天津滨海新区软土流变固结特性研究

天津滨海新区软土流变固结特性研究天津拥有悠久的围海造陆历史,自1939年塘沽新港始建以来,天津地区相继在沿海及海河沿岸进行了不同规模的围海造陆工程。近年来随着天津滨海新区大规模的建设和开发,围海造陆已经为了滨海新区开发土地资源的主要途径。大规模的围海造陆工程形成了大量由软土组成的建筑地基,由于软土的黏粒含量高,有机质含量高,亲水性强,使得地基在排水处理结束后较长时间内仍会产生沉降,也产生了诸如软土地基地面不均匀沉降、较长时间内产生的工后沉降量较大等一系列的实际工程问题。大量科学研究与工程实践经验均表明,软土的流变性是产生这些问题的主要原因之一。对于在围海造陆过程中形成的大量由软土组成的地基,这种流变特性产生的影响尤其显著。软土地基的这种特性,不仅会影响建筑在其上的各种建筑物的结构稳定性和长期使用的安全性,围海造陆工程所形成的软土地基本身也会产生地面沉降开裂、填土标高损失、引发次生地质灾害等一系列严重的工程问题,从而造成巨大的经济损失。因此,研究围海造陆形成的软土地基中土体的流变固结特性,寻找软土体的应力应变与时间的关系,分析其产生流变的本质机理,成为了目前土体研究和实际工程领域急需解决的问题。为了解决围海造陆软土地基的流变性状在理论研究实际工程中所产生的问题,研究软土固结流变特性及其本质规律这一重要课题,论文结合国家自然科学基金项目(No.41172236),国家青年自然科学基金资助项目(41402243)和教育部博士点基金项目(20120061110054),以天津滨海新区软土地基作为研究对象,主要做了以下研究工作:根据取样地点的工程地质概况,对天津滨海新区软土的基本物理性质、易溶盐含量、pH值、阳离子交换和粒度分析等特性进行测试,以确定其基本特征,为下一步进行软土次固结试验提供研究基础。在太沙基一维固结理论的基础上,建立了考虑次固结变形的一维流变固结微分方程。并利用次固结系数和Singh-Mitchell经验蠕变方程,对一维流变固结微分方程的计算过程和参数进行了简化。改进的一维流变固结微分方程能充分反映软土在流变固结过程中应变与应力和时间的关系,为宏观力学试验和微观结构分析提供理论基础。为了求解考虑次固结变形的一维流变固结微分方程,将天津滨海新区软土作为研究对象,运用高压固结仪对其进行次固结试验,得出不同应力条件下土体随时间的蠕变变形发生发展过程,并分析了滨海新区软土的次固结特性。并对数据进行拟合分析,得到了软土次固结系数的变化规律,分析次固结系数受试验荷载因素,压缩指数等因素影响。并提出了一种用应变速率和体积变化关系来划分主次固结的方法,经验证这种方法可以合理地适用于各种荷载情况。开展微观尺度试验,利用扫描电镜与压汞试验观测固结和流变前后软土的微观结构特征变化,测定其孔隙分布规律及其变化,为微结构力学模型的建立提供依据。对天津滨海新区软土的结合水特性进行了测试,测定了软土的吸附结合水量,对土颗粒之间的微观连接特征做出评价。在次固结实验和微观结构研究的基础上,利用新的软土一维流变固结模型,提出能描述荷载作用下土体微观结构变形特性的物理模型。对模型进行力学分析,推导得到宏观力学参量与微观参数之间的关系。模型中涉及土的孔隙分布、微结构变形特性、应力应变关系、土的结合水膜厚度等,并采用有限差分方法对新的软土一维流变固结模型进行求解。综合考量