海相软黏土流变固结特性理论与试验研究

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针对海相软黏土地区软土层分布深厚、地基沉降特性复杂、工后变形具强流变性和应力历史依存性等特点,本文基于岩土体粘弹塑性概念,引入等时线理论模型,借助解析、半解析等手段,对不同加载形式下的海相软黏土渗流、固结、长期变形、应变率相关性、应力松弛等过程和特性进行了深入探讨,并开展对中国宁波滨海软黏土、澳大利亚西北海湾海洋软黏土等海相黏土的系统性室内试验研究,验证了本文的理论和模拟结果。具体工作如下:(1)滨海软黏土非线性渗透特性试验研究。采用GDS渗透仪对宁波滨海地区软黏土进行渗透试验,测定了不同水头下的渗透系数变化规律。比照重塑样与原状样试验结果,并选取4种经典渗透模型验证试验结果。基于试验结果提出了一种新的非线性渗透模型,用于描述软黏土孔隙流体在渗透压差下的渗流规律。收集不同文献中十组土样的渗透试验数据,验证新模型的合理性并对比已有模型的适用范围,结果表明本文新模型对所选土样均具有良好的适用性,优于已有模型。(2)单层地基一维流变固结理论研究。参考西原模型,建立了考虑土体粘弹塑性压缩特性的单层地基一维流变固结理论控制方程。基于一维线弹性固结解析解,采用半解析法求解控制方程,得到了竖向变形、孔压、固结度等的一维固结近似解。分析了单面排水和双面排水情况下土体的固结过程,探讨了土体粘弹塑性特性、粘塑性屈服应力、线性加载等对土体的竖向变形、超静孔压分布以及固结度发展的影响规律。(3)双层地基一维流变固结理论研究。拓展单层地基一维固结理论应用于多层地基,建立了考虑土体粘弹塑性压缩特性的双层地基一维流变固结理论控制方程。采用Matlab编程求解,得到双层地基条件下竖向变形、孔压、固结度等的一维固结半解析解,并进行验证。分析了单、双面排水两种工况下双层地基的固结过程,探讨了 土体双层地基、渗透系数、Hooke体、Kelvin体和Bingham体等对地基土层竖向变形、超静孔压分布以及固结度发展的影响机理。(4)滨海软黏土流变特性试验研究。借助GDSCTS固结仪和GDSTAS三轴仪对宁波地区滨海软黏土样开展了恒应力长期作用下的一、三维固结试验与流变试验。研究了流变固结过程中土体压缩的非线性特性和应力历史依存性,并选用部分土样分析了应力松弛特性和应变率加载特性,结合不同围压条件下的三轴固结排水流变试验结果,系统分析了宁波软黏土的流变特性。(5)粘弹塑性等时线流变固结模型研究。基于等时线理论,引入粘弹性参量,推导了瞬时弹性、粘弹性、粘塑性应变率与应力增量的关系,建立了考虑弹-粘弹-粘塑性变形特性的软黏土一维流变固结等时线模型。分别推导了描述软黏土流变固结耦合效应、应变率效应、应力松弛效应等流变时效特性的解析式,并介绍了参数确定方法。结合宁波软黏土、Batiscan黏土、香港HKMD海相软黏土等的试验成果,验证了模型的有效性。(6)海洋软黏土流变特性试验研究。采用Geocomp Load Trac Ⅲ固结仪和等应变率加载仪,对西澳大利亚海洋软黏土开展了 一维状态下的传统固结试验、流变压缩试验、常应变率加载试验和应力松弛试验等。研究了西澳大利亚海洋软黏土在复杂加载路径下的流变压缩特性,得到了不同应力水平、应变率条件下的应力应变关系。重点分析了应力状态、加载时间、应变率等对土体压缩参数和流变参数的影响,为验证流变固结理论的适用性提供基础。(7)超固结土粘弹塑性等时线流变固结模型研究。考虑软黏土在正常固结状态和超固结状态的区别,提出了动态弹塑性过渡应力概念,给出了不同加载路径和时长条件下的动态弹塑性过渡应力求解公式,建立了考虑软黏土超固结状态的一维流变固结等时线模型。推导了软黏土的流变固结耦合效应、应变率效应、应力松弛效应等流变时效特性解析表达式,确定了模型参数的确定方法。对比新模型的计算结果与西澳大利亚海洋软黏土室内试验成果,验证了模型对预测流变压缩特性、应变率效应和应力松弛效应等均具有良好的应用效果。
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