考虑双尺度的软粘土地基再压缩理论研究项目摘要

本课题考虑微观和宏观双尺度，研究堆载预压后软粘土地基在长期荷载作用下的微观结构特性和力学性能，建立软粘土变形的微结构模型与应力应变本构关系。基于室内SEM试验、MIP试验、非线性渗流固结压缩试验以及其他常规土工试验，通过考虑土中水的非线性渗流特性与渗流机制研究，得到描述其渗流过程的数学表达，同时综合考虑土体的非线性压缩等复杂因素的影响，建立软粘土再压缩理论。开展数值分析和某些理想条件下的解析求解深入研究软粘土地基的再压缩性状，并通过温州机场、宁波机场等工程的实测数据进行验证，从而为软粘土地基处理工程提供更加完善、实用的理论指导。

长江三角洲附近广泛分布着深厚的软粘土，建于其上的建筑物随着时间的推移往往会产生过大的沉降或不均匀沉降，因此有必要从宏观和微观两个尺度，对软粘土的力学特性特别是再压缩特性进行研究。本次研究主要分为三部分内容：软土的微结构力学模型研究，软土的非线性渗流与再压缩特性研究和软土的非线性流变固结理论研究。 软土的微结构力学模型研究方面，基于已有的软粘土微观研究成果，建立软粘土微结构突变模型，并针对宁波粘土和杭州软粘土进行了微观试验。研究结果表明：通过唯象理论的方法建立的软粘土微结构突变模型与本构关系，能够描述软粘土流变固结的力学特性；随着固结应力增加，团粒间孔隙不断减少，而团粒内孔隙则未表现出大的变化；主固结和次固结都发生在大而脆弱的孔隙中，是相同的物理过程。 软土的非线性渗流与再压缩特性研究方面，考虑了软土的几何非线性和材料非线性，建立了不同条件下的非线性大应变固结方程，并采用数值方法求得其解答。研究结果表明：相对于假定固结系数等参数保持不变，考虑土体复杂非线性的计算结果更符合实际；土层厚度不大时，可以对土体自重进行简化考虑，大多数情况下不能完全忽略土体自重的影响；软土地基内不同深度处水力梯度的变化都呈现先增大后减小的趋势，可进一步划分为五个阶段。 软土的非线性流变固结理论研究方面，分别考虑了软土应力历史，软弱下卧层、软土老化等因素，建立了不同情况下的软土流变固结方程，并采用解析方法或数值方法求得其解答。研究结果表明：土体压缩性的影响主要体现在固结初期，而粘滞性系数主要影响土体长期变形；软弱下卧层的存在会减慢固结速率；土体老化会造成非线性特性，土体的老化越强，产生的准先期固结应力越大。 2100433B

我国沿海地区每年围海造陆面积超过100平方公里，真空预压法被广泛用于加固吹填土来形成陆域，经真空预压加固后形成的特殊软粘土地基其变形和变形控制问题对于后期的开发和利用至关重要。本课题的研究内容包括：揭示施工期该类软粘土塑性流动变形机理，提出计算理论、方法和控制措施；建立孔压均化理论，探讨施工期软土变形速率对构筑物稳定性的影响；揭示正常使用条件下软粘土地基的变形机理，建立吹填土地基特性的本构模型；基于地震、交通及波浪循环荷载的特征要素，建立荷载要素与软粘土动变形的对应关系；以室内试验及工程实测数据为基础，建立软粘土的粘-弹-塑性模型，实现对地基长期沉降的有效预测；基于以上研究，结合围海造陆的工程实践，编制有关控制软粘土变形的技术规程。通过以上研究，揭示新近吹填成陆的软粘土地基在不同应力状态下的变形机理，提出相应的变形计算理论方法和控制措施，为围海造陆形成陆域的长期稳定提供理论和技术支撑。

建立了基于成层地基一维固结解析解的求解非线性小应变固结问题的半解析法。建立了求解线弹性大应变固结问题和非线性大应变固结问题的半解析法。建立了变荷载下软粘土非线性一维固结半解析解。研究了软土的沉积作用、大应变、土压缩性和渗透性在固结过程中的变化，加荷条件等对地基变形发展规律的影响，编制了计算程序，得到了有关固结曲线，可以分析软粘土地基在变荷载作用下的非线性一维固结性状。研究表明：固结速率主要因素有压缩指数与e-logk曲线斜率的比值Cc/ck、σf/σo和Tvc，加荷速率越快，固结速率和沉降速率都越快。Cc/Ck值决定非线性特性时固结过程的影响。本课题研究为开展饱和粘土在复杂条件下的大应变固结理论提供了有效的思路。 2100433B

通过系统深入的理论研究，建立和发展可考虑土的成层性、非线性、流变等复杂因素的饱和土体大应变固结理论，全面分析上述各因素对软粘土地基固结性状的影响，全面分析考虑上述因素后大、小应变固结理论的差别，并提供各种有关的实用固结分析程序和计算曲线，为软土地基上大型重要工程的建造提供更加实用可靠的关健理论和技术。 2100433B