基于地下水位变化模式的土体变形特性研究

过量开采地下水导致地面下沉、开裂，造成巨大的经济损失。野外长期观测资料表明在地下水位变化情况下，地下水位变化模式对土层的变形特征有显著影响，但到目前为止国内外对此问题都未做深入研究。本项目将在对典型地面沉降地区长期地下水位观测资料和相应的土层变形监测资料分析的基础上，从土体变形的角度，将实际土层中地下水位的变化情况概化为不同的变化模式，通过实验研究在每种地下水位变化模式下土体的变形特征，建立相应的土体应力、应变和时间的关系，在此基础上建立土层沉降模型。利用研究区的长期观测资料，对所建立的模型进行识别和检验，并将经过识别和检验的模型应用于地面沉降的预测分析中，为地面沉降的防治和地下水的合理开采提供建议。该项目的研究对于土体的变形理论、地面沉降和地裂缝的形成机理、地面沉降模型的进一步发展都具有重要的科学意义，对地面沉降的预测和防治具有重要的实际应用价值。 2100433B

利用三轴试验土样变形数字图像测量系统，开展基于局部变形测量结果的土体应力应变特性研究，与整体变形的测量结果对比分析，确定土样端部约束的影响范围、约束效应对土体应力应变特性的影响程度。选用经典非线性弹性模型和弹塑性模型，针对代表性土类开展应力应变特性研究，根据试验结果和模型的特点，对模型本身和模型参数整理方法进行改进使之更接近和如实反映土体应力应变特性。利用三轴土样图像测量局部变形和传统测量整体数据，分析泊松比的变化规律及取值对计算结果的影响，研究土体泊松比参数的试验方法和数值分析取值依据。从弹塑性模型出发，研究砂土材料在加卸载过程中的变形特性，分析颗粒破碎等物态变化对砂土应力应变影响，定量研究加载体胀和卸载体缩规律。 2100433B

变形的性质和大小，既决定于荷载的大小、性质（静或动荷载）和持续的时间，也决定于土的性质、初始固结情况和应力历史等因素。土体的变形包括体积改变的压缩变形及颗粒和颗粒组成的结构单元相互滑移的剪切变形。当荷载不超过土的屈服强度时，以体积变形为主；当荷载超过屈服强度时，剪切变形成为主要部分。土体受力后，立即产生的变形，称瞬时变形。粘性土，尤其当水饱和时，大部分变形是随着土中孔隙水被缓慢挤出而产生固结变形。粘性土在应力不变的条件下可产生持续而缓慢的蠕变。受力变形后的土体，当外力移去时，一般情况下，部分可以恢复的变形称弹性变形；相当一部分不能恢复的变形称塑性变形。土的压缩变形　无侧向变形条件下的压缩　早期研究土的压缩性试验，土样装在厚壁金属环中，不能产生侧向变形，试验时分级施加竖向压力。当每级压力下土样变形停止后，再加下一级压力，由测微表量出土样在各级压力下的竖向应变。为应用方便常用孔隙比代替应变，可绘出图1所示孔隙比-压力曲线，称压缩曲线。在某一压力段(P1～P2)内可近似地把曲线当作直线，其斜率称压缩系数，反映了土在无侧向变形条件下的压缩性。轴对称应力状态下的压缩　通过圆柱形土样和三轴压缩仪试验装置，土样的轴向变形由测压杆的位移求得；侧向变形因沿土样高度不一致，不易求得，多根据土样的体积变化和轴向变形计算出其平均值。孔隙水压多用压力传感器量测。根据三轴试验中量得的主应力和相应的主应变的增量，可以用公式算出相应的割线模量及泊松比。三向应力状态下的压缩　为了研究土中主应力对土的变形和强度的影响，近十多年来国外已研制成不同型式的真三轴仪。土样用六个可以一起调整和相对滑动的刚性板包围，每对刚性板可以单独加压，这样土样承受三个互相独立、大小不同的主应力，即一般的三向应力。但仪器构造复杂，刚性板对土样表面摩擦的影响大，试验费时，正在不断改进中。土的剪切变形　土样剪切面上正应力保持不变时，其剪位移随剪应力增大，并呈曲线关系。密实砂土的剪应力-剪位移曲线有一峰值，即当剪应力达峰值后，随剪位移的继续发展，剪应力下降而趋于一定值；土体积发生膨胀。松砂的剪应力-剪位移曲线达峰值后，剪应力不变；其体积先发生压缩，后又趋向膨胀。如上所述，砂土在密实状态下剪切时体积膨胀，在松散状态下剪切时体积压缩，所以有一“临界孔隙比”，砂土在此孔隙比剪切时，体积变化为零。通过三轴排水剪试验研究，发现临界孔隙比受侧限压力的影响，随侧限压力的增大而减小。正常固结粘性土的剪应力和剪位移关系和松砂相似，超固结粘性土和密实砂土相似。蠕变　粘性土在不变的剪应力下，应变随时间而增长的现象，称为土的蠕变，也称徐变。应力较小时，应变随时间增加，但速率渐减而趋向一极限，如曲线A（图2）；应力较大时，应变随时间增长，但蠕变速率渐减，如曲线B；当应力大时（但仍低于通常试验所定强度），开始应变率随时间渐减，但随后又大增，从而导致土的破坏，如曲线C。蠕变的影响随粘性土的塑性指数和含水量的增大而增大。 2100433B