欠固结淤泥质吹填土加固前后变形特性及固结理论研究

吹填土地基加固完成投入工程建设后，利用天然沉积土相关理论进行变形计算，其计算值远小于实际沉降值，结果导致了许多工程问题的出现，主要体现在:（1）吹填土上修建的建筑物周围吹填土地基出现了较大的整体沉降（最大整体沉降可达到50cm以上），导致建筑结构基础与周围土体出现较大的沉降差，影响了结构物的使用功能和安全性；（2）吹填土地基较大的整体沉降导致较大的不均匀沉降，另外由于不均匀沉降还造成了地下管线以及其他市政设施的破坏，带来了巨大的经济损失。以上工程问题都说明了吹填土地基的工程特性与天然沉积土存在着很大的差别，以往计算理论计算结果与实际情况存在着较大的区别，需要对加固后用于工程建设的吹填土地基的变形固结理论进行深入的研究。 本项目以欠固结的淤泥质吹填土为研究对象，对提出的关键科学问题进行相关研究，主要拟通过室内试验和理论推导对欠固结吹填土真空预压加固过程中以及加固后的本构关系和固结系数非线性的固结理论进行研究，提出吹填土不同固结阶段的流固耦合控制方程，编制有限元程序并通过模型试验对其验证。具体研究内容主要包括：（1）欠固结淤泥质吹填土在真空预压加固过程中及加固后的本构关系；（2）欠固结淤泥质吹填土固结系数非线性的固结理论；（3）建立新近吹填土的流固耦合计算模型，并进行程序开发；（4）吹填土流固耦合计算模型的验证。通过研究得到以下重要成果：（1）建立了欠固结淤泥质吹填土真空预压加固过程中以及加固后吹填土的本构关系；（2）提出了淤泥质吹填土加固过程中和加固后渗透系数、压缩系数随固结应力和孔隙比的变化规律，分别建立新近吹填土加固过程中的大变形固结理论和加固后固结系数为变量的固结理论；（3）建立了适合于欠固结吹填土不同固结阶段的流固耦合计算模型，编写计算程序，并对计算程序进行了验证。 2100433B

围海造陆是解决沿海地区经济建设土地紧张的快速、经济的方法。目前围海造陆工程加固前吹填土为含水量高达120%以上、初始孔隙比为2.8以上的流塑态，属欠固结土，欠固结吹填土在真空预压加固过程中及加固后的本构关系、固结理论与天然沉积土存在较大区别。如何根据规划标高确定吹填标高以及加固后吹填土地基的变形特性是目前工程中遇到的两大难题，因此对填土加固前后固结变形理论的研究具有紧迫性，已成为国内外学者研究热点；本项研究通过自主研发的抽真空三轴试验设备和常规三轴仪对吹填土加固过程中及后期使用期的应力-应变关系进行试验研究，建立吹填土不同状态下的本构关系；利用渗流固结仪研究渗透系数和压缩系数随孔隙比、有效应力的变化规律，提出固结系数非线性的固结理论；建立吹填土流固耦合计算模型并在计算机上给以实现；通过真空预压模型试验对计算模型进行验证。研究成果可丰富吹填土在土力学理论上的内容并对工程具有较大的指导意义。

1.压缩变形特性：

对于超固结土，外加荷载小于其先期固结压力时，土层的压缩很微小，外加荷载一旦超过先期固结压力，土的变形将显著增大。

2.含水量较低：

由于受前期固结压力的影响，超固结软土的孔隙性较小，故含水量一般低于软土的含水量。

3.透水性差

由于受前期固结压力的影响，超固结软土的透水性一般较差。

4.蠕变

土的蠕变特性是土体变形时效特性最典型反应之一，从宏观上描述的软土蠕变现象与其他材料有许多相似之处之外，不同之处在于蠕变变形收固结特性的影响，因此，分析超固结软土蠕变变形时必须考虑土体的渗透性和孔隙水压力的消散。在长期恒定应力作用下，软土将产生缓慢的剪切变形，并导致抗剪强度的衰减；在固结沉降完成之后，软土还可能继续产生可观的次固结沉降。

按照前期固结压力与现有压力相对比的状况，可将土（主要为粘性土和粉土）分为正常固结土、超固结土（超压密土）和欠固结土三类。正常固结土层在历史上所经受的先期固结压力等于现有现有覆盖土重。在研究沉积土层的应力历史时，通常把土层历史上所经受过的先期固结压力p_c与现有覆盖土重p₁进行对比，两者的比值定义为超固结比（OCR）。正常固结土、超固结土和欠固结土的超固结比分别为OCR=1、OCR>1和OCR<1。

当考虑土的应力历史进行沉降计算时，应进行高压固结试验，确定先期固结压力、压缩指数等。确定先期固结压力最常用的方法是

卡萨格兰德经验作图法，步骤如下：

1从e-logp曲线上找出曲率半径最小的一点A，过A点作水平线A1和切线A2；

2作∠1A2的平分线A3，与e-logp曲线中直线段的延长线相交于B点；

3B点所对应的有效应力就是先期固结压力。

固结是指松软土壤在外力作用下发生压缩、去水而逐渐密实的过程。当有压力施加在土体时，土粒会更加紧密的压在一起，使土体孔隙中水分逐渐排出、体积变小、密度增大。土壤的固结现象在基础工程中意义重大，是地基沉降的主要因素。土壤的固结度是研究地基沉降量与时间关系的主要依据。

正常固结土超固结土

超固结土是先期固结压力大于现有自重压力的土(Pc>Po)。说明土在历史上曾受过比现有自重压力大的固结压力。超固结土具有以下特性：

压缩变形特性

对于超固结土，外加荷载小于其先期固结压力时，土层的压缩很微小，外加荷载一旦超过先期固结压力，土的变形将显著增大。

含水量较低

由于受前期固结压力的影响，超固结软土的孔隙性较小，故含水量一般低于软土的含水量。

透水性差

由于受前期固结压力的影响，超固结软土的透水性一般较差。

蠕变

土的蠕变特性是土体变形时效特性最典型反应之一，从宏观上描述的软土蠕变现象与其他材料有许多相似之处之外，不同之处在于蠕变变形收固结特性的影响，因此，分析超固结软土蠕变变形时必须考虑土体的渗透性和孔隙水压力的消散。在长期恒定应力作用下，软土将产生缓慢的剪切变形，并导致抗剪强度的衰减；在固结沉降完成之后，软土还可能继续产生可观的次固结沉降 。

正常固结土欠固结土

由于人类的工程活动或自然地质条件的变迁，导致在现存的自重压力作用下未完成固结过程以致仍在继续缓慢地进行着排水固结的土体(层)。其判别标志是现存的自重压力大于其先期固结压力或者超固结比OCR<1。特点：土粒在重力作用下未固结，在沉积压密过程中产生盐类析出或胶结作用，形成“结构强度”，土体压缩曲线变缓。土层形成的此类土一旦“结构强度”遭到破坏，则会产生进一步固结压密，直至形成正常固结状态。如湿陷性黄土受雨水浸泡后产生大量变形。