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软土是由固相、液相、气相组成的多相材料,其应力一应变关系与时间变量有关,表现出复杂的流变特性。目前软土流变的研究主要集中在宏观层次上,而宏观层次上的研究无法反映软土流变的细观本质,因此从细观的角度探讨软土流变的物质因素及机理有重要意义。本文从细观的角度就软土成分对其流变性质的影响进行试验研究,同时用试验研究和理论分析相结合的方法研究软土渗流的离子效应。
运用改进的直剪蠕变仪和土体三轴流变试验机进行软土流变试验,研究软土流变性质与土中的粘土矿物、有机物和结合水膜等物质相关性,进行一系列成分不同的土样的流变试验,分析成分比例与流变性质的关系,确定软土流变性质的物质基础。同时,用常规固结试验研究含不同离子浓度溶液在软土中的渗流规律,验证离子效应的存在性;在离子效应试验分析基础上,建立描述离子效应的理论模型;并编程求解理论模型,分析系统变量对软土渗透系数的影响,理论计算结果与试验结果对比,验证模型的有效性和合理性。
本文得到主要研究成果和结论为:
(1)改进后的直剪蠕变仪具有对试样的保湿功能和测量精度为1μm的剪切位移测量系统,能准确测试软土的流变性质。
(2)软土中的粘土矿物、有机物、结合水是软土呈现流变性质的物质基础。
(3)提出了软土的四相组成模型。软土可看成是由固相、液相、气相和流变相四相组成的介质,把通过黏土矿物、有机物和某些氧化物等物质的表面电荷与水产生相互作用而形成的结合水和胶体等具有流变性质的物质以及土体中具有流变性的其它物质统称为流变相物质,流变相物质同时具有固体的变形性质和流体的流动性质。流变相物质与土体的流变性质相互相对应,是软土产生流变的主要物质因素。
(4)当含离子溶液分别在膨润土和石英土中渗流时,均发现了离子效应的存在,且前者的离子效应比后者的离子效应显著得多。
(5)考虑离子效应的软土渗流物理模型的理论分析结果与离子效应试验结果一致。计算结果分析表明矿物颗粒表面电位、土体的电导率、孔隙液的粘滞系数、孔隙液浓度等系统变量对软土渗透系数有重要影响,在其他条件相同时,随着表面电位的降低、电导率的增加、粘滞系数的变大、离子浓度的增加,渗透系数将近似呈幂函数增大。
(6)建立的考虑离子效应的软土渗流物理模型,在不考虑离子效应时,模型可退化为Dafcy定律,Darcy定律是该模型的一种特例。