考虑初始结构性影响的吹填软土应力应变关系

正常沉积的土体一般具有结构性。目前土的本构模型大多数是以非结构性土为基础建立和发展起来的,用它们直接描述结构性土体应力应变关系与实际出入很大。本文以修正的剑桥模型为基础,建立了可考虑初始结构性影响的结构性吹填软土应力应变关系。与修正的剑桥模型相比,只增加了参数的个数,但参数种类不变,其值通过室内常规试验即可求得。对天津滨海新区吹填场地经过真空预压处理后有结构强度的吹填土体进行了三轴试验,通过试验值与模拟值分析比较,初步验证了本文建立的模型可以考虑吹填软土初始结构性影响。     

吹填软土经验流变模型研究

传统的本构模型多是在重塑土或饱和砂土的基础上建立起来,考虑结构性影响较少。自然界中土体大多具有结构性,这样就使得按传统方法计算的结果与工程实际有一定的差别。基于此,本文以Mesri模型为基础,将结构损伤变量引入模型中,建立了考虑结构性影响的流变模型。通过对天津滨海新区吹填场地经过真空预压处理的结构性吹填软土进行三轴流变试验,分析比较计算结果表明,本文建立的模型能够较好地反映结构性软土的应力应变随时间的变化关系。     

真空预压处理吹填土的微结构特征试验

首先进行了吹填泥浆沉降柱试验,取得了未经真空预压处理的吹填土土样,并在天津滨海新区临港工业区真空预压处理后吹填场地上获取原状土样。其次,对所取土样进行了微观试验土样制作和电镜扫描,获取了未处理和经过真空预压处理土样的SEM照片,最后运用微结构处理软件,对其微结构进行定量化分析,研究了真空预压过程中吹填土的微结构变化规律。结果显示,经过真空预压作用,颗粒和孔隙等效直径、面积、周长、形态比和圆度明显减小,颗粒和孔隙数量明显增大,其原因是在真空预压处理过程中,吹填土的原始结构被破坏,进而形成了新的结构。     

预压作用下软土微观结构试验及弹黏塑性模型研究

为了揭示软土固结蠕变机制,计算软基“工后沉降”,开展了室内模拟真空、堆载以及真空-堆载联合预压加固软土的固结蠕变三轴试验及三轴试验前、后的微观结构试验。建立了能考虑微观结构改变的弹黏塑性(EVP)软土蠕变模型。研究结果表明：原状软土样在真空预压、堆载预压、联合预压3种预压荷载作用下,固结过程和蠕变过程具有耦合效应;土体微观结构参数的改变与宏观工程性质的改变具有相辅相成的关系;EVP模型弱化了具体应力路径的变化,其反映弹性的参数和反映黏塑性的参数可由微观结构参数确定;改进的EVP模型既能计算土体的弹黏塑性变形,也考虑了土体微观结构的变化,能更全面地反映土变形的实质。     

考虑前期固结影响的吹填软土安全运营阶段微结构演化特征

天津滨海新区吹填土为高黏粒含量细粒土,具有孔隙比大、压缩性高、强度低等特点。虽然成土时间短,但具有一定的结构性。土体微观结构决定土体的力学性质,在工程实际中,经过固结处理后的吹填土在安全运营阶段由于上部荷载的持续作用,结构性也会发生变化。为了研究此过程中微结构演化特征,本文试验土样为天津滨海新区重塑土,将其进行先期固结与后期不排水蠕变试验,模拟固结排水地基处理后吹填土安全运营过程,并在此过程中取样进行微结构制样及电镜扫描,定量化分析微观参数的演化规律。试验结果表明:经过固结排水后的吹填软土在持续荷载作用下,土中颗粒和孔隙数量都呈减少趋势,颗粒等效直径、形态比都增大,孔隙等效直径、形态比则呈相反趋势,且在蠕变初期这些变化较为明显,后期变化逐渐趋于平稳。前期固结时间越长,蠕变开始时结构性参数体现出土体结构性越强,固结过程中偏压和固结时间对土体结构性的影响一致。     

超载预压处理软土的次固结特征及沉降计算

为了研究超载预压软土的次固结特征,分析超载预压处理软土地基的工后沉降,文章考虑应力历史对软土结构性的影响,模拟现场工况,对重塑洞庭湖软土试样进行超载预压后再压缩的一维固结蠕变试验。研究结果表明:经过超载预压的软土卸荷后再进行加载,压缩变形过程中主固结时间明显缩短,约为未经超载预压处理软土主固结时间的1/3,打设排水竖井对软土主固结时间几乎没影响;预压荷载越大,次固结系数越小,超载预压有利于消除软土的次固结沉降;随着建（构）筑物荷载的增加,次固结系数增大;打设排水竖井,未经预压处理软土的次固结系数略有增加,经过超载预压处理软土的次固结系数略有减小,但影响效果不是很明显。考虑应力历史,引入超载增量比,发现次固结系数与超载增量比呈线性递减关系,建立了相应的计算模型,提出了次固结沉降计算公式。试验及分析结果对预压处理地基的设计和施工具有一定的指导意义。     

吹填软土蠕变过程中颗粒与孔隙演化特征分析

软土一般具有蠕变特性,蠕变在微观上表现为土颗粒与孔隙的变化。为了解长期变形内在机制,对天津滨海吹填软土原状土与重塑土进行了固结不排水三轴蠕变试验。在围压为75 kPa、偏应力为10 kPa情况下开展多组平行试验,选取蠕变过程中多个时间点的试样进行微观结构测试,提取了颗粒与孔隙变化参数,研究蠕变过程中微结构变化规律。研究结果表明：在文中所受荷载条件长期作用下,颗粒与孔隙定向性明显;平均孔径及平均孔隙体积呈逐渐减小趋势;结构性原状土比表面积逐渐增大,重塑土则呈减小趋势;结构性原状土颗粒与孔隙分数维呈减小趋势,但重塑土呈相反趋势。     

蠕变条件下吹填软土结构强度形成研究

土体的结构性对土的工程力学性质具有决定性的影响。本文以天津滨海吹填软土为土质材料,进行了蠕变作用下土体结构屈服应力形成试验及相应的微观结构分析。试验结果表明:蠕变对土体结构性的影响是一个综合作用的过程,其中排水条件最为关键,在此基础上,围压及偏压都对土体结构屈服应力的增长起作用,并随时间的增长而增长。反之,土体的结构屈服应力变化不大。微观结构分析表明,小偏应力蠕变作用下结构屈服应力的形成实质是其微观结构逐渐稳定的过程。     

增压式真空预压加固吹填超软土微观结构特征分析

先进行常规真空预压法（CVP）和增压式真空预压法（AVP）两组模型试验,分别对吹填超软土进行加固处理,对比分析其加固效果。再利用电镜扫描试验（SEM）和压汞试验（MIP）分别对两种方式加固后的吹填超软土进行微观结构测试,分析在两种加固方式下吹填超软土微观结构特征的变化,并通过Image-Pro Plus图像处理技术进行定量分析,模型试验结果分析表明增压式真空预压的加固效果优于常规真空预压,从土体骨架颗粒形态、骨架颗粒接触形式和骨架颗粒间孔隙3个角度说明了增压式与常规真空预压加固后土体的微观结构特征变化,微观结构定量分析表明,与常规真空预压相比,增压式真空预压加固后土体的孔隙数量、扁平度K、形状系数ff更大;土体的孔隙率、分形维数D更小;定向概率熵Hm没有明显的变化规律;孔径分布增量的峰值位置在左侧,说明增压式真空预压加固后土体的小孔隙数量更多。从微观角度证明了增压式真空预压法的加固效果优于常规真空预压法。     

真空预压在吹填土中的加固效果及存在问题分析

围海造陆是解决土地资源短缺的重要途径,但吹填土为一种成分复杂、结构特殊的软土,真空预压是吹填软土地基加固的有效方法。本文以天津临港造修船基地一期工程为例,分析了真空预压在吹填软土地基加固中的效果及存在问题,并提出了应对措施。     

化学改性联合真空预压法加固吹填土试验分析

通过开展室内真空预压模型试验和微观测试,针对黏粒含量较高的吹填土,探讨分析了化学改性联合真空预压法的加固效果及其机制。结果显示：经过化学改性后,吹填土的液限及塑性指数显著降低,渗透系数明显增大;此外,微观测试结果显示,经过化学改性后,改性外掺剂与吹填土颗粒间发生复杂的化学反应,吹填土颗粒表面附着大量的难溶物,使其表现为典型的团粒结构,孔隙直径明显增大,土体的渗透性显著提高;与常规真空预压法相比,化学改性联合真空预压法处理吹填土的加固效果得到大幅度的提升,其中排水量最大提升幅度达17.6%,表层沉降量明显增大,加固后土体十字板剪切强度最大提高69.0%。该研究为改进真空预压法的技术发展提供了理论依据。     

真空预压处理高黏粒吹填土的物理化学指标

大连海港常采用高黏粒吹填土作为吹淤造陆工程土料,但高黏粒吹填土的黏粒含量大,真空预压处理地基时竖向排水体四周常常被黏粒淤堵,延误工程进度。为深入研究该类吹填土工程地质特性,基于室内物理模型采用80 kPa真空预压技术处理高黏粒吹填土,针对淤堵难题进行分析。通过测试土体的物理化学参数,建立含水率、易溶盐总量、钠离子含量、酸碱度、阳离子交换量、有机质含量等物理化学指标的特征分布曲线。结果表明：80 kPa真空预压处理的高黏粒吹填土含水率与易溶盐总量、酸碱度等化学指标呈反比;竖向排水体四周吹填土的易溶盐含量较大,有机质含量高;阳离子交换量与酸碱度呈正比。同时物化指标在排水板四周富集的现象反映80 kPa真空预压处理的高黏性吹填土固结状况,同时建议真空预压处理过程中采用分级真空预压方法,改进高黏粒吹填土地基处理,以降低淤堵状况。     

高粘性高盐量吹填土固结过程孔隙分维特征

真空预压处理吹填土地基的方法应用广泛,但塑料排水管经常会被吹填土细颗粒堵塞。为提高吹填土造陆效率,通过室内试验,研究了高粘性高盐量吹填土在自重沉淤和加负压联合作用下的固结规律,分析了吹填土取土点的工程地质特征。用易溶盐试验和X射线衍射分析方法确定吹填土中晶体的类型,并结合自重固结不同阶段的扫描电子显微镜微观结构照片,研究吹填土含盐量对排水效果的影响,总结高粘性高盐量吹填土固结排水时渗流通道变化规律。研究发现,随着吹填土含水量降低,晶体颗粒随水流失,渗流通道则处于不断变化的非稳定状态。同时,将分维数作为研究高粘性高盐量吹填土的微观结构指标,发现随着自重固结程度的增加,高粘性高盐量吹填土含水量减少,颗粒表面吸附能力下降,晶体颗粒逐渐脱离土颗粒表面,使土体孔隙和结构单元体颗粒发生规律性变化。     

固结与荷载耦合作用下吹填土力学性质与微结构参数关联性

固结条件与荷载条件对吹填土的力学特性具有明显的影响,且土的微观结构特征是决定其宏观力学性质的本质因素,为了研究吹填软土力学特性在不同固结条件和荷载条件下的变化规律及与微结构参数的关联性,对天津滨海新区重塑吹填软土进行不同初始固结条件与荷载效应综合作用下的蠕变试验和微观结构测试,研究此条件下吹填土力学特性的变化规律,并通过灰色关联度理论建立宏观力学参数与微结构参数之间的关联性。试验结果表明:稳定性蠕变对吹填软土强度的增长起到积极作用,有偏压固结较无偏压固结强度增长更快,且初始固结越充分,强度增长越快;随蠕变时间的增加,颗粒的等效直径、形态比和圆度呈增大的趋势,而颗粒和孔隙的数量与周长、孔隙的等效直径、形态比和圆度则呈减小的趋势;抗剪强度指标C,φ值随颗粒等效直径、形态比和圆度的增大而增大,但随颗粒和孔隙的数量与周长、孔隙的等效直径、形态比和圆度的增大而减小。关联度分析表明,颗粒（孔隙）等效直径和圆度是影响吹填土力学性质演化的重要微结构参数,固结与蠕变越充分,土体微结构参数调整越稳定,强度越高。     

分级真空预压法加固吹填土过程中孔隙分布特征

针对实际工程中吹填土自重固结时间过长和真空预压加固过程中排水管容易淤堵、固结、速度减慢的问题,提出了分级真空预压即逐级施加真空荷载的加固方案,进行了室内模拟试验。试验结果表明：吹填土在固结过程中含水率逐渐减小,易溶盐含量逐渐减小,土体强度逐渐增大,吹填土的物理化学性质得到改善,土体固结效果较均匀;同时对吹填土固结过程中取样进行压汞试验,利用分形理论划分了吹填土孔隙分布区间。探讨了固结过程中孔隙分布特征的变化规律：随着固结压力的增加,吹填土中超大孔隙和大孔隙先被压缩成中孔隙,中孔隙再被压缩成小孔隙;孔径分布由大孔隙集中分布(占50%以上)向中孔隙(占35%以上)和小孔隙(占35%以上)发展。     

冲填软土地基深层加固的优化方案分析

冲填软土地基需要经过地基处理后才能投入工程使用,处理方案一般为浅层地基处理如真空预压处理,但对于大面积大荷载堆载场地,浅层地基处理不足以保证地基稳定性,需进一步做深层地基加固。本文针对广州某造船基地大面积堆载场地,对经真空预压处理后的该类深厚冲填软土地基提出了搅拌桩地基、微型桩地基以及搅拌桩微型桩交错布设地基加固方案,并基于Biot固结理论和有效应力原理,采用有限元分析软件PLAXIS进行数值模拟,对土体选取基于修正剑桥模型的软土模型和Mohr-Coulomb模型,对搅拌桩和微型桩依次选取线弹性模型和弹性模型,计算得到不同加固方案的基础沉降量。基于不同桩型加固机理对计算结果进行进一步分析得出,对此类深厚冲填软土地基,相同桩长的搅拌桩地基加固效果较微型桩效果更明显; 另通过对不同桩长搅拌桩地基加固效果的模拟计算,发现桩长为10m到15m的搅拌桩均能有效加固地基,但随着桩长的增加,加固效果未能显著提高。本研究为冲填软土地基深层加固的设计提供了一定的依据。     

吹填粉砂土固结蠕变试验及模型

通过分析法向应力、干密度、土样尺寸对吹填粉砂土蠕变特性的影响,深入研究其固结蠕变特性。与Kelvin模型相比,采用Burgers体模型能够更合理地阐释吹填粉砂土的蠕变曲线;采用FLAC^3D方法可开展吹填土蠕变过程的三维数值模拟。结果表明：吹填粉砂具有一定的蠕变特性,并可用幂函数描述应力-应变、应变-时间的关系;干密度一定时,法向应力愈大,初始应变愈大,达到稳定的时间愈长;法向应力一定时,干密度越大,初始变形越小,最终稳定所需时间越短;大尺寸试样（Ф 200.0 mm× H200.0 mm）的瞬时变形与蠕变形率要比标准尺寸（Φ 61.8 mm×H 20.0 mm）大,稳定所需时间要长;此外,Burgers体模型模拟吹填粉砂土固结蠕变变形优于广义Kelvin模型并具有可行性。     

高黏性新近吹填淤泥真空预压试验颗粒流宏微观分析

为了从宏观和微观角度探讨颗粒组成对淤堵层形成机理和加固效果的影响规律,依托天津某新近吹填造陆工程,先进行直排式真空预压法室内模型试验,然后基于颗粒流理论和PFC2D程序,在解决模拟过程中颗粒级配和孔隙比的二维转换、排水边界的等效模拟、真空渗流场的施加等问题后,对模型进行有效的模拟计算,进而将结果推广,开展了不同颗粒组成吹填土真空预压试验的颗粒流模拟,总结了排水速率变化及颗粒运移规律。结果表明:对吹填土真空预压过程进行二维颗粒流数值模拟是有效可行的;真空预压过程中细颗粒沿渗透路径迁移,在沿途滞留,导致渗透路径变短变窄,从而形成淤堵层;对于高黏性新近吹填淤泥,在相同真空荷载作用下,黏粒质量分数越大,初期排水速率增长越快,并且随着土体不均匀系数的提高,淤堵层变得易于形成且致密,排水速率衰减越快;粉粒质量分数越大,土体孔隙率变化越均匀,尤其当粉粒质量分数大于黏粒质量分数时,真空预压加固效果有明显改善。     

吹填软土结构强度形成的灰色关联分析

本文以天津滨海新区吹填软土为研究对象,通过对试验土样施加不同的围压、偏压、排水条件,使吹填土样在不同因素综合作用下形成一定的结构强度,进而对结构强度的增长进行灰色关联分析。结果表明:吹填软土结构强度的增长是多因素综合作用的结果,排水条件是最关键的影响因素,对于初始结构强度较弱的吹填软土围压对其结构强度增长影响要大于偏压的影响,而对于初始结构强度较强的吹填软土偏压对其结构强度增长影响要大于围压的影响。