结构性吹填软土蠕变模型研究

以天津滨海新区吹填场地经过真空预压处理的吹填软土为试验材料,对原状土及其重塑土基本性质与蠕变特性进行了试验研究。试验结果表明：经过真空预压处理后的吹填软土同时具有结构性和蠕变性,结构性的存在,对土体蠕变具有重要的影响。在修正的剑桥模型的基础上,对其进行改进,使其考虑结构性的影响,并以此作为蠕变屈服函数,建立了考虑结构性影响的吹填软土半经验半理论蠕变模型。计算结果表明,该模型符合结构性吹填软土实际,可在工程实践中应用。     

吹填软土蠕变过程中结构强度变化及微观机理分析

结构性土长期变形过程必然对土结构产生影响。通过对结构性吹填软土进行三轴蠕变试验,在蠕变过程中选取有代表性时间点的样品,对其进行微观结构分析与结构强度测试。研究结果表明,蠕变过程其实就是土体内部结构硬化和软化相互转化的过程。当应力水平低于结构屈服应力时,土体的蠕变是硬化占主要部分,其微观结构的变化是逐渐趋于稳定,结构强度相应增长。当应力水平超过结构屈服应力时,土体的蠕变是软化占主要部分。该阶段可细分为两个阶段,即其结构从大量破坏阶段到土体结构最终破坏阶段;微结构却从稳定阶段变为不稳定阶段,最后又回到无序阶段。     

蠕变条件下吹填软土结构强度形成研究

土体的结构性对土的工程力学性质具有决定性的影响。本文以天津滨海吹填软土为土质材料,进行了蠕变作用下土体结构屈服应力形成试验及相应的微观结构分析。试验结果表明:蠕变对土体结构性的影响是一个综合作用的过程,其中排水条件最为关键,在此基础上,围压及偏压都对土体结构屈服应力的增长起作用,并随时间的增长而增长。反之,土体的结构屈服应力变化不大。微观结构分析表明,小偏应力蠕变作用下结构屈服应力的形成实质是其微观结构逐渐稳定的过程。     

考虑前期固结影响的吹填软土安全运营阶段微结构演化特征

天津滨海新区吹填土为高黏粒含量细粒土,具有孔隙比大、压缩性高、强度低等特点。虽然成土时间短,但具有一定的结构性。土体微观结构决定土体的力学性质,在工程实际中,经过固结处理后的吹填土在安全运营阶段由于上部荷载的持续作用,结构性也会发生变化。为了研究此过程中微结构演化特征,本文试验土样为天津滨海新区重塑土,将其进行先期固结与后期不排水蠕变试验,模拟固结排水地基处理后吹填土安全运营过程,并在此过程中取样进行微结构制样及电镜扫描,定量化分析微观参数的演化规律。试验结果表明:经过固结排水后的吹填软土在持续荷载作用下,土中颗粒和孔隙数量都呈减少趋势,颗粒等效直径、形态比都增大,孔隙等效直径、形态比则呈相反趋势,且在蠕变初期这些变化较为明显,后期变化逐渐趋于平稳。前期固结时间越长,蠕变开始时结构性参数体现出土体结构性越强,固结过程中偏压和固结时间对土体结构性的影响一致。     

小偏应力作用下吹填土蠕变过程中微结构特征演变研究

为了解吹填土长时期稳定蠕变变形的本质机理,对天津滨海吹填土原状土与重塑土开展分级加载固结不排水三轴蠕变试验,在围压75 k Pa、偏应力10 k Pa下开展多组蠕变平行试验,并选取8个时间节点取样进行扫描电镜与比表面积试验,主要研究小偏应力作用下稳定蠕变过程中微结构变化规律。结果表明,天津吹填土富含黏粒与黏土矿物、大孔隙比与高压缩性的物理性质、片架结构和片堆结构的结构类型,这些特征使其具有明显的蠕变特性。蠕变过程中,随着时间的增长,颗粒体积变大,数量呈减小趋势,比表面积呈减小趋势;孔隙变化遵循大孔隙优先改变原理,孔径与体积减小;颗粒与孔隙的外形趋于"圆滑",复杂度减小,圆形度增加,整体向无序状态发展。吹填土蠕变现象总结为其内部结构不断改变自我调整再造以适应外力变化的过程。最后,依据受力大小和结构破损程度将蠕变过程分为2个阶段,结构压密增长阶段与结构减损破坏阶段。     

吹填软土经验流变模型研究

传统的本构模型多是在重塑土或饱和砂土的基础上建立起来,考虑结构性影响较少。自然界中土体大多具有结构性,这样就使得按传统方法计算的结果与工程实际有一定的差别。基于此,本文以Mesri模型为基础,将结构损伤变量引入模型中,建立了考虑结构性影响的流变模型。通过对天津滨海新区吹填场地经过真空预压处理的结构性吹填软土进行三轴流变试验,分析比较计算结果表明,本文建立的模型能够较好地反映结构性软土的应力应变随时间的变化关系。     

蠕变条件下软土微观孔隙变化特性

研究软土蠕变过程的微结构变化可深入了解蠕变特性的内在机制。在对漳州软土进行多种蠕变试验的基础上,利用微观定量化技术,对比原状软土与蠕变条件下土样的微观孔隙,从微观角度对蠕变机制进行了解释。研究表明,土样产生蠕变变形后,孔隙大小变化遵循孔隙均匀化原理;孔隙的复杂度与定向性降低;孔隙形状趋向扁圆形发展。发现不同的蠕变试验方法下,孔隙的微结构参数对蠕变变形的敏感度是不一样的,建议针对不同的蠕变试验方法,宜采用不同的微观参数来进行微结构特征的描述。揭示了土体不同蠕变表现,实际上都是土内部结构不断改变自我调整再造的过程。通过对软土蠕变特性的本质因素的研究,可以解释宏观工程现象,为合理的蠕变本构关系提供了依据,以指导工程实践。     

天津滨海新区吹填软土固化试验研究

天津滨海新区有大面积吹填软土,难以直接满足工程建设的要求,需进行固化处理。现采用主剂水泥和外加剂石膏、NaOH、Na2CO3和FeCl3,通过组合配比对天津滨海新区不同含水率的吹填软土分别进行室内固化试验,以无侧限抗压强度为指标,经有效地筛选和对比分析,确定了适用于不同工程性质的两种固化剂组合配比,并对固化土的微结构特征进行了分析研究。试验研究表明,水泥加适量的外加剂加固天津滨海新区吹填软土效果明显好于纯水泥土。微观结构分析表明,与同一龄期下水泥土相比,固化土生成的水化物更多,孔隙含量更少,表现出更稳定的微结构特性,也从机制上解释了该现象。     

天津吹填软土应力应变归一化特性研究

天津吹填软土应力应变关系为应变硬化型,可用kondner双曲线进行拟合。本文在此基础上开展了四种归一化因子在天津吹填软土固结不排水条件下应力应变特性中的应用,并建立了归一化方程。研究表明:以四种归一化因子进行归一化时,其中主应力差渐近值(1-3)ulti作为归一化因子时,归一化程度最高,3作归一化因子时,归一化程度最低,(3)n作为进行归一化因子时,n取0.55～0.65较为合适。     

结构性吹填软土流变等时曲线研究

软土普遍存在结构性,结构性影响土体各种力学行为。对天津滨海新区结构性吹填软土进行三轴流变试验,通过对比分析原状土与重塑土流变等时曲线发现,结构性吹填软土流变等时曲线可分离为线性粘弹性变形、线性粘塑性变形与非线性粘塑性变形。在应力小于结构屈服应力时,流变等时曲线线刚度大;超过结构屈服应力时,伴随着土结构的破损,流变等时曲线线刚度逐渐减小,最终趋于一定值,与重塑土接近。结构性对流变等时曲线的影响主要集中在线弹性阶段,进入塑性阶段后影响较小。     

考虑结构性与排水条件的吹填软土的流变特性

软土普遍具有结构性与流变特性。以天津滨海新区吹填场地有一定结构性的吹填软土为研究对象,通过三轴流变试验仪,开展了排水条件以及结构性对其流变特性影响的研究。试验结果表明,排水条件对流变有明显影响。不排水时,流变变形大;排水时,虽然总变形量大,但固结变形占较大比例,流变变形比例小,实际工程实践中可通过增加土体的排水条件减少流变的影响。结构性对土体流变的影响主要体现在所受外部荷载与结构屈服应力大小之间的关系。当外荷载小于结构屈服应力时,流变变形小;当外荷载大于结构屈服应力时,伴随着土结构的破坏,流变变形明显增大,但还是小于同条件下无结构性的重塑土。     

吹填软土结构强度形成及灰预测

通过设计不同排水条件的实验槽,研究了不同的排水条件及时间效应对吹填软土结构强度形成的影响,并对实测结果进行了灰预测。试验结果表明：排水路径畅通时,土体中自由水得到充分排出,结构强度形成较快;在同一排水条件下,随着时间的增长,结构强度相应增长,前期增速快,后期基本趋于稳定。灰预测可以用来对吹填软土结构强度形成进行短期预测,值得工程实践参考。     

吹填场区软黏土地基的次固结特性研究

针对天津中心渔港吹填场区软黏土地基进行了一系列的固结压缩试验,获得应力、应变与时间的关系,对比分析了吹填土层和天然沉积土层的固结和次固结特性,为吹填场区软黏土地基变形模型建立及长期工后沉降预测提供理论依据。研究表明,吹填土和天然沉积土的应变速率与时间双对数曲线具有很好的线性相关性;处理后吹填土含水率和压缩性较低,天然沉积土含水率和压缩性高;随荷载P增大,吹填土的次固结系数Ca?变化不大,天然沉积土的次固结系数Ca先增大后减小,最终趋于稳定;次固结系数Ca与压缩指数Cc具有良好的线性相关性,其随时间的增加均呈对数下降趋势。     

堆载预压下天津滨海吹填土的固结特性

吹填造陆已成为沿海地区解决土地匮乏的有效方法。为使吹填土迅速排水固结以缩短工期,以天津滨海新区的吹填土为研究对象,在无外力自重固结下,通过静水沉降以及室内试验等方法研究吹填土的基本性质和沉降特征,并对固结度、沉降速率进行定量分析,评价吹填土的固结程度,得出天津吹填土的固结和沉降特性。结果表明: 等幅水头逐级加压在一定程度上有效地抑制了低渗透性土体即“泥皮”的形成; 当水头高度为45 cm 时,土体固结度接近100%; 距离排水管越近,固结情况愈好; 堆积荷载增大,渗流速率变小,土体趋向固结。     

吹填软土低位真空预压室内试验及其数值模拟

以天津滨海新区临港工业区吹填软土为试验材料,以普通型竖向排水板、改进型竖向排水板及改进型横向排水板进行室内低位真空预压试验。结果表明,利用普通型竖向排水板进行低位真空预压试验,在真空-堆载联合作用下,28 d表层土体强度达到10 kPa,但中间土体强度偏低,整体呈两边硬中间软的夹心层;以改进型竖向排水板进行低位真空预压试验,前10 d土体强度增长与普通型竖向排水板试验接近,后期土体强度增长明显比前者快,28 d表层土体强度达到12 kPa,中间土体强度略有提高,但整体均匀性仍较差;以改进型横向排水板进行低位真空预压试验,28 d表层土体强度达到11 kPa,强度增长比改进型竖向排水板试验慢,但中部土体强度和整体均匀性均优于改进型竖向排水板试验。基于上述试验成果,运用有限元模拟低位真空预压试验过程,计算沉降量和孔隙水压力并与实测数据对比,发现两种竖向排水板试验计算结果与实测数据吻合较好,改进型横向排水板试验稍差,但基本上都能反映低位真空预压过程中土体沉降量和孔隙水压力变化趋势。     

软土蠕变固结特性研究

通过大量对比试验系统研究了广东典型软土的蠕变固结特性和计算模型。试验结果表明：软土的固结和次固结在变形中所占比例和发生受多种因素影响,包括初始荷载、加荷比、土体固结度、含水率、孔隙比;次固结系数与土体的应力历史、当前固结状态及加荷比有关,在预压荷载下会明显减小;次固结系数与压缩指数之比一般为常数,其值在0.025?0.10之间;剪切蠕变特性与土体所承受的固结压力有关,土样蠕变规律呈应变硬化特征;三轴蠕变特性与排水条件关系密切,固结作用可以削弱蠕变效应;同等加荷条件下,偏应力-轴向应变关系在排水剪切中呈线性关系。而在不排水剪切中呈非线性,并有明显的屈服特征;不排水剪切条件下持续加荷的加荷方式可以适当提高不排水强度。根据上述试验成果分别从考虑非线性本构关系和考虑排水条件分析了蠕变固结模型的建立路径。