天津濱海新區(qū)軟土流變固結(jié)特性研究

天津濱海新區(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,天津地區(qū)相繼在沿海及海河沿岸進行了不同規(guī)模的圍海造陸工程。近年來隨著天津濱海新區(qū)大規(guī)模的建設(shè)和開發(fā),圍海造陸已經(jīng)為了濱海新區(qū)開發(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,有機質(zhì)含量高,親水性強,使得地基在排水處理結(jié)束后較長時間內(nèi)仍會產(chǎn)生沉降,也產(chǎn)生了諸如軟土地基地面不均勻沉降、較長時間內(nèi)產(chǎn)生的工后沉降量較大等一系列的實際工程問題。大量科學研究與工程實踐經(jīng)驗均表明,軟土的流變性是產(chǎn)生這些問題的主要原因之一。對于在圍海造陸過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,不僅會影響建筑在其上的各種建筑物的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和長期使用的安全性,圍海造陸工程所形成的軟土地基本身也會產(chǎn)生地面沉降開裂、填土標高損失、引發(fā)次生地質(zhì)災(zāi)害等一系列嚴重的工程問題,從而造成巨大的經(jīng)濟損失。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)變與時間的關(guān)系,分析其產(chǎn)生流變的本質(zhì)機理,成為了目前土體研究和實際工程領(lǐng)域急需解決的問題。為了解決圍海造陸軟土地基的流變性狀在理論研究實際工程中所產(chǎn)生的問題,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)合國家自然科學基金項目(No.41172236),國家青年自然科學基金資助項目(41402243)和教育部博士點基金項目(20120061110054),以天津濱海新區(qū)軟土地基作為研究對象,主要做了以下研究工作:根據(jù)取樣地點的工程地質(zhì)概況,對天津濱海新區(qū)軟土的基本物理性質(zhì)、易溶鹽含量、pH值、陽離子交換和粒度分析等特性進行測試,以確定其基本特征,為下一步進行軟土次固結(jié)試驗提供研究基礎(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)驗蠕變方程,對一維流變固結(jié)微分方程的計算過程和參數(shù)進行了簡化。改進的一維流變固結(jié)微分方程能充分反映軟土在流變固結(jié)過程中應(yīng)變與應(yīng)力和時間的關(guān)系,為宏觀力學試驗和微觀結(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,將天津濱海新區(qū)軟土作為研究對象,運用高壓固結(jié)儀對其進行次固結(jié)試驗,得出不同應(yīng)力條件下土體隨時間的蠕變變形發(fā)生發(fā)展過程,并分析了濱海新區(qū)軟土的次固結(jié)特性。并對數(shù)據(jù)進行擬合分析,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)系來劃分主次固結(jié)的方法,經(jīng)驗證這種方法可以合理地適用于各種荷載情況。開展微觀尺度試驗,利用掃描電鏡與壓汞試驗觀測固結(jié)和流變前后軟土的微觀結(jié)構(gòu)特征變化,測定其孔隙分布規(guī)律及其變化,為微結(jié)構(gòu)力學模型的建立提供依據(jù)。對天津濱海新區(qū)軟土的結(jié)合水特性進行了測試,測定了軟土的吸附結(jié)合水量,對土顆粒之間的微觀連接特征做出評價。在次固結(jié)實驗和微觀結(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。對模型進行力學分析,推導(dǎo)得到宏觀力學參量與微觀參數(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新的軟土一維流變固結(jié)模型進行求解。綜合考量