软粘土变形特性及地基沉降控制理论研究项目摘要

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。

由于天津滨海新区的建设和发展对土地的迫切要求，进行了大规模的围海造陆工程，普遍采用真空预压加固吹填土来形成陆域，目前已造陆近百平方公里。这样形成的特殊软粘土地基的变形和变形控制问题与一般正常固结的粘土地基不同，对于其开发和利用是至关重要的，需要进行深入研究。为了解决这个问题，本课题从以下几个方面进行了研究。 i) 通过室内试验和理论分析揭示了施工期吹填形成的软粘土的塑性流动变形机理，并以此为基础提出了相应的计算理论和工程控制措施。这对于吹填土形成的地基的正常使用和结构物的选型具有重要的意义。 ii）基于地震、交通及波浪循环荷载的特征要素，建立了荷载要素与软粘土动变形的对应关系。 本课题的研究成果表明，与正常固结的软粘土地基不同，吹填土形成的软土地基对交变荷载更为敏感，动荷载使地基的孔隙水压力升高，使结构性的重塑强度降低，造成更为严重的后果。有些道路的路面形成波浪起伏，严重影响其使用功能。这些成果除了可以深化认识动荷载对吹填土形成的地基的变形特性的科学意义外，对于该种地基上面的道路、码头和防波堤的设计和建设具有重要的指导重要。 iii) 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。 软粘土的粘-弹-塑性应力应变的关系是岩土学科的前沿课题，目前以剑桥模型为基础的相关研究尚在不断深入。本课题研究了剑桥模型对于吹填土的适用性，特别是在卸荷状态负值孔隙水压力的发展规律方面进行了深化的研究。研究成果可以用于对于基坑开挖、建筑物在复杂应力路径条件下的变形预测。 iv)编制了有关控制软粘土变形的技术规程。 基于以上研究，结合围海造陆的工程实践，通过以上研究，根据揭示的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，提出了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。在此基础上编制了相应的技术规程。 2100433B

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

软粘土地基承载力低，强度增长缓慢；加荷后易变形且不均匀；变形速率大且稳定时间长；具有渗透性小、触变性及流变性大的特点。常用的地基处理方法有预压法、置换法、搅拌法等。

软粘土在荷载作用下的强度会增长。

饱和软粘土地基在外荷载作用下随着孔隙水压力的消散以及土层的固结，土的抗剪强度也将会随之增长。2100433B

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