)合水膜厚度等,并采用有限差分方法對(duì)新的軟土一維流變固結(jié)模型進(jìn)行求解。綜合考量