结合水对软粘土力学行为的控制作用与机理项目摘要

结合水对软粘土的力学行为具有控制作用。已有成果表明，这种控制作用的机制尚未明确，结合水性质与软粘土变形与强度特性之间的关系研究尚未真正开展起来。课题拟在前人研究成果的基础上，以工程地质学、土质学、土力学、粘土矿物学等理论为指导，采用“现场调查—试验测试—机制探索—模型建立—分析评价”的研究思路，综合运用先进的测试技术、非线性相关分析方法、PFC数值模拟手段，对我国沿海和内陆地区几种典型的不同成因的软粘土，开展结合水特性及其与力学特性的相关性与机理的研究。探索土中结合水与土颗粒的作用机制，提出结合水的类型界定与表征方法；研究结合水对软粘土的基本力学性质、固结蠕变、长期强度的控制作用和机理，建立软粘土结合水与其变形、强度之间的量化关系模型。旨在揭示软粘土变形与强度的本质，从而建立更为精细的软粘土变形与强度的计算模型，丰富土力学的计算理论，为软土性质的改良与软土地基工程设计提供科学的理论依据。

结合水具有复杂的物理化学特性，对粘土物理水理性质、变形与强度特性具有重要影响。结合X射线衍射法（XRD）、X射线荧光光谱分析（XRF）、扫描电子显微镜（SEM）、容量瓶、等温吸附、热失重（TGA）、高压固结、三轴剪切、蠕变试验等技术手段，从宏观和微观两个层面，采取试验测试、理论分析和数值模拟的途径，研究了不同地区软粘土中结合水的特性，提出了软粘土结合水分类和表征方法。采用PFC模拟颗粒与结合水的作用过程，明确结合水对土的力学行为的控制作用及机理。采用非线性相关分析方法，建立软粘土基于结合水特性的变形与强度的量化计算模型。结果表明：软粘土细小孔隙密布，为结合水的分布提供了空间，造成其结合水含量高而自由水含量少。软粘土吸附等温线分为三个不同阶段，其吸附规律分别符合弗雷德里希模型、斯彼朗斯基模型和指数模型。在水气平衡压(p/ps)<0.9的条件下主要是强结合水的形成；在p/ps>0.9条件下吸附水含量明显增大，弱结合水大量形成。结合水在200~250℃的条件下完全脱失。在p/ps<0.98条件下，水合粘土强结合水的初始脱水温度在87~92℃；当温度接近60℃时，弱结合水开始释放，并在90~108℃条件下被完全除去；毛细水和自由水在60℃前脱失。水合粘土的比重随吸附水含量线性下降。水合粘土的体积、吸附水的体积和水膜厚度随吸附水含量均近似线性增加，p/ps<0.9条件下颗粒表面结合水的密度在1.25-1.35g/cm3之间。软粘土的压缩系数随着结合水含量的增大而增大，内摩擦角随结合水含量增加而减小，粘聚力随结合水含量的增加先增加后减小。次固结系数随结合水含量增长而增长。粘滞系数随结合水含量增长总体呈减小趋势。长期强度指标C∞随结合水含量增长呈减小趋势或先增加后减小，φ∞随结合水含量增加而减小。弱结合水在软粘土蠕变过程中起主导因素。强结合水阶段粘土颗粒之间摩擦力最大，随着结合水量的累积，水膜的增厚，颗粒间结合水连接力在逐渐削弱，结合水膜的润滑作用致使颗粒之间的摩擦力也在被减弱。上述研究深入探讨了结合水对粘性土力学行为的影响作用，为精细计算软粘土地基变形及稳定性提供理论依据。 2100433B

隧道-桩作用下软粘土的长期位移及其相互作用问题是地下工程中地下结构物与结构物之间、结构物与土之间复杂的相互作用问题，主要包括四个方面：隧道开挖对周围土体的影响；隧道开挖对已有桩基的影响；桩基施工及荷载对周围土体的影响；桩基施工及荷载对已有隧道的影响。本项目拟针对上述科学问题开展六个方面研究：1.隧道开挖引起周围土体的瞬时及长期位移；2.隧道开挖对邻近单桩基础受力和变形的瞬时及长期影响；3.隧道开挖对邻近群桩基础受力和变形的瞬时和长期影响；4.桩基施工及正常使用阶段对周围土体的影响；5.桩基施工过程对已有隧道受力和变形的影响；6.上部荷载施加及建筑物正常使用阶段对已有隧道受力和变形的影响。拟采用结构-土体-结构理论分析，建立土工离心机模型试验及现场试验,并进行数值反馈仿真。通过本项目研究，可望在理论与试验上揭示隧道-桩作用下软粘土的长期位移及其相互作用的机理，建立一套完整可行的设计计算标准。

软粘土的强度极低，不排水强度通常仅为5～30kPa，表现为承载力基本值很低，一般不超过70kPa，有的甚至只有20kPa。软粘土尤其是淤泥灵敏度较高，这也是区别于一般粘土的重要指标。

软粘土的压缩性很大。压缩系数大于0.5MPa-1，最大可达45MPa-1，压缩指数约为0.35-0.75。通常情况下，软粘土层属于正常固结土或微超固结土，但有些土层特别是新近沉积的土层有可能属于欠固结土。

渗透系数很小是软粘土的又一重要特点，一般在10-5-10-8cm/s之间，渗透系数小则固结速率就很慢，有效应力增长缓慢，从而沉降稳定慢，地基强度增长也十分缓慢。这一特点是严重制约地基处理方法和处理效果的重要方面。

结构性软粘土地基上的工程施工会对土体产生扰动，致使土体微观结构损伤和宏观强度衰减，给工程带来潜在危害。为此本项研究从模型试验、宏观力学试验和微观试验等层次组织了研究，结合理论分析，揭示天然沉积结构性软粘土力学扰动的机理和评价方法。研究中首先开展了玻璃棒-黏胶体系力学损伤的模型试验研究，然后进行了连云港天然沉积结构性软土进行了控制损伤的室内试验，试验中根据不同的应力路径对土体进行人为的损伤，对损伤后土体进行微观试验（MIP和SEM），损伤后土体的无侧限抗压强度、压缩固结渗透等试验。结合力学扰动施加的能量、土体弹塑性功、胶结破损和损伤变量间已有的研究成果，结合本研究获得的数据，比对了多种损伤变量的表征方法，最后发现p-q系的损伤变量对测试和工程均为合适；在此基础上，探讨了损伤变量与变形（e）定义和强度（qu）定义的扰动度间的关系，结果表明按变形的扰动度与损伤变量间关系不明晰，而按强度定义的扰动度与损伤变量间具有良好的相关关系，构建了损伤后土体的强度以及其他物理力学指标与扰动度和损伤变量间的关系。通过压汞试验和电镜扫描试验的微观结果，表明损伤后土体大孔径发生较大的改变，其变化趋势与损伤变量间有较好的对应关系。同时需要指出的是，土体发生损伤，其强度等参数变小，而渗透系数等参数有可能增大，这对工程有一定的意义。 2100433B