软土蠕变-固结特性及计算模型研究

根据国内外研究动态和实际工程的迫切需求，对软土蠕变—固结特性、计算模型、模型的数值求解方法和工程应用等进行了系统的研究，探讨了土工应力—应变模型、流变模型和固结模型的耦合机理，建立了实用的非线性弹粘性固结模型。研究表明，软土在任一时刻的变形都可以分解为瞬时变形和蠕变变形，其中，瞬时变形也呈现比较明显的非线性特征；土体变形的时效性由固结特性和粘滞特性共同决定，应力水平低时以固结变形为主，反之，土体的变形主要来源于剪切蠕变；土体的蠕变变形与孔隙水压力的消散有关，在同样的条件下，土体渗透性越差，蠕变变形越大；对于有厚度的土层，土体的次固结是在主固结过程中同时发生：土的蠕变对应力和应变的影响程度取决于土体的排水条件，当地基排水不良时，应力水平将随时间增高，变形计算中若不考虑蠕变特性将可能忽略地基潜在的失稳趋势。所以，考虑蠕变特性不仅是对计算结果的修正，而且是对工程安全性的重新评价。通过对有代表性的实例的计算和分析，验证了计算模型的合理性和结论的正确性。     

海相软土三轴剪切蠕变特性及模型研究

通过对在不同排水条件下的海相软土进行三轴剪切蠕变试验,研究上海海相软土的剪切蠕变特性和计算模型。试验结果表明:不排水时,在低应力水平(小于60%)下试样变形增量差异较小,应力水平达到一定时(大于80%)产生大量瞬时变形和蠕变变形,孔隙水压力经历了瞬时急剧上升后下降、然后再缓慢上升的过程,应力-应变关系为非线性;排水时,各级应力水平下产生的变形增量差别不大,孔隙水压力经历一段时间上升后持续下降,最后趋于稳定,孔隙水压力持续上升时间约10 min,应力-应变关系近似为线性;两种排水条件下的ε-lnt曲线均呈平行曲线。建议应力-应变关系采用幂函数表示、应变-时间关系采用双曲线型函数表示,以建立适用于不同排水条件下的软土蠕变方程。该模型能较好地描述应力水平不超过80%的不排水和排水条件下上海软土的三轴剪切蠕变行为。     

侧向卸荷条件下软土典型力学特性试验研究

 针对侧向卸荷条件下软土变形、强度、蠕变等典型力学特性,选取珠三角洲相沉积的典型灰黑色淤泥质软土进行室内三轴试验研究。试验结果表明：侧向卸荷条件下的应力–应变规律呈应变硬化现象,可采用平均应力进行归一;土样在侧向卸荷条件下进行不排水剪切时会产生负的孔隙水压力,使得有效应力强度反而低于总应力强度,与轴向加荷条件下的强度规律不同;侧向卸荷条件下的初始卸荷模量小于轴向加荷条件下的初始卸荷模量,与平均固结压力呈线性关系;任一时间的卸荷变形模量仍可表示为切线模量,并可通过试验成果推导得出;侧向卸荷条件下软土蠕变变形比轴向加载显著,即使在偏应力不大时仍占总变形的较大比例;应变率随时间的下降呈较好的双对数线性关系,可以建立考虑剪应力水平对初始应变率影响的线性经验公式来估算某级荷载下应变率随时间的发展。     

重塑超固结饱和黏土蠕变试验与蠕变模型

采取杭州地区黏土制备重塑超固结土样（OCR=1.00,1.25,1.67,2.00,3.00）进行三轴剪切蠕变试验,研究超固结饱和黏土的时间变形特性和蠕变模型,对模型参数取值进行了分析。结果表明,重塑超固结饱和黏土的应力应变曲线具有应变硬化特征,在恒定偏应力下土样的时间变形曲线具有双曲线特征;超固结比越大,施加偏应力初始阶段试样中产生的超静孔压越小,试样变形进入蠕变阶段的时间越早,且在一定时间内试样的蠕变量发展越小。基于“孔压消散法”确定了超固结土的蠕变起始时间,采用双曲线蠕变模型可以高度拟合超固结饱和黏土剪切蠕变发展规律,曲线拟合分析表明：在相同的偏应力下,不同超固结比试样的最终蠕变量大致相等,但是超固结比越大时,土样蠕变发展越缓慢,表现为双曲线蠕变模型参数As在超固结比变化时几乎保持为常量,参数Bs则随超固结比的增大近似呈线性增长。     

甘肃天水泥岩剪切蠕变行为及其模型研究

合理描述红层软岩的蠕变规律对于甘肃天水地区各类建筑物的长期稳定性和安全运营非常重要。为研究天水地区泥岩的蠕变特性,采用三轴蠕变仪,开展不同加荷方式和不同含水率的泥岩蠕变试验,获取应变–时间关系,分析其蠕变过程和蠕变特征,建立适宜的蠕变模型。研究结果表明,随应力水平和时间的增加,泥岩蠕变量有缓慢增长趋势,但最终保持某一稳定值。泥岩的蠕变量随着应力差、围压以及含水率的增长呈增大趋势;不同围压和含水率情况下,随时间的增加,泥岩的蠕变量逐渐增长,其等时曲线亦逐渐向应变轴偏移;从试样等时曲线拐点推测,一定应力水平下蠕变量达到了长期强度。基于岩石蠕变参数的辨识,西原模型、逻辑回归模型和指数型经验模型均与试验数据良好吻合,能很好地反应低应力水平下的从弹性变形到衰减蠕变、稳定蠕变的全过程,其中逻辑回归模型和指数型模型能更好地反应泥岩的蠕变特征曲线和参量。所建立的非线性蠕变模型可用于描述该地区红色泥岩的蠕变力学特性,因而具有一定的工程应用价值。     

软土变形时效特性的试验研究

软土变形的重要特征为具有时效性,这将导致软土工程的工后沉降。根据实际工程需要,采用原状土样和扰动土样对软土变形机理进行了一系列室内试验,包括软土的应力–应变特性、固结效应、次固结特性、蠕变特性等。通过试验成果系统分析可得:(1)初始固结度对应力–应变关系的影响;(2)次固结系数与固结压力的关系以及应力历史对次固结系数的影响;(3)次固结系数与压缩指数的关系;(4)排水蠕变和不排水蠕变的变形特征;(5)蠕变变形的影响因素和降低蠕变效应的技术路径等。研究结果表明:软土变形的时效性产生于固结特性和蠕变特性的耦合效应,土体的变形过程实际是固结和蠕变共同作用的过程,任一时刻两种变形在总变形中所占比例取决于多种因素,其中最重要的是应力水平和排水条件。     

平面变形超固结软黏土蠕变模型研究

 通过对原状软土进行平面蠕变实验,研究平面变形条件下超固结软黏土的蠕变特征。研究结果表明,研制的量测装置能独立量测平面应变超固结软土的侧向变形,可规避实验过程体积变形测量精度对侧向变形数据的影响;软土的侧向变形与超固结剪应力比OCRq具有良好的对应关系,OCRq能同时反映剪应力和应力历史对软土侧向变形的影响。平面应变状态下体积蠕变系数和轴向蠕变系数均与OCRq有一一对应关系,依据不同主应力比下的超固结软土平面变形蠕变实验,建立以主应力比和超固结剪应力比为变量的四参数经验模型。所建经验模型包含软土的正常固结状态,可合理反映了主应力比和应力历史对平面变形软土蠕变过程的影响。     

滨海软黏土加速蠕变特性试验研究

为了研究滨海软黏土加速蠕变特性,采用典型的滨海相软黏土进行室内蠕变和加速蠕变试验,研究不同围压、加荷比、振动频率、动应力比对软黏土蠕变特性的影响,并通过对比得出了不同试验条件下滨海软黏土的加速蠕变的变化规律。试验结果表明:滨海软黏土具有非线性应力–应变关系的流变特性,其蠕变试验曲线呈衰减型,蠕变变形大部分应变量发生在蠕变前期,变形随时间增长趋于一个定值;静载作用下,围压越大初始蠕变速率越大。初始加荷压力一致,加荷比越大破坏应力越小。循环动荷载作用下,应变在动荷载阶段变化缓慢,而动荷载结束后进入稳定阶段后应变发生突变,急剧变大最后趋于稳定;此外在不同振动频率和动应力比下试样承受荷载等级不同,均存在一个临界安全荷载,超过这个临界值试样会发生蠕变破坏现象。     

湛江强结构性黏土的三轴排水蠕变特征

 利用GDS应力路径三轴试验系统,开展不同围压下湛江强结构性黏土的三轴固结排水剪切蠕变试验,获得其轴向应变、体应变与应力和时间的关系,分析蠕变性状的结构性效应,建立相应的蠕变模型。结果表明,湛江黏土的蠕变变形演化特征受其强结构性制约,其蠕变特性的敏感程度与结构性强弱相关联。在低偏应力下,其蠕变变形和变形速率均较小;偏应力超过临界值后,土体在短时间内发生破坏。湛江黏土在?3＜?k时,其体变性状总体上表现为剪缩,但随时间变化出现一定的剪缩和剪胀交替性,即存在回弹现象;而当?3≥?k时,则表现为剪缩。蠕变引起的强度衰减主要表现为黏聚力的降低,且 77.63%。采用6元件扩展Burgers模型能较好地描述湛江黏土的瞬时弹性应变、衰减蠕变和稳定蠕变3个阶段。在实际工程中,必须对土的结构性给予充分的认识,在较低应力范围内,可以利用其结构性的有利因素,但设计荷载严禁超出结构屈服应力。     

重塑黄土一维与三维蠕变特性研究

为研究山西地区黄土蠕变特性,采用一维压缩仪器与Geocomp全自动三轴仪对山西省太原市某地重塑黄土进行了一系列为期72d的一维压缩蠕变试验、室内三轴固结排水蠕变试验,研究了重塑黄土在循环加卸载条件下的一维蠕变特性与不同围压下的三轴蠕变特性。结果表明重塑黄土试样在循环加卸载过程中,试样主要变形以瞬时变形为主,在施加荷载100~200min后,试样的变形趋于稳定,并呈现衰减蠕变的特征。在三轴蠕变条件下,其固结蠕变曲线呈现与一维条件下较为相似的结果。在剪切蠕变阶段,其应力应变曲线呈现明显的硬化特征。孔隙水压力先增加后减小,在长期试验中,其超孔压消散较为完全均超过60%。     

昆明泥炭土直剪蠕变特性及长期强度试验研究

昆明泥炭土的蠕变特性影响着该地区各类建（构）筑物的长期稳定性和结构安全。采用改进的应力控制式直剪仪,以分级加载方式开展一系列的直剪蠕变试验,研究不同固结压力下剪应变随剪应力与时间的变化规律,以及长期强度与短期强度间的关系。结果表明：昆明泥炭土具有显著的非线性蠕变特性,当剪应力较低时,直剪蠕变曲线表现为衰减稳定蠕变;随着剪应力增大,蠕变曲线会同时出现衰减稳定蠕变和非稳定等速蠕变;当剪应力较大时,则会呈现出加速蠕变现象,并快速发生破坏。在施加水平剪应力的瞬间,泥炭土即产生较大的剪切应变,且瞬时应变随着剪应力的增加而加大,而瞬时应变占总应变的比例逐渐降低,表明泥炭土在高剪应力水平下,蠕变现象加剧。与短期强度相比,泥炭土长期强度的黏聚力和内摩擦角均有一定程度的下降。当固结压力为50~400kPa时,长期强度约为短期强度的57%~70%。     

不同应力水平下湖相软土流变特性研究

为探明湖相软土在不同应力水平下的流变特性,以洞庭湖区软土为研究对象,进行室内一维固结流变试验,建立了在侧限条件下的流变本构模型,并根据拟合的流变本构模型推导了一维固结情况下的解析解。结果表明:洞庭湖软土具有明显的非线性蠕变特征,当应力水平低于某应力阈值时,软土的流变特性服从Schiffman模型规律,软土固结速度较慢;当应力水平高于某应力阈值时,软土的流变特性服从西原模型规律,软土固结速度较快,并且固结速度随着应力阈值的增加而加快。因此,对湖相软土地区的工程建设,应根据软土的工程性质与所施加的荷载水平而采用不同的沉降计算方法与工程处理措施。     

天津滨海重塑软黏土一维固结蠕变特性研究

软黏土蠕变产生的长期变形严重影响建筑物及地基的安全性和稳定性,故通过设置不同预压条件模拟软黏土的初始受力状态,对重塑软黏土进行一维固结蠕变试验。研究表明:不同预压条件下,重塑软黏土一维固结蠕变历时曲线的瞬时变形较大,随着加载时间的增长,土体产生缓慢的蠕变,变形量逐渐减小,最终趋于稳定;此外,软黏土一维固结蠕变等时曲线中应变随应力水平的增大而增大,曲线延伸方向逐渐向应变轴靠拢,非线性愈加明显。基于上述研究,引入时间参量t,建立了软黏土一维固结蠕变预测公式,并对公式的准确性和适用性进行验证。该公式可对软黏土地基因蠕变产生的长期变形进行预测分析,为实际工程的设计、施工提供理论指导。     

天津滨海新区洞庭路软土路基沉降的有限元分析

软土路基工程中软土的沉降固结规律是设计和施工的分析重点,结合天津滨海新区的洞庭路工程,采用岩土大型有限元软件PLAXIS,分工况模拟路基的分层填筑施工过程,分析变形和应力的变化,得出该区域软土沉降固结发展规律,以及水位变化对沉降的影响,为设计和施工控制提供依据。     

结构性海积软土强度与变形时效特性试验研究

以天津地区海积软土为研究对象,在不同固结压力、不同固结时间作用下开展分别加载的一维固结试验,对固结后的原状样与相应重塑样进行微型十字板剪切测试,分析海积软土强度和变形特性受固结压力、固结时间及结构性等因素的影响。试验结果表明:天津海积软土在短时间固结作用下,强度和变形时效特性表现明显,且受结构性影响显著;在长时间固结作用下,土的强度和变形随固结压力和固结时间均呈衰减型增长,结构性对其影响程度随时间增长在减小;长期强度与土的初始强度、固结压力和时间有关,随土的初始强度和固结压力的增大而增大,而强度随时间增长达到最大值后又随之降低。     

深圳海积软土的三轴不排水蠕变特性与经验型模型

软土变形的时效性会使修建在软土地基上的建筑物产生不容忽视的工后沉降,因此揭示软土蠕变的规律,对软基工程具有重要意义。通过对深圳湾海积软土进行不同固结压力下的三轴固结不排水蠕变试验,以论证海积软土的蠕变特性,建立可描述软土蠕变特性的本构模型。结果表明,深圳具有非线性蠕变特性,应力水平越高,非线性特征越显著,剪切蠕变特征越复杂,其蠕变性状受固结压力,剪应力水平显著。在工程中应尽可能加大固结压力,加速土体的固结排水作用,可减小因蠕变影响对建筑物带来的危害。研究还表明,Singh-Mitchell经验型模型具有参数少,适用性强的特点,可较好地反映和预测深圳海积软土的蠕变特性。