非線性大應(yīng)變固結(jié)理論與試驗(yàn)研究.pdf

1、上世紀(jì)20年代Terzaghi創(chuàng)立了固結(jié)理論，一個(gè)世紀(jì)以來(lái)固結(jié)理論一直是土力學(xué)領(lǐng)域的基本課題之一。為了使固結(jié)理論與實(shí)際情況更為接近，眾多學(xué)者逐步摒棄Terzaghi的若干假設(shè)，發(fā)展了大應(yīng)變固結(jié)理論、非Darcy固結(jié)理論、非飽和土固結(jié)理論等理論分支，大大地豐富了固結(jié)理論體系。另一方面，深厚軟黏土層廣泛分布于我國(guó)沿河、沿江和沿海地區(qū)。巖土工程師們發(fā)現(xiàn)軟黏土地基會(huì)引起顯著的地表變形。顯然，對(duì)于軟土地基上的工程，傳統(tǒng)的小應(yīng)變假設(shè)不再適用，應(yīng)采用

2、大應(yīng)變假定。大應(yīng)變固結(jié)理論已發(fā)展數(shù)十年，但目前尚未全面考慮非線性壓縮、非線性滲流、非Darcy滲流、次固結(jié)效應(yīng)、非飽和等因素。本文通過(guò)理論和試驗(yàn)研究，對(duì)軟黏土地基的大應(yīng)變固結(jié)問(wèn)題進(jìn)行了深入的探討。本研究主要內(nèi)容包括：
　?、砰_展了三維大應(yīng)變控制方程組的建立和簡(jiǎn)化工作?；谄胶夥匠?、本構(gòu)方程、幾何方程、有效應(yīng)力原理、Darcy定律和滲流連續(xù)方程，在Euler坐標(biāo)下推導(dǎo)了三維大應(yīng)變固結(jié)控制方程組。之后分別在三維、二維和一維情況下將該固

3、結(jié)控制方程組進(jìn)行簡(jiǎn)化，將多維問(wèn)題與一維問(wèn)題聯(lián)系起來(lái)。
　?、瓶紤]非線性壓縮和滲流，進(jìn)行大應(yīng)變固結(jié)理論的研究工作。開展寧波軟土室內(nèi)試驗(yàn)，得到滲透系數(shù)及有效應(yīng)力與孔隙比的非線性關(guān)系?？紤]非線性壓縮和滲流，提出非線性大應(yīng)變控制方程。根據(jù)試驗(yàn)參數(shù)對(duì)準(zhǔn)確考慮自重影響的非線性大應(yīng)變固結(jié)問(wèn)題進(jìn)行研究，將超靜孔壓計(jì)算結(jié)果和Gibson方程解進(jìn)行比較。之后對(duì)簡(jiǎn)化考慮自重影響的非線性大應(yīng)變固結(jié)問(wèn)題進(jìn)行研究，將超靜孔壓計(jì)算結(jié)果和Gibson方程解、Te

4、rzaghi方程解進(jìn)行比較。
　　⑶對(duì)非線性大應(yīng)變固結(jié)中的滲透指數(shù)、水力梯度、土體自重影響開展進(jìn)一步的研究工作。根據(jù)寧波、上海和杭州軟土已有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，總結(jié)出適合不同軟土滲透指數(shù)和初始孔隙比的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。之后研究了非線性大應(yīng)變固結(jié)過(guò)程中的水力梯度變化，著重研究荷載大小和土層深度對(duì)水力梯度變化的影響。總結(jié)出水力梯度的變化規(guī)律，并與試驗(yàn)結(jié)果比較。將水力梯度變化曲線劃分為五個(gè)階段，并應(yīng)用該劃分方法解釋固結(jié)過(guò)程中不同類型孔隙水的運(yùn)移。此后

5、，研究不同土體自重考慮方法對(duì)大應(yīng)變固結(jié)的影響，比較不同外荷載下和不同土層厚度時(shí)不同方法的計(jì)算結(jié)果，最后對(duì)不同方法的適用性進(jìn)行評(píng)價(jià)。
　?、瓤紤]指數(shù)滲流模型，開展非線性大應(yīng)變固結(jié)理論的研究工作。對(duì)杭州軟土開展室內(nèi)試驗(yàn)，得到非線性壓縮和滲流的表達(dá)式。之后考慮指數(shù)滲流模型、非線性壓縮和滲流，改進(jìn)了已有的大應(yīng)變固結(jié)理論并推導(dǎo)得到控制方程?；谑覂?nèi)試驗(yàn)結(jié)果，分析了不同滲流指數(shù)對(duì)超靜孔壓、沉降、固結(jié)度計(jì)算結(jié)果的影響。
　　⑸考慮次固結(jié)效

6、應(yīng)，進(jìn)行非線性大應(yīng)變固結(jié)理論的研究工作。開展杭州軟土室內(nèi)試驗(yàn)，得到次固結(jié)系數(shù)等計(jì)算參數(shù)?；趯?duì)次固結(jié)效應(yīng)的若干假設(shè)，改進(jìn)了已有大應(yīng)變固結(jié)理論中的滲流連續(xù)方程。考慮非線性壓縮和滲流，推導(dǎo)得到了控制方程。基于試驗(yàn)所得參數(shù)，采用以上方法以及兩種已有方法分析算例。比較不同方法的超靜孔壓計(jì)算結(jié)果，并將不同方法的沉降計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較。
　?、书_展非飽和土大應(yīng)變固結(jié)理論的初步研究工作。將非飽和土受荷后的變形過(guò)程分為瞬時(shí)壓縮階段和固結(jié)變

7、形階段。在固結(jié)變形階段考慮幾何非線性，根據(jù)土體應(yīng)力平衡方程，孔隙流體流動(dòng)平衡方程和孔隙水流動(dòng)平衡方程，應(yīng)用Bishop非飽和土有效應(yīng)力原理以及Fredlund—Xing土水特征曲線模型，推導(dǎo)了非飽和土大應(yīng)變固結(jié)控制方程組。
　?、碎_展杭州軟黏土宏觀-微觀雙尺度試驗(yàn)研究。對(duì)有代表性的原狀土樣開展了X射線能譜試驗(yàn)、X射線衍射試驗(yàn)、壓汞試驗(yàn)、掃描電鏡試驗(yàn)，觀察天然土樣內(nèi)的孔隙尺寸分布和微觀形貌。之后進(jìn)行了一維普通固結(jié)和流變固結(jié)試驗(yàn)，并針

8、對(duì)不同固結(jié)程度的土樣開展了壓汞試驗(yàn)和掃描電鏡試驗(yàn)，對(duì)土樣的宏觀特和微觀力學(xué)特性進(jìn)行探討。
　　⑻根據(jù)江蘇省連云港市某真空預(yù)壓工程，對(duì)塑料排水板地基進(jìn)行三維固結(jié)數(shù)值模擬。首先基于考慮長(zhǎng)、短排水板的三維模型，計(jì)算不同工況并分析長(zhǎng)、短塑料排水板對(duì)軟土地基排水固結(jié)的影響。之后建立了不考慮排水板的三維模型，變化該模型處理區(qū)各土層的滲透系數(shù)進(jìn)行多次計(jì)算，逐步逼近考慮長(zhǎng)、短排水板的沉降計(jì)算結(jié)果，得到處理區(qū)土體的等效滲透系數(shù)。最后建立大場(chǎng)地的三維