非線性大應變固結理論與試驗研究.pdf

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

2、大應變假定。大應變固結理論已發(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、次固結效應、非飽和等因素。本文通過理論和試驗研究，對軟黏土地基的大應變固結問題進行了深入的探討。本研究主要內容包括：
　　⑴開展了三維大應變控制方程組的建立和簡化工作?；谄胶夥匠獭⒈緲嫹匠?、幾何方程、有效應力原理、Darcy定律和滲流連續(xù)方程，在Euler坐標下推導了三維大應變固結控制方程組。之后分別在三維、二維和一維情況下將該固

3、結控制方程組進行簡化，將多維問題與一維問題聯(lián)系起來。
　　⑵考慮非線性壓縮和滲流，進行大應變固結理論的研究工作。開展寧波軟土室內試驗，得到滲透系數(shù)及有效應力與孔隙比的非線性關系。考慮非線性壓縮和滲流，提出非線性大應變控制方程。根據(jù)試驗參數(shù)對準確考慮自重影響的非線性大應變固結問題進行研究，將超靜孔壓計算結果和Gibson方程解進行比較。之后對簡化考慮自重影響的非線性大應變固結問題進行研究，將超靜孔壓計算結果和Gibson方程解、Te

4、rzaghi方程解進行比較。
　?、菍Ψ蔷€性大應變固結中的滲透指數(shù)、水力梯度、土體自重影響開展進一步的研究工作。根據(jù)寧波、上海和杭州軟土已有的試驗數(shù)據(jù)，總結出適合不同軟土滲透指數(shù)和初始孔隙比的經(jīng)驗關系式。之后研究了非線性大應變固結過程中的水力梯度變化，著重研究荷載大小和土層深度對水力梯度變化的影響?？偨Y出水力梯度的變化規(guī)律，并與試驗結果比較。將水力梯度變化曲線劃分為五個階段，并應用該劃分方法解釋固結過程中不同類型孔隙水的運移。此后

5、，研究不同土體自重考慮方法對大應變固結的影響，比較不同外荷載下和不同土層厚度時不同方法的計算結果，最后對不同方法的適用性進行評價。
　?、瓤紤]指數(shù)滲流模型，開展非線性大應變固結理論的研究工作。對杭州軟土開展室內試驗，得到非線性壓縮和滲流的表達式。之后考慮指數(shù)滲流模型、非線性壓縮和滲流，改進了已有的大應變固結理論并推導得到控制方程?；谑覂仍囼灲Y果，分析了不同滲流指數(shù)對超靜孔壓、沉降、固結度計算結果的影響。
　?、煽紤]次固結效

6、應，進行非線性大應變固結理論的研究工作。開展杭州軟土室內試驗，得到次固結系數(shù)等計算參數(shù)。基于對次固結效應的若干假設，改進了已有大應變固結理論中的滲流連續(xù)方程。考慮非線性壓縮和滲流，推導得到了控制方程?；谠囼炈脜?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算結果，并將不同方法的沉降計算結果與實測結果進行比較。
　　⑹開展非飽和土大應變固結理論的初步研究工作。將非飽和土受荷后的變形過程分為瞬時壓縮階段和固結變

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

8、對不同固結程度的土樣開展了壓汞試驗和掃描電鏡試驗，對土樣的宏觀特和微觀力學特性進行探討。
　?、谈鶕?jù)江蘇省連云港市某真空預壓工程，對塑料排水板地基進行三維固結數(shù)值模擬。首先基于考慮長、短排水板的三維模型，計算不同工況并分析長、短塑料排水板對軟土地基排水固結的影響。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)進行多次計算，逐步逼近考慮長、短排水板的沉降計算結果，得到處理區(qū)土體的等效滲透系數(shù)。最后建立大場地的三維