（岩土工程专业论文）结构性软土地基的固结沉降及稳定研究.pdf

结构 生软土地基的固结沉降及稳定研究 捅要 f l 土的结构性是决定软土工程特性的个内在因素，开展软土结构性方面的试 验和理论研究对进一步弄清软土地基的固结沉降特性是非常重要的。在总结前人 研究成果的基础上，y 本文通过软土的结构性试验、模型建立和理论分析等方法对 结构性软土地基的固结沉降特性及稳定性进行了研究。 结合温州软土进行了结构性试验，对软土的结构性进行了系统研究，在 s c h m e r t m a n n 和n a g a r a j 等人实验结论及大量温州软土结构性试验的基础上，得 到了结构性软土的四段式压缩曲线：水平段、弹性压缩段、结构破损突降段，正 常压缩段。不同扰动度的压缩曲线最终交于0 4 2 e 。位置。 在试验的基础上，提出了c , - p 曲线和k - p 曲线的简化分段模型。建立了结 构性软土地基固结沉降的基本理论，获得了半无限结构性软土地基一维固结计算 解析解，有限厚度结构性软土地基一维固结计算解析解，成层结构性软土地基的 一维固结数值解以及考虑土结构性影响的砂井地基固结度计算方法。给出了结构 性软土地基施工扰动程度的评价方法，对扰动产生软地基附加沉降问题的试验 进行调查分析，提出了扰动软土的一维压缩模型，给出扰动软土沉降及附加沉降 计算公式。比较分析了扰动软土与原状软土固结沉降特性的差异。实例分析表明， 施打排水板的实际扰动度约为3 0 左右，扰动减缓了地基的固结速率，引起地基 的附加沉降量也是相当明显的，考虑土结构性的地基沉降计算方法得到的计算结 果和地基实际固结沉降量较为吻合，说明了计算理论的可靠性和合理性。 l 原状结构性软土的固结不排水强度包线为折线型，根据此特征给出了考虑结 构性影响的预压地基的强度增长和稳定安全系数计算公式。计算表明，预压结构 性软土地基在加载填筑前期也很有可能会失稳破坏。最后从含水量的变化和土体 压缩曲线的角度探讨了结构性软土的强度增长及极限值问题，并结合工程实例对 结构性软土地基的固结沉降及稳定计算理论进行了验证，得到对实际工程有定 指导意义的一些结论。y 、 7 vv l ? 关键词：土结构性，软土地基，扰动度，试验研究，分段模型，压缩曲线，固结 沉降，强度增长，稳定性。 7 x ar e s e a r c ho nt h ec o n s o l i d a t i o ns e t t l e m e n ta n d s t a b i l i t yo f s o f tc l a y g r o u n d w i t hs t r u c t u r e c h a r a c t e r i s t i c a b s t r a c t s i n c et h es o i ls t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i ci sa ni n t r i n s i cd e t e r m i n a t i v ef a c t o ro fs o f t c l a ye n g i n e e r i n gp r o p e r t y ，i ti sn e c e s s a r yt h a te x p e r i m e n ta n dt h e o r yr e s e a r c ho n t h e s o f tc l a ys t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i cb ec a r r i e do ni no r d e rt oe x p l a i nt h ec o n s o l i d a t i o n s e t t l e m e n tp r o p e r t yo ft h es o f tc l a yg r o u n d i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，o nt h eb a s i so ft h e e x i s t i n gw o r k ，t h ec o n s o l i d a t i o n s e t t l e m e n ta n dt h es t a b i l i t yo ft h es t r u c t u r a ls o f tc l a y g r o u n dh a v eb e e ns t u d i e dw i t h t h em e t h o d s s u c ha st h es t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c e x p e r i m e n t o fs o f tc l a y , m o d e l i n ga n d t h e o r ya n a l y s i s t h es y s t e m a t i c a le x p e r i m e n t a ls t u d yo nt h es t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i co fs o f tc l a y f r o mw e n z h o uh a sb e e nc a r r i e d o u t b a s e do ns c h m e r m a n na n d n a g a r a j s e x p e r i m e n t a lc o n c l u s i o n sa n dal a r g en u m b e ro f s t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i ce x p e r i m e n t s o fs o f tc l a yf r o mw e n z h o u , a nu p d a t e dc o r r e c t i o nm e t h o do fc o m p r e s s i o nc u r v eo f d i s t u r b e ds o l li sp r e s e n t e d t h ec o r r e c t e dc o m p r e s s i o nc u r v ei sc o m p o s e do ff o u r s e c t i o n s ：h o r i z o n t a l s e c t i o n ，e l a s t i cc o m p r e s s i o ns e c t i o n ，s t r u c t u r ed i l a p i d a t i o n c o m p r e s s i o ns e c t i o na n dn o r m a lc o m p r e s s i o ns e c t i o n t h ec o m p r e s s i o n c u r v e so fs o f t c l a yo f d i f f e r e n td i s t u r b a n t ed e g r e ef i n a l l yi n t e r s e c ta t0 4 2 e 0 t h es u b s e c t i o nm o d e l so ft h ec v - pc u r v ea n dt h ek - pc u r v ea r ep r e s e n t e do nt h e b a s i so ft h ee x p e r i m e n t s n l eb a s i cc o n s o l i d a t i o ns e t t l e m e n tt h e o r i e so f s t r u c t u r a ls o f t c l a yg r o u n da r e s e t u ph e r e i n a tf i r s t ，a l la n a l y t i c a t s o l u t i o nt oo n ed i m e n s i o n c o n s o l i d a t i o no fh a l f - i n f i n i t eh o m o g e n e o u ss t r u c t u r a ls o f tc l a yg r o u n di sd e r i v e d ，t h e n a n a l y t i c a ts o l u t i o nt oo n ed i m e n s i o nc o n s o l i d a t i o no f f i i l i t et h i c k n e s sh o m o g e n e o u s s t r u c t u r a ls o f tc l a yg r o u n da r eg i v e n i nt h em e a n t i m en u m e r i c a ls o l u t i o nt oo n e d i m e n s i o nc o n s o l i d a t i o no f l a y e r e ds t r u c t u r a ls o f tc l a yg r o u n d i sd e r i v e d f u r t h e r m o r e ， t h ec a l c u l a t i o nm e t h o do ft h ec o n s o l i d a t i o nd e g r e eo fs a n dd r a i n sg r o u n di sg i v e n u n d e rt h ec o n d i t i o no fi n s t a n tl o a d i n g ，w h e r es o l ls t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i ci st a k e ni n t o t h ef o r m u l aa c c o u n t i na d d i t i o n ，a na s s e s s m e n tm e t h o do fd i s t u r b a n c ed e g r e eo fs o f t c l a yg r o u n d i s p u tf o r w a r d ，a n d t h ep r o b l e mo fe x t r as e t t l e m e n tr e s u l t e df r o m d i s t u r b a n c ei s i n v e s t i g a t e d o n ed i m e n s i o nc o m p r e s s i o nm o d e lo fd i s t u r b e ds o l l i s p r e s e n t e d ，a n dt h ef o r m u l ao f t h es e t t l e m e n ta n de x t r as e t t l e m e n to f d i s t u r b e ds o f tc l a y g r o u n di sd e r i v e d n l ed i 虢r e n c eb e t w e e nd i s t u r b e ds o f tc l a ya n df i e l ds o f tc l a yi s c o m p a r e d ，a n dt h ee x a m p l es u g g e s t st h a tt h ed i s t u r b a n c ed e g r e er e s u l t e df r o mt h e c o n s t r u c t i o no fp r e f a b r i c a t e db a n dd r a i n si sa b o u t3 0 n l cd i s t u r b a n c es l o w e rt h e c o n s o l i d a t i o no ft h es o f t c l a yg r o u n d ，a n d t h ee x t r as e t t l e m e n tr e s u l t e df r o m d i s t u r b a n c ei sa l s on o t a b l e t ov e r i f yt h et h e o r yd e v e l o p e dh e r e i n ，t h ea n a l y t i c a l s o l u t i o n sa r ec o m p a r e dw i t ht h ef i e l dm e a s u r e do n e s ，w h i c hs h o w st h a tt h e ya r ei na g o o da g r e e m e n t t h es t r e n g t h1 i n eo fc o n s o l i d a t i o nu n d r a i n e ds h e a ro ff i e l ds o f tc l a yi sp o l y g o n a l o nt h eb a s i so ft h ec h a r a c t e r , a n dt h ec a l c u l a t i o nf o r m u l ao fs t a b i l i t ya n ds t r e n g t h i n c r e a s eo fs t r u c t u r a ls o f tc l a yg r o u n dc a l lb eo b t a i n e d t h ee x a m p l es h o w st h a tt h e s t r u c t u r a ls o f t c l a yg r o u n dm a y b ed e s t r o y sd u r i n gt h ep r e c e d i n gl o a d i n g f i n a l l y ， s t r e n g t hi n c r e a s ea n di t su t m o s ta r ed i s c u s s e d ，a s s o c i a t e dw i t ht h ea n a l y s i so ft h e e x a m p l e ，a n ds o m e u s e f u lc o n c l u s i o n sa r eo b t a i n e d k e y w o r d s ：s o i l s t m c t u r e c h a r a c t e r i s t i c ，s o f tg r o u n d ，d i s t u r b a n c e d e g r e e e x p e r i m e n tr e s e a r c h ，s u b s e c t i o nm o d e l ，c o m p r e s s i o nc u r v e ，c o n s o l i d a t i o ns e t t l e m e n t ， s t r e n g t hi n c r e a s e ，s t a b i l i t y 浙江大学博| 。学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 软土是软弱粘性土的简称，包括淤泥、淤泥质粘土、淤泥质亚粘土等，多为 海相、河相和湖相沉积层，此类土在世界范围内均有广泛分布，在我国主要分布 在沿海地区、内河两岸及湖泊等地区，许多大型建筑物如高速公路、机场和油罐 等建在软土地基上，软粘土一般具有高含水量、大孔隙比、低强度、高压缩性、 灵敏性和触变性等特点，一般含水量高达4 5 - - 6 0 ，高于液限，孔隙比大于1 0 ， 塑性指数约2 0 左右，强度c 。= 1 0 3 0 k p a ，灵敏度系数约4 - 8 ，压缩系数 a v - - 0 5 1 2 m p a 一，固结系数为l o 。3 1 0 4 c m 2 s 量级。此类土压缩量大，排水固结 缓慢，地基稳定性差，在建筑物等长期荷载作用下的变形特征是竖向变形不均， 且变形趋于稳定的时间长，工后沉降问题突出，在外来因素的作用下土体破坏表 现出较大的突发性，给工程建设造成极大的危害，因此对软土工程性质的研究具 有十分重要的实际意义。 工程实践和试验均表明软土具有结构性。土结构性是指土体颗粒和孔隙的性 状和排列型式及颗粒之间的相互作用，是土生成条件、环境的自然历史产物。绝 大数天然土都有一定的结构性( m e s r i ，1 9 7 5 ，t a v e n a s ，l e r o u e i l ，1 9 9 0 ) ”z j ，有些粘土还 具有很强的结构性，如湛江粘土、日本的有明粘士和瑞典粘土等，结构性是软土 的一个重要特性，对土的工程性质有强烈的影响( s l e r o u e i l a n d p r v a u g h a n ，1 9 9 孔，土结构性是决定软土力学特性的一个最为根本的内在因素。 天然土体结构性的成因是多种多样的，土颗粒的矿物成分、沉积条件及孔隙水中 的化学成分都会影响土的结构性，结构性粘土的微结构具有自相似性、不稳定性 及颗粒间存在胶结强度的特征。天然沉积的软粘土一般具有结构强度，结构强度 是土的固体颗粒的特定排列及相互接触处由于周围环境的改变，如物理化学反应 引起的胶结作用等因素产生的附加强度。结构性的强弱可用结构屈服应力比来表 征，我国大部分软粘土的结构屈服应力比为1 1 2 5 左右，湛江粘土可达1 0 左右， 结构性增大了土体的刚度，使其力学性质与应力水平密切相关，应力水平较低时， 土体的压缩性低，应力水平高时土体的结构受到破坏，压缩性较高，二者相差 3 4 倍甚至更高。土体的结构性是不可逆的，一旦被破坏很难恢复，从而加大了 t 体的压缩量。在此类地基上做工程，若设计与施工工序不当就会给工程带来不 利的影响，甚至造成工程失事，因此工程设计和施工中就很希望能准确预测天然 软土地基或人工软基加载后的渗透特性、变形规律以及可能遇到的破坏情况等， 浙江人学博l 学位论文 从而为结构性软土地基设计提供依据。 近年来土结构性研究引起人们的广泛关注，关于土结构性研究的重要性，早 在1 9 2 5 年就由t e r z a g h i 指出，? z 聪l ( 1 9 9 6 ) 1 4 l 称之为2 1 世纪土力学的核一i i , ，谢 定3 ( ( 1 9 9 9 ) 1 5 l i i 为土结构性是决定各类土力学特性的一个最为根本的内在因素， 不难看出土结构性在土力学学科发展中的独特地位。对软粘土基本特性的认识与 利用，在我国开展这方面的研究也只是近几年的事，特别是土结构性对固结压缩 特性的影响还研究得不多，将具有结构性的工f 常压密土与超固结土相混淆的情况 时有发生，这种混淆可能会导致采用不同的工程措施，因此定量的测定与研究土 结构性对土体工程性质的影响是一项很有实际工程意义的工作。 1 2 土结构性的研究途径与进展 1 2 1 土结构陛微观研究 土的微观结构概念最早由t e r z a g h i ( 1 9 2 5 ) 提出，他把粘粒悬液在电解质和自 重力作用下形成的絮凝沉积物结构称为蜂窝结构【6 】，g o l d s e h m i d t ( 1 9 2 6 ) 提出了片 架排列结构 7 1 ，认为高灵敏性粘土中的粘土颗粒是不稳定的片架结构排列，而低 灵敏性粘土则有较大的密度和较稳定的排列结构。1 9 3 2 年c a s a g r a n d a 发展了 t e r z a g h i 的蜂窝结构，把相邻粉砂粒间受有高压作用的那部分粘土排列称为 b o n d ，并给出如图1 1 所示结构f 8 】。早期的研究以放大镜为工具缺乏有效的微观 观测手段，只能对复杂的土微观结构有一定的感性认识，难以有系统的研究。 图11s t r u c t u r eo f s e n s i t i v ec l a y a f t e rc a s a g r a n d e 1 9 3 2 1 五六十年代，显微镜和x 射线等技术在土微观结构研究中的应用，使人们 对土微观结构的研究更进了一步。陈宗基( 1 9 5 7 ) 1 9 l 将粘土中片状结构颗粒的接触 形式分为点面接触、边面接触和面面接触，并将粘土片状颗粒的相互作用形象地 绘成三维网格模型。l a m b e ( 1 9 5 8 ) 1 0 , 1 1 l 从胶体化学和双电层理论出发，提出了边 边和边面接触的丌放式非盐絮凝结构、面面和边面接触的盐絮凝结构以及面面接 触的分散排列结构。a y l m o r e ( 1 9 5 9 ) t 1 2 , 1 3 1 等提出数量级约为1b o n 的“畴”概念。 2 浙江人学博士学位论文 1 9 6 3 年v a no l p h e n 1 4 1 提出集合体结构模型，标志着团粒结构研究的开始。1 9 7 6 年y o n g 和m i t c h e l l t ”1 借助扫描电镜和其它测试手段，将单粒结构扩展到团粒结 构。高国瑞f 1 9 8 0 ) 1 6 , 17 】借助扫描电镜对中国黄土的微结构与湿陷性的关系进行研 究，提出了黄土的十二种结构类型，1 9 8 4 年对中国海相沉积土的微结构与工程 力学性质关系进行研究，将中国海相沉积土微结构划分为十种类型，并指出不同 的微结构具有不同的工程力学性质f 部分微结构如图1 2 ) 。 ll,lt簟拭生接结相 图1 2 中国海相沉积土微结构 1 9 8 1 ，1 9 8 2 年罗鸿喜、陈守义埔1 及谭罗荣、张梅英【1 9 1 分别对结构性较强的 湛江粘土微观结构进行了深入的研究，发现湛江粘土的组构单元是由许多单片堆 叠成的片堆颗粒单元，试样的孔洞中充填着许多规则的多面体晶体。湛江粘土属 于灵敏性土，扫描电镜观测表明它的组构是以絮凝结构为主，这种结构是不稳定 的，易崩溃的，但压缩试验又表明这种结构具有较高的结构强度。当压力小于某 临界应力时，土体结构是稳定的，当压力超过临界应力，土体结构将会大量垮塌 ( 如图1 3 ) 。谭罗荣、张梅英借助e d t a 渗透试验，证明这些晶体主要是晶质铁( 2 4 ) 和无定形铁( 7 6 ) ，无定形铁对土的联结强度有很大的影响。 甄蝻蠛 姨蠢孰 ( a ) 沉积初期的原始絮凝结构( b ) 组构单元表 面吸附越来越多的无定形物质。并开始形成台 水凝胶胶结键组构单元在上覆荷重作用下调 整其位置。( c ) 包膜形成，定向优势进一步发 展，接触点凝胶开始脱水老化( d ) 接触处凝 胶脱水老化成无定形周态和结晶态胶结键，t 体结构稳定下来( e ) 当外压力超过七体的表 观先期同结压力时，土体结构崩溃固态和晶 态胶结键大部分破裂。 图1 3 湛江粘土形成变迁示意图 浙江大学博i ：学位论文 何开胜( 2 0 0 1 ) 【2 0 】从微观角度认为土骨架的变形过程，先是弹性变形阶段，随 着压力的增加出现土体结构大量破损，进入弹粘塑性压缩阶段。吴义祥( 1 9 9 0 ) l j 应用计算机图像处理技术从信息熵角度对粘土结构排列状态作了定量分析。施祖 元( 1 9 8 8 ) i 竭通过s e m 对四种原状结构粘土的表面进行观测分析，发现微结构以 片状结构为主的粘土具有较强的各向异性变形特性。刘松玉( 1 9 9 2 ) 1 2 3 1 和刘长礼 ( 1 9 9 3 ) t 2 4 等则采用了分形几何方法对土微结构进行研究。胡瑞林( 1 9 9 5 ，1 9 9 9 ) b 卅 认为土的微观结构主要由结构单元特征、颗粒排列特征、孔隙性和结构联结四个 方面来描述，从定义上不难看出它包括土的几何特性和力学特性两个方面，并提 出“土体微结构力学”概念【2 6 】。夏佳等( 1 9 9 7 ) l 27 】通过s e m 和x 射线衍射等技术 对现代河漫滩软土固结压缩时微结构的变化进行研究，得出现代河漫滩软土的天 然微结构为粒片结构，具有一般粘土的基质结构和海成粘土的絮凝结构特点，强 度介于两者之间，承荷微结构改变，土结构中基本单元由无向排列趋向于垂直于 荷载方向的有向排列，其中片状晶体畴由分散到边面再到面面接触变化。冯晓腊 ( 1 9 9 1 ) 2 8 1 按大小将孔隙划分为大孔隙( d 1 0 0 0 0 0 a ) 、中孔隙( d - - 1 5 0 0 0 1 0 0 0 0 0 a ) 、 微孔隙( d = 1 5 0 0 0 6 0 0 a ) 和超微孔隙( d - p j ， ( 1 6 ) p 。 ，t 中，e ：，z 为重塑土的孔隙比和压缩系数，a 为结构系数，p ：，为土结构初始 屈服应力，p 小于p j ，原状土为线弹性。n a g a r a j 等【3 9 1 给出了加固灵敏性软土 浙江人学博i 学位论文 在压缩过程中的微结构模式，讨论了不同结构状态的土体在压缩过程中的孔径分 布和渗透性能的规律性及其对士体压缩行为的影响，这些研究对于重新认识土体 材料的力学特性具有十分重要的意义。p i e r r e 等【4 0 】研究了不同含水条件的三种压 实性粉土的微结构特征，并讨论了静压过程中结构变化与应力应变的关系。 土结构性研究与： 程实践存在较大的距离，沈珠江认为正确的研究方向应是 走宏与微观相结合的道路，弄清土体变形的微观机理，并以此为纽带，把应力应 变联系起来，重建土的本构关系【4 “，核心问题是建立土的结构性数学模型，从结 构性的观点出发，不应把土体看作具有固定变形模量和强度指标的材料，只能认 为原状土在刚开始受力时有一定的模量，其结构完全破坏时有一定的强度，而受 力的中间过程则是从原状土到重塑土的逐渐转化过程。1 9 8 8 年沈珠江【4 2 】首先把 损伤力学应用于土体，认为天然结构性土的逐渐破损是从原状土逐渐向扰动土的 变化过程。1 9 9 3 年提出结构性粘土的弹塑性损伤模型【4 3 】和非线性损伤力学模型 | 4 ”。1 9 9 9 年从土体微观结构破坏机理出发把天然粘土的压缩曲线划分为三段， 第一段反应结构完好状态下的变形，基本上是弹性变形；第二段代表结构大量破 损阶段，这是除了颗粒之间滑移还伴随着结构的塌陷，相应的压缩性可能远高于 重塑土的压缩性，到了第三段土的性质己接近重塑土，颗粒之间的滑移成为变形 的主要原因，并在此基础上提出了结构性土的堆砌体模型1 4 5 1 。施建勇 4 6 1 将土体 损伤分为四种：初始损伤、受剪损伤、受压损伤和受拉损伤，初始损伤是指土体 在受荷前受到某种因素的影响引起的损伤如地基处理施工扰动等，受剪、受压和 受拉损伤是指土体受到剪应力、压应力和拉应力后引起的损伤。蒋明镜( 1 9 9 8 ) 4 7 4 8 在原料软土中掺入冰粒和微量水泥，人工设定化学胶结作用和大孔隙组构来模拟 天然粘土的结构性，通过对人工制备的结构性粘土研究，为结构性粘土的模型化 研究创造了条件。孙林( 1 9 9 7 ) h 9 】在殷宗泽椭圆抛物线双屈服模型的基础上提出了 考虑土体剪损的损伤模型，在损伤以前，可以用经典的土体本构模型进行描述， 而损伤阶段，用损伤理论进行描述。从孙林的损伤演化公式可以看出，没有考虑 土体的压缩损伤，损伤参数也是通过无侧限软化阶段资料获得的。施建勇( 1 9 9 8 ) 1 5 0 i 在修正k o r m a m u r a - h u a n g 粘弹塑性模型基础上引入殷宗泽双屈服模型，并考虑 土体的压缩、剪切损伤，提出了土体的粘弹塑性损伤模型。孙红( 1 9 9 9 ) 从热力 学和损伤力学的角度推导了土体各向异性弹塑性损伤本构方程，通过试验证明结 构性土体损伤具有各向异性。熊传祥( 2 0 0 0 ) 5 2 ) x , j - 杭州地区淤泥质粘土进行了结构 性试验研究，通过扫描电镜图像分析，土体在不同应力水平下，呈现不同的微观 结构，在实验和沈珠江弹塑性损伤模型的基础上提出了一个改进的土结构性损伤 模型，该模型建议损伤土屈服函数为修正剑桥模型的屈服函数及新的损伤演化方 程形式，认为损伤具有门槛值。傩( 2 0 0 1 ) 1 2 0 】用大变形有限元方法对微观土颗 浙江人学博i 学位论义 粒接触面的胶结、滑动、脱开以及新接触的形成和老接触的转向进行了模拟( 如 图1 7 所示) ，研究分析在外荷作用下结构性土体的微观变形机理，在此基础上提 出了结构性土体的弹粘塑性损伤本构模型。杨松岩( 2 0 0 0 ) 【5 3 , 5 4 在混合物理论框架 图1 7 土骨架变形计算机模拟 下，提出了一个处理饱和和非饱和的多相介质变形和强度本构建模的新方法，在 此基础上给出了饱和和非饱和的多相介质工程材料的弹塑性损伤模型。基于工程 土体结构性对于地基加固效果的重要作用，在工程实践中也日益重视土体结构性 对其性质的影响，张诚厚等1 5 5 】以沪宁高速公路试验段为研究对象，根据室内和原 位试验成果，在沉降计算中考虑了结构性的影响，并初步地建立了二者之间的统 计关系。简浩( 1 9 9 8 ) t 5 6 l 运用损伤力学与断裂力学理论从能量的角度对结构性土的 裂纹扩展进行分析，分析表明在土体破损分析过程中，若从损伤因素的影响来评 价土体的工作状态比较安全。刘建航( 1 9 9 9 ) t 5 7 1 将时空效应理论引入到软土工程 中，以充分调动软士自身控制变形的潜力，是一条安全经济而有效的新技术途径， 在结构性软土的研究中也很具有启发意义。目前土的结构性数学模型研究对工程 实践有一定的指导意义，但基本属于定性范畴。 土体的结构性研究是土力学研究中的前沿课题之一，工程土体在宏观上所表 现出来的非连续性、不均匀性、各向异性和非确定性等复杂特征，从根本上取决 于土体微观结构的非连续性和非确定性，可以说土体的复杂性是其介质结构与组 份非线性的直接体现，目前土体微观结构与宏观力学性质之间的关系研究遇到了 的障碍，难以从根本上建立二者的关系。 目前需要解决的土结构性研究的课题有：结构要素量化体系的完善与结构状 态描述的综合参量的确定：固结变形过程中的结构变化及其力学效应，动力固结 的结构变化及其地基处理效果分析；土体结构强度理论与方法：三轴剪切条件下 的强度特征、结构变化和破坏标志；土体结构损伤过程的模拟及其静力学本构模 型建立；土体结构损伤动力学本构模型的建立与应用；土体微结构力学理论及其 在地基稳定性分析中的实践等。 熏一 塑变 浙江人学博j j 学位论文 1 3 结构性软土的工程特性研究 1 3 1 结构性软土的压缩特征 许多学者对不同的粘土进行研究，如张诚厚( 1 9 8 3 ) 【5 8 】对湛江粘土和上海粘 土、y o n g ( 1 9 7 7 ) 1 5 9 1 对l e d ac l a y 、m e s r i ( 1 9 7 5 ) 1 6 0 对m e x i oc l a y 、t e v e n a s ( 1 9 9 0 ) t 2 1 对 c h a m p l a i nc l a y 、l e r o u e i l ( 1 9 9 0 ) 1 2 1 对v a s b yc l a y 和j o n q u i e r ec l a y 、b u r l a n d ( 1 9 9 0 1 对t r o l lf i e l dc l a y 等进行研究，蒋明镜( 1 9 9 7 ) t 48 】对人工制备的结构性粘土试样进 行研究。研究结果表明结构性强的原状粘性土具有明显的结构屈服应力，应力低 于结构屈服应力土压缩性较小，大于结构屈服应力则土压缩性显著增大，最后趋 于重塑土的压缩曲线。结构性软土的压缩曲线如图1 8 所示。 蛔 - f ) 海江灰色粘土 ( h ) 人工一备 ( 张诚厚1 9 8 3 )( 蒋明镜1 9 9 7 ) 图1 8 结构性软土压缩曲线 1 3 2 结构性软土的固结特性 张诚厚( 1 9 8 3 ) 1 5 8 1 对湛江粘土和上海粘土、y o n g ( 1 9 7 7 ) 1 5 9 】对l e d ac l a y 进行了研 究。研究表明：结构性强的原状粘土压缩曲线上，具有明显的结构屈服应力；在 低于结构屈服应力的范围内，固结系数基本为一常数；当应力增加到结构屈服应 力附近时，则固结系数急剧降低，然后趋于重塑土的固结系数( 如图1 9 a ) 。蒋明 镜( 1 9 9 7 ) 1 4 8 1 研究了结构性粘土试样人工制备方法，人工制备的土样试验也得到类 似的结果( 如图1 9 b ) 。 a ) 薯覆括土的c ，p 奠，i 挑) ( b 1 人工制鲁土 图1 9 固结系数随压力变化曲线 9 ，、i_；bto 浙江人学博| 。学位论文 林孔锱f 】9 9 6 ) 1 6 1 】对砂井地基预压过程中固结系数的变化进行了研究，结果表 明：砂井地基分期加荷预压，随着荷重的增大土体逐渐压密，径向固结系数随之 不断减小，对固结计算的影响比井阻作用等更为严重，涂抹、扰动和井阻作用在 固结丌始阶段就存在但没有加剧，通过对某深水防波堤工程砂井地基观测结果分 析，得出前期径向圊结系数为后期的3 5 倍。a b o s h i 和m o n d e n ( 1 9 6 3 ) 6 2 1 对堆载 预压砂井地基的固结系数进行了实测分析，发现第一级加载阶段的固结系数是第 二级加载后固结系数的4 倍，后期加载固结系数基本不变。室内实验也证实了这 一点，沈珠江( 1 9 9 8 ) 6 3 1 认为天然软土固结系数是同等条件下重塑土的1 0 1 5 倍， 就渗透系数而言，纯粹由j l 隙比高的原状天然土的渗透系数可能达到重塑土的 2 4 倍；饱和粘土的透水性是孔隙比和土结构的函数，对于许多粘土加载前的 渗透系数约是加载后渗透系数的2 4 倍，但是对于某些高压缩性软粘土可能高 达几十倍“”。刘保健( 2 0 0 0 ) “”试验研究了原状土渗透系数随压力变化规律，结构 性强的原状软粘土渗透系数曲线，在低于结构屈服应力的范围内，渗透系数较大： 当应力增加到结构屈服应力附近时，则渗透系数急剧降低，然后趋于稳定( 如图 1 1 0 ) 。以上分析表明固结系数、渗透系数的变化与加载条件及土结构性有直接关 系，因此固结度的计算不能忽视加载过程中由于土结构性引起的固结系数和渗透 系数发生变化的重要影响。 ，8 4 ：6 嚣4 嚣z 骥 0 02 0 04 0 06 0 08 0 0 固结压力k p a 图1 1 0 原状土渗透系数随压力变化曲线图1 ”湛江粘应力应变曲线 1 3 3 结构性软土的应力应变关系 李作勤( 1 9 8 2 ) l 蚓、t a v e n a s ( 1 9 7 7 ) t 6 7 】等学者的研究表明：对结构性较强的粘土， 当固结压力高于结构屈服应力时，应力应变关系呈应变硬化型，当固结压力低于 结构屈服应力时，应力应交关系呈应变软化型，结构性使其具有明显的初始屈服 面，在初始屈服面内土体里弹性，超过初始屈服面土体呈塑性。张诚厚( 1 9 8 3 ) f 5 8 】 试验表明具有结构强度的湛江粘土应力应变关系呈应变软化型( 如图1 1 1 所示) 。 浙江人学博 + 学位论文 134 扰动对结构性软土工程性质的影晌 天然软土一般不能直接作为地基，需要进行处理，地基处理扰动会破坏土体 的原生结构和状态，张诚厚( 1 9 9 7 ) 认为实际中施工机具的振动、插板扩孔等操作 会对地基土产生扰动，使压缩性加大，造成地基总沉降加大。在土体沉积形成过 程中由于胶结性物质形成土的结构强度，这一强度分量，导致土体的力学性质在 受力的某个阶段出现突变，这种突变微观上是土体内部结构单元形式发生变化的 结果。结构性软土的力学特性与其所承受的应力水平和扰动度有关，应力水平较 低时，呈现出较好的力学特性，若应力水平超过某临界值或受剧烈的扰动，土体 的力学特性急剧恶化且在短期内难以恢复，在很小的外力作用下就会产生较大的 变形【6 ”。由于土结构的破损，导致其工程性质与原状土有较大的差别，原状土的 压缩曲线高于扰动土的压缩曲线，具有明显的屈服点，结构屈服应力较有效上覆 压力大得多( 张诚厚，1 9 8 5 ) 1 6 9 】。地基土的灵敏度大、结构性强的地区对施工扰动 的研究具有更重要的意义，施工扰动引起土体性质变化表现为：应力改变，土结 构性的改变，孔隙水压力和含水量的改变，因此扰动改变了土体的应力和应变状 态。h o l t z ( 1 9 8 6 ) 和沈珠江( 1 9 9 8 ) “”分别就扰动对压缩曲线的影响进行过试验，研 究表明结构性软土压缩指数随扰动度增加而减少，扰动使压缩曲线下移( 如图 1 1 2 ) ，结构屈服应力随扰动度增加而减小，二者基本呈线性关系f 7 0 j 。施工扰动 对土体物理力学性质的影响研究目前只停留在工程实录阶段，扰动增加了建筑物 的沉降【_ 7 1 】。扰动对土体性质的影响在国外很早就有人做过研究，其中如 c a s a g r a n d e l 7 2 】和s c h m e r t m a n n 7 3 1 等。土样扰动越大则计算得出的沉降越大7 4 1 。按 照目前的沉降计算理论，土体的结构性影响甚微，其所计算的结果与工程实践往 往有较大的脱节。 ( h o l t ze l c ，i9 8 6 ) ( f - 深路淤泥沈珠江19 9 8 ) 图11 2 不同扰动程度的压缩曲线 b j e r r u m ( 1 9 7 3 ) 、l a d d ( 1 9 7 7 ) 和n a k a s e ( 1 9 8 5 ) 等对原状土和重塑土的强度作过 浙江人学博f 。学位论文 对比研究，试验表明扰动使土体强度显著降低。s h o g a k i ( 1 9 9 1 ) 通过原位实测数据 分析扰动对强度和固结特性的影响。s h o g a k i ( 1 9 9 4 ) 和o n i t u s k a ( 1 9 9 5 ) ”刈就扰动对 强度的影响也作过研究，并基于试验给出了地区性的回归修正公式。杨守华 ( 1 9 8 9 ) ”、王年香( 1 9 9 6 ) 1 7 7 】也就扰动对软粘土强度的影响进行了试验研究和分析， 试验表明扰动对软粘土的强度影响显著。崔伯华( 1 9 9 9 ) 1 7 8 1 试验研究施工扰动对土 体强度的影响( 如表1 1 ) ，研究表明地基处理、施工扰动破坏了原状土体结构， 使土体抗剪强度降低，而且其恢复是十分缓慢的，不同的土体具有不同的触变性。 粘土存在结构性使粘土的强度包线为折线型( 沈珠江，1 9 9 8 ) t 6 3 】，实际上各种粘土都 具有结构性，强度包线均为折线型，在土体结构屈服应力处有明显的转折f 龚晓 南，1 9 9 9 ) 1 7 9 】，张诚厚( 1 9 8 2 ) 【8 0 】指出软土的结构性对稳定分析有明显的影响。土结 构性的存在导致在堆载过程中固结系数产生变化，对固结时间产生显著影响，影 响地基稳定( 王军，2 0 0 1 ) 8 1 】；扰动破坏土体结构性从而使不排水强度值降低i 跎1 ； 扰动使固结压缩发展减缓，使地基强度增长减慢( 王军，2 0 0 2 ) s 3 ；结构性软土其强 度线为折线型也会影响地基强度增长率和稳定( 王军，2 0 0 2 ) 州。研究充分说明土体 具有结构性，土结构性是土体工程性质的个重要的影响因素，它的影响应引起 重视，应予考虑以优化设计和工程应用。 表1 1 施打砂井前后十字板强度汇总表 1 4 软土地基固结理论的研究进展 固结理论是处理超静孔隙水压力的消散速率问题，并被广泛地用于沉降和稳 定分析中。】9 2 5 年t e r z a g h i 饱和土一维固结理论的提出标志着近代土力学的诞 生，但该理论是建立在一系列假定的基础上，如土的渗透性为常量等。在许多情 况下用维理论算出的闻结时间速率与实测结果并不一致，后来的学者采用更为 精确的土体模型和更加符合实际的条件来改进t e r z a g h i 理论，经r e n d u l i c 的改进， 得出三维固结理论，后来b i o t 又进一步提出比较完善的三维固结理论。然而由 f 其数学求解极为困难，在使用中并未得到推广，直至有限单元法的普及，这种 情况才有所改善。尽管三维固结理论比一维理论更为合理，但由于一维理论的指 标测定和求解简单，故至今仍被广泛应用【。g i b s o n 等( 1 9 6 7 ) 采用了一种全新的 浙江大学博i ! 学位论文 坐标固相物质坐标z ，由土体平衡条件、流量平衡条件、达西定律和有效应 力原理提出了以孔隙比e 为变量的大应变固结方程： c 鲁r 鬻，妾+ 鲁r 煮丢) 塑d e 刍o z + 挚 ， 在一般情况下，要获得能考虑各种影响因素的方程的解析解是相当困难的，目前 关于一维大应变固结理论的计算结果比较混乱1 8 “，c a t e r 等( 1 9 7 7 ) 、p r e v o s t ( 1 9 8 2 ) 等认为考虑大应变时，地表沉降小于小应变分析结果，而s c h i f f m a n ( 1 9 8 1 ) 、 c a r g i l l ( 1 9 8 4 ) 和x i e ( 1 9 9 5 ) 等则认为大应变理论计算得到的地基固结沉降较大。产 生差异的主要原因是简化假定不同，而这些简化假定又很难验证，故而导致混乱。 以上的固结问题针对的都是单层地基的情况，而它的求解已经比较困难，可想而 知考虑成层地基的时候情况更为复杂。土体具有结构性，固结伴随结构破坏且逐 渐向深部发展，因而存在移动界面，这一点大应变理论无法考虑，再者大应变固 结理论的两个公认的关系式 e e 。= c 。l o g ( , 一o 仃) ( 1 8 a ) e e 。= c tl o g ( k ，k 。) ( 1 8 b ) 是建立在重塑土试验的基础上，用在结构性土体中可能是不合适的。 由于软土地基的迸缩性高，固结变形持续时间长，因此这种地基通常需要采 取处理措施，砂井排水固结法是目前普遍