（岩土工程专业论文）回填土软土地基蠕变问题的有限元分析.pdf

中文摘要 建筑物建成后地基土体在主固结沉降完成后总是会伴随着随时间发展的次 固结沉降即土骨架的蠕变变形。在深厚软粘土地基上建造建筑物，沉降量和差异 沉降量控制是问题的关键。软土地基地区建筑地基工程事故大部分是由沉降量或 沉降差过大造成的，特别是不均匀沉降对建筑物的危害最大。深厚软粘土地基建 筑物的沉降量与工程投资密切相关。因此，合理控制沉降量非常重要。所以在工 程的设计过程中有必要找到一个合理有效且实用的计算和预测建筑物蠕变变形 方法，以保证建筑物安全及节省工程投资。 本文引入由v e r m e e r 和n e h e r ( 1 9 9 8 ) 提出的软土蠕变模型，详细介绍了维 软土蠕变模型的建立和由一维模型扩展到三维模型的过程，以及模型参数的选择 方法。同时采用p l a x i s 程序模拟了一维压缩试验过程和一高层建筑地基土的加 载蠕变过程，验证了采用软土蠕变模型计算土体蠕变问题的可靠性。 将经验证后行之有效计算方案运用到天津港突堤的蠕变计算中，通过理论计 算的结果和现场实际观测的结果进行比较，对模型各参数进行灵敏度分析。利用 模型的计算结果分析天津港突堤的蠕变特性，并对其未来的蠕变情况和蠕变趋势 做出相应的预测。 关键词：软粘土蠕变蠕变模型p l a x i s 天津港 a b s t r a c t l a r g ep r i m a r ys e t t l e m e n t so fd a m sa n de m b a n k m e n t sa r eu s u a l l yf o l l o w e db y c r e e ps e t t l e m e n t sa f t e rt h e yb e i n gb u i l d mk e yp o 缸o fb u i l d i n gs t r u c t u r ei nd e e p s o f ts o i lf o u n d a t i o ni sh o wt oc o n t r o lt h et o t a ls e t t l e m e n ta n dt h ed i f f e r e n t i a l s e t t l e m e n t m o s to ft h ef o u n d a t i o nc o n s t r u c t i o na c c i d e n t si nt h es o f ts o i la r e aa r e c a u s e db yl a r g es e t t l e m e n t s ，e s p e c i a l l y , t h ed i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n tc a l ld og r e a th a r m t ot h e s t r u c t u r e s m o r e o v e r , t h es e t t l e m e n t so ft h ef o u n d a t i o n sh a v eac l o s e r e l a t i o n s h i p 、) l r i t ht h ec o n s t r u c t i o ni n v e s t m e n t t h e r e f o r ei ti si m p o r t a n t t oc o n t r o lt h e s e t t l e m e n t , a n df r e dar e a s o n a b l ea n de f f i c i e n tw a yt oc a l c u l a t ea n dp r e d i c tt h ec r e e p s e t t l e m e n to f t h ef o u n d a t i o n s i nt h i sp a p e r , as o f t - s o i l - c r e e pm o d e ld e v e l o p e db yv e r m e e r & n e h e r ( 1 9 9 8 ) i s i n t r o d u c e d af u l ld e s c r i p t i o no f t h ef o r m u l a t i o no f t h es o f t - s o i l c r e e pm o d e la n dt h e p r o g r e s sh o w t oe x t e n d1 d - c r e e pm o d e li n t o3 d - c r e e pm o d e la r eg i v e n i na d d i t i o n , a t t e n t i o ni sf o c u s e do nt h em o d e lp a r a m e t e r s f i n a l l y ，av a l i d a t i o no f t h e3 dm o d e li s p r e s e n t e db yc o n s i d e r i n gb o t hm o d e lp r e d i c t i o n sa n dd a t af t o ma no e d o m e t e rt e s ta n d a s u r v e yr e p o r to f ah i g h - r i s eb u i l d i n gf o u n d a t i o n 1 1 1 ec a l c u l a t i o np r o g r a mp r o v e dt ob ee f f e c t i v ei np r a c t i c ei sa p p l i e dt ot h ec r e e p c a l c u l a t i o no f t i a n j i nh a r b o rb r e a k w a t e r 1 1 把m o d e la n dt h ep a r a m e t e r sa r er e v i s e d b ya n a l y z i n gt h ep a r a n l e t e rs e n s i t i v i t ya n dc o m p a r i n gt h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n r e s u l t sw i t ht h ea c t u a lm e a s u r e dr e s u l t s t h ec r e e pp r o p e r t i e so f t i a n j i nh a r b o r b r e a h v a t e ra r ea n a l y z e db yt h ec a l c u l a t i o nr e s u l to f t h em o d e l ，a n da c c o r d i n g l y ，s o m e r e l e v a n tp r e d i c t i o n so f t h ef u t u r ec r e e pt e n d e n c ya n dp h e n o m e n ac a nb em a d e k e yw o r d s ：s o f t s o i l ，c r e e p ，c r e e pm o d e l ，p l a x i s ， f i a n j i nh a r b o u r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：关魄柽 签字日期：2 叼 年，月弓日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：吴蝴 签字日期：缈石年f 月2 日 导师魏殆 签字日期：御6 年1 月3 曰 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 软粘土是接近正常固结的粘性细粒土及粘性淤泥，具有孔隙比大、天然含水 量高、压缩性高、强度低、灵敏度高的特性，我国的沿海地区广泛分布着滨海相 沉积的淤泥和淤泥质粘土，蠕变是软土地基的一个重要特性，蠕变指在恒量荷载 的作用下，随时间而发展的变形，建筑物在建成后地基土体在主固结沉降完成后 总会伴随着土骨架的蠕变变形。 在深厚软粘土地基上建造建筑物，沉降量和差异沉降量控制是问题的关键。 软土地基地区建筑地基工程事故大部分是由沉降量或沉降差过大造成的，特别是 不均匀沉降对建筑物的危害最大。深厚软粘土地基建筑物的沉降量与工程投资密 切相关。减小沉降量需要增加投资，因此，合理控制沉降量非常重要。所以在工 程的设计过程中有必要找到一个合理有效且实用的计算和预测建筑物蠕变变形 方法，以保证建筑物安全及节省工程投资。 1 2 土体蠕变问题的研究概况 国内外对土的蠕变特性研究有两大基本途径。一是采用直观的流变模型来模 拟土的受荷响应。以表达其相应的应力、应变和时间的关系，并与实际量测的试 验资料相比较，这就是通常所谓的宏观流变学。另一种途径是从观测的试验曲线 出发，得出物质结构图形，或从土的结构及其物质组成的流变特性来说明土体的 流变特性，即所谓微观研究的方法。但这种研究方法只能对土的流变特性作出定 性说明，在理论上还不完备。目前，在研究土的蠕变变特性时，大多采用宏观流 变学的方法。 早在1 9 2 5 年，t e r z a g h i “”1 3 就已经提出了蠕变的概念，并指出某些土具有蠕 变特性。近几十年来，为了弄清时间和应变速率对土的抗剪强度和变形特征的影 响，国内外一些学者在土的应力一应变一时间响应方面作了大量研究，通过对蠕 变试验结果的整理分析，建议了众多的蠕变经验计算公式，2 0 世纪3 0 年代， b u i s u m a n “”首次提出采用经验公式来表征饱和粘土沉降与时间的关系，他根据大 量的试验资料得出：在半对数坐标上，沉降与时间的关系可以表示为直线关系。 第一章绪论 s i n g h “”等在试验研究的基础上建议了蠕变速率函数和蠕变函数。他们认为，无 论是正常固结土或是超固结土，在排水或不排水条件下，其应变速率和蠕变时间 若采用对数表示，均呈直线关系，同样，应变速率与应力也是直线关系，并建立 了应变速率s 、时间t 和剪应力水平力三者之间的相互关系表达式。1 9 6 3 年， k o n d n e r “”建议用双曲线型模型来模拟土体在常速率轴向应变条件下的应力一应 变特性。1 9 8 9 年，殷建华和g r a h a m “”通过引入等效时间的概念，建立了一个一维 分布加载模型，并将其发展成一个描述连续加载的一般本构模型。1 9 9 8 年， y e r m e e r 和n e h e r “”建立了一蠕变微分等式，并将其拓展成三维蠕变的微分方程。 同时，不少学者从基本力学概念与理论出发，运用数学力学分析方法，建立 由弹簧、粘壶、滑块等元件组合而成的流变计算模型，如由圣维南刚塑体和牛顿 粘壶并联组成b i n g h a m 模型，虎克弹簧和牛顿粘壶并联组成k e l v i n - y o i g t 模型， 由虎克弹簧和开尔文体串联而m e r c h a n t 模型。除了以上几种较简单的流变模型 之外，还可以将单个元件再与两个元件并联或串联，从而构成多种结构的复合流 变模型如为并联则按应力叠加，若为串联，则按应变叠加。有许多学者，如岗 兹( g e u z e ) 和陈宗基、s c h i f f m a n 、村山朔郎、f o l q u 。以及考马拉一黄 ( k o m a m u r a - h u a n g ) 等，分别提出了各自的复合流变模型。 1 3 土体蠕变计算方法 土体在渗透固结既孔隙水消散至零以后，土体还会发生变形，为区别与因孔 隙水应力消散产生的固结变形，叫做次固结变形，即土骨架的蠕变变形，在一般 的工程计算中用分层总和法计算土体的次固结变形的公式如下： 上f 5 = 生f ；l g l ( 1 1 ) 。智1 + 岛f 巳为次固结系数，e 的值取决于土的天然含水量c o ，近似计算时取 c a = 0 0 1 8 0 。但是次固结系数没有触及土体蠕变问题的本质，无法反映土体的 性质对于蠕变的影响。近二十年来，土体的蠕变受到了人们的重视，随着土力学、 材料力学和计算机技术的的发展，有限元数值分析被运用到蠕变问题的研究中来 1 7 - 4 1 】。用流变学的理论和方法用于研究土体的蠕变问题有很大的意义和适用性。 解决土体蠕变问题的方法大体上有这样几大类： 1 3 1 利用建立流变模型的方法求解 模型理论是由一些基本的元件来反映线性粘弹性材料的性质，这些基本的元 件包括虎克弹簧、牛顿粘壶和圣维南体三种。 第一章绪论 虎克弹簧满足虎克定律：r = c , y ，其中g 为虎克弹性常数。 牛顿粘壶满足理想牛顿体的运动规律，即f = 咿。其中，1 7 为粘滞系数。 圣维南滑块满足圣维南定律，即机l ) ，当力超过f i 前不产生变形，其中l 为流动极限。 通过这些基本元件的相互串并联就形成了线性流变模型：如m a x w e l l 体是弹 簧和粘壶串联，k e l v i n 体为弹簧和粘壶并联、标准线性体为弹簧和k e l v i n 体串 联，广义b i g h a m 体为弹簧和粘壶与圣维南体并联体串联。然后借助模型来建立 材料流变的本构关系。 1 3 1 1 宾汉姆模型 宾汉姆模型由圣维南刚塑体和牛顿粘壶并联而成，如图1 - 1 ( a ) 所示。 由于 是并联，模型总应力等于各元件应力之和，而各元件应变等于总应交。宾汉姆 模型的应力一应变速率关系图1 - 1 ( b ) 所示。 其函数表达式为： 1 0 d o p l 扛睁仃 j ， n 。2 ( a ) 1 3 1 2 弹塑体模型 i ， 一 t l i - 0 g 麓嚣 j “ q 上 o 图1 - 1 宾汉姆模型 ( b ) 弹塑体模型是由虎克弹簧和圣维南刚塑体串联而成，如图l 乏( a ) 所示。由于 是串联，模型总应变等于各元件应变之和，总应变即为各元件应力。若应力t 3 小 于起始阻力口，a o o 盯p ，则 材料已屈服，应变可无限增长，如图1 2 ( b ) 所示： 第一章绪论 ( b ) 图1 - 2 宾汉姆模型 1 3 1 3 麦克威尔模型 麦克威尔模型如l 一3 ( a ) 所示，它由虎克弹簧和牛顿粘壶串联而成，其流变方 程为： ；o + i c r = 营 ( 1 3 ) ek 、。 在不变应力仃作用下，用初始应变6 0 = c r e ，求解式( 1 2 ) 得： s=罢+导f(1-4) ek 若在，1 时刻将应力卸除，则f 时刻的应变为： s = i f it l(1-5) 可见，卸荷后蠕变变形完全不能恢复，如图1 3 所示： 若土体获得初始弹性应交岛后，总应交g 保持不变，则由式( 1 - 2 ) 可得 ， 仃= e g e 。 ( 1 - 6 ) 可见，在总应力不变的条件下，应力随着时间衰减，如图1 - 3 ( c ) 所示。因此 麦克维尔模型又称为松弛模型。 舢 图1 - 3 麦克威尔模型 r氧f卜l。( ， f o 吖 一r 乞f 驴 扩 第一章绪论 1 3 1 4 开尔文体模型 开尔文模型是由虎克弹簧和牛顿粘壶并联而成，如图1 - 4 ( a ) 所示，其流变方 程为： d=et+xi(1-7) 在常应力作用下，利用初始条件8 0 = o ，解上式得： 仃= 舡寿 m s ， 若在f l 时刻将应力卸去，则f 时刻应变为： 仃= 暑( e ，1 ) 一e c - 9 ， 其中t 0 0 时，g 一0 ，即应变可完全恢复，如图1 - 4 所示。开尔文模型描 述的这种现象称为弹性后效。 若获得初始弹性应变后总应变保持不变，解析式仃= 如+ k 得： o r = e t o ( 1 - l o ) 图l - 4 开尔文体模型 1 3 1 5 标准线性体模型 标准线性体模型或称麦肯特模型，是由虎克弹簧和开尔文体串联而成的，如 图1 - 5 ( a ) 所示，其流变方程为： 墨童+ e 6 ：e o 。+ e 1 仃+ 鲁仃 ( 1 1 1 ) 第一章绪论 ” 图1 5 标准线性体模型 常应力作用下，利用初始条件8 0 = 仃e o ，由上式解得： 弘云+ 云【卜e 言j o j 2 ， 若将应力盯卸去，应变可全部恢复，如图i - 5 ( b ) 所示。 如果在初瞬时获得弹性应变岛后，总应变保持为s o 不变，解式( 1 1 1 ) 得： 仃= 彘( e 掣 m 应力部分松弛，如图i - 5 ( c ) 所示。 实际上，复杂的模型都是这些模型之间通过相互串并联的叠加。采用流变模 型，可以把复杂流变性质的直观地表现出来，便于分析变形的弹性、塑性蠕变分 量，同时可采用数学表达式直接描述蠕变和松弛现象，故流变模型在土的流变 理论中得到了广泛的运用。 但是，流变模型只能采用来描述某些流变现象，并不能完全反映其实质。土 的流变现象很复杂，而各种流变模型均有一定的适用范围，如土的应力松弛与麦 克维尔体相似，而弹性后效性质与开尔文体相似，流动性质则与宾汉姆体相似。 1 3 2 采用考虑土的流变的土坡稳定分析方法 考虑土的流变的土坡稳定的分析方法可分为两种： 一是选用长期强度指标，按长期的方法来分析土坡的稳定性； 二是先按照常规的方法验算土坡目前的稳定性，然后估算土坡稳定性随时间 的发展情况。 这两种方法中，第二种比第一种相对来说要可靠一些，但是，这两种计算方 法一般只用在工程的估算方面，不适合较为精确的大型计算。 第一章绪论 1 3 3 修正计算土力学公式的方法 这一方法的指导思想基本上和考虑土的流变的土坡稳定的分析方法相似，只 是在其中加入了次固结理论的内容。这种方法结合考虑流变和土体次固结的影 响，通过工程经验修正计算土力学公式，使得其适用面更广，尤其是在计算与土 的次固结沉降相关的蠕变问题时应用较广，计算结果也比较准确。但这种经验性 的修正公式的计算方法缺乏理论根基，同样很难满足较高精度的大型计算的要 求。 1 3 4 工程比拟的方法 这类方法可以说比较多，比较著名的是he h 提出的求解粘弹性固体力学 的方法。其原理和解题步骤为：利用弹性和粘弹性力学问题的基本方程的拉普拉 斯变换，经弹性参数的代换得到相应粘弹性力学问题解答的变换，再进行反演得 到相应的粘弹性力学问题的解答。 李氏比拟方法的适用面较广，尤其是经过改进后能够使用结合模型理论所提 出的模型方法进行求解。因而得了比较广泛的运用。但是其将蠕变近似等同于粘 弹性问题的思路在求解具有较为明显的塑性变形的蠕变现象时应用较为困难，这 使得它在软粘土的蠕变问题上比较难以运用。 1 3 5 遗传流变理论 按照b o l t m a n n 叠加原理有：过去某时刻加上的荷载到某一时刻t 引起的变 形等于各个互不相关的荷载到时刻t 引起的变形的总和。即在某一时刻的变形不 仅与这个时刻的应力有关还和变形的历史有关，仿佛是继承了过去的作用应力的 影响，由此产生了遗传理论。 对任意的应力加载历程有： r， s ( t ) = l 叮o ) + i 七( f f ) 仃( f ) l e ( 1 1 4 ) l ； j 式中_ j ( f f ) 称为蠕变核，反映材料的蠕变性质，根据以上方程即可确定蠕变 方程。 当然，流变状态方程亦可改写成： rf - d ( f ) = e i 。o ) + j r ( 卜f 弦o ) 喀i 1 - 1 5 ) l 0 j r ( t f ) 称为松弛核，它反映的是材料的松弛性能。 可以看出上述两个方程中的核k ( t f ) 和e ( t f ) 是两个变量t 和f 的函数。此 第一章绪论 时，函数r ( t f ) 是函数七o f ) 的逆解核；反之，函数七( f f ) 是函数r ( t f ) 的 逆解。 根据上述两个方程的任意一个，都可以确定出蠕变方程和松弛方程。 当考虑应力和变形的非线性关系时，口和s 的关系则不是应力和变形本身的 关系，而是变形和应力的函数妒( s ) 或厂p ) 的关系。 1 3 6 老化理论 老化理论表述的流变状态方程是以变形、应力和时间之间的关系的形式表示 的，即： g = ，( 叽t )( 1 1 6 ) 把变形看成是弹性变形和蠕变变形的总和，则可把上式表示为： g = 矿+ 矿= o r e + ( c 1 ) m ( f )( 1 1 7 ) 也可得到松弛方程： d = 仃。一f ( 仃) o ( f ) ( 1 1 8 ) 其中： 盯o2 e 矗= 常数 老化理论所确定的变形、时间和荷载关系，即反映了蠕交过程，又反映了松 弛过程。若将状态方程改写成f ，s ，f ) = 0 的形式，并将它用三维曲面p ，8 ，f ) 的 形式，这个曲面在平面。一，e - - t ，o t 上的截矩的投影为相对应的等时曲 线、蠕变曲线和松弛曲线。 老化理论亦可用下面具体表达式表达： s = a ( t m ” ( 1 1 9 ) 其中，4 ( f ) 是变形系数，可以取多种形式的表达式。 老化理论的o v ) 函数表明变形的增长随时间而减缓，可以看出它比较适合荷 载是恒载或是缓慢和单调增长的情况。老化理论比较认同于三阶段蠕变理论的第 一阶段蠕变。 1 3 7 粘的一维非线性流变模型方法 一维问题是指有侧向单向压缩或应力松弛问题，反映在工程实际中表现为大 面积堆载预压或由于抽汲地下水而引起的地面沉降。尽管一维问题出现在工程中 的机会较少，但它作为理论研究仍然具有重要意义。因为研究一维问题不仅从一 个侧面了解粘土的工程特性，而且通过它可以帮助认识多维问题，另外从实验角 度上看，一维问题更易于控制，从而得出更有价值的结论。对于流变问题而言， 第一章绪论 由于引入了时间因素而更具复杂性，研究土体流变的一维问题显得简单明了，且 易于得到真实的土体流变特性。 j i a n h u a y m & g r a h a n l ( 1 9 8 9 ) 通过引入等效时间的概念，建立了一个一维分布 加载模型，并将其发展成一个描述连续加载的一般本构模型。该模型只使用三个 参数，既等向压缩系数a 、回弹系数后和二次压缩系数西，该模型可用来分析粘 土的蠕变试验、应力松弛试验、常应变速率试验以及常应力速率试验。 一维固结的竖向应变可以分离成三部分即 g = s + s 妒+ s 炉 ( 1 2 0 ) 其中。是可恢复的弹性应变，g ，是时间无关的塑性应变，舻是时间相关的 塑性应变。假定在先期固结压力叮，到达之前的弹性应力范围内，不可恢复的时 间有关应变s 驴与弹性应变同时发生，并将s 。和扩和成为粘弹性应交e ”；在 越过先期固结压力仃，的塑性范围内，应力的增加将伴随着弹性应变和塑性应变。 另外，称s 。和，的总和为时问无关弹塑性应变”。 时间无关的弹性应变假设为关于v l n c r 线性化( v 为单位土体的体积 1 + e ) ，即 如+ h v 云 ( 1 在应力高于先期固结压力仃，时，时间无关的塑性应变，可通过v i n t r 关系 线的斜率a 和回弹系数七得到，即 一= + k t r l ncr(1-22) r 0 0 常有效应力作用下的蠕变压缩假定为满足二次固结关系，既与时间自然对数 i n t 成正比 扩= 留+ 罟h 丢 小2 3 ) 时间无关的弹塑性应变可以写成 s q , = s 尹+ ：| ：i ，, l ncr一(1-24) r o o 其中，e 9 = s o + s 尹 计算任意分布加载条件下的最终应变的一般方法可写为 8 。：兰l l l 旦l + 兰二兰l n ! 上+ ! = 垒! 垒鱼( 1 - 2 5 ) v g o v g ot o 其中k 可以从下式得到 ，、丝 耸壬= 学：f 三1 ( 1 - 2 6 ) 屯+ f o l 盯一1 j 第一章绪论 蠕交的微分式为 t=主丢+去xpi一些妒1jfl三o-0丫)expv e = 一一+ l一一一l 仃o 1 4 本文的研究方法和技术路线 0 - 2 7 ) 本文引入由v e r m e e r 和n e h e r ( 1 9 9 8 ) 提出的软土蠕变模型，该模型是基于标 准2 4 小时加载固结试验所得到的一维蠕变模型扩展的三维蠕变模型。模型的参 数可以从蠕变试验中得到，具有很强的实用性。 此软土蠕变模型的一些基本特点包括是： ( 1 ) 应力相关刚度( 土的对数压缩特性) ； ( 2 ) 初始加载与卸载再加载之间的区别； ( 3 ) 与时间相关的土的次压缩； ( 4 ) 土体关于前期固结应力记忆； ( 5 ) 土体的破坏服从摩尔库仑准则。 本研究采用p l a x i s 程序计算模拟实际工程的蠕变情况，并用一有多年蠕变实 测资料的高程建筑的地基验证模型的可靠性。 将经验证后行之有效计算方案运用到天津港突堤的蠕变计算中，比较理论计 算的结果和现场实际观测的结果的吻合程度，对模型主要的变形参数进行灵敏度 分析。利用模型的计算结果分析天津港突堤的蠕变特性，并对其未来的蠕变情况 和蠕变趋势做出相应的预测。 第二章软土蠕变问题的机理和特性 第二章软土蠕变问题的机理和特性 天然土体是由矿物颗粒构成的颗粒组成骨架体，再由孔隙水和气体填充空隙 而组成的三相体系，土颗粒和水的压缩性很小，般认为是不可压缩的。土体的 变形是由于孔隙流体的流失及气体体积减小，颗粒重新排列，粒间距离缩短，骨 架体发生错动的结果，孔隙体积变化和颗粒重新排列需要一个时间过程，土体的 固结变形与时间有关。要研究土体的蠕变特性，建立土体的蠕变模型首先应该了 解土体的结构特点。 2 1 软粘土的结构及成因 软土在我国沿海一带分布很广，如渤海湾、长江三角洲、珠江三角洲以及浙、 闽沿海地区都存在海相或湖相沉积的软土，它们是在咸水或淡水中沉积形成的细 粒土，含有机质和矿物质的综合体。软土具有松软、孔隙比大、天然含水量高、 压缩性高、强度低、渗透性小和灵敏结构性的特点，其厚度有数米至数十米不等， 但在同一地区厚度的变化不大，土层呈带状分布。软土包括淤泥、淤泥质粘性土、 淤泥质粉土、泥炭、泥炭质土等。 建筑地基基础设计规范( g b j 7 - 2 0 0 2 ) 和港口工程地基规范( j t j 2 5 0 - - 9 8 ) 中规定岩土的塑性指数大于l o ，且粒径大于o 0 7 5 m m 的土粒含量不多于 5 0 ，则该土属于粘性土。并把在静水或缓慢的流水环境中沉积，经生物化学形 成，其天然含水量大于液限、天然孔隙比大于或等于1 5 的粘性土称为淤泥。天 然孔隙比小于1 5 ，但大于1 0 的粘性土称为淤泥质土。 国内外各行业对软土鉴别的具体指标也各不相同，例如： 软土地区工程地质勘察规范( j g j 8 3 - - 9 1 ) 规定，软土的判别应符合下列 要求：1 夕 观以灰色为主的细粒土；2 天然含水量大于或等于液限；3 天然孔隙 比大于或等于1 0 。 公路软土地基路堤设计与施工技术规范( ，r j - - 0 1 7 ) 提出的软土鉴别指 标是：天然含水量( ) 3 5 与液限；天然孔隙比1 0 ；十字板剪切强度( k p a ) 3 5 。 对软土按沉积环境及成因分为：( 1 ) 滨海沉积滨海相、卸湖相、溺谷 相及三角洲相；( 2 ) 湖泊沉积湖相、三角洲相；( 3 ) 河滩沉积河漫滩相、 第二章软土蠕变问题的机理和特性 牛轭湖相；( 4 ) 沼泽沉积。 滨海沉积软土的分类有： 滨海相由于滨海环境的水动力状况比较复杂，主要是受波浪和潮汐作 用，形成沉积砂土，包括粗、中、细粉砂。粗砂在近海处沉积，而细粒物质向海 方向搬运，形成不对称的波痕，并在海滩边缘形成一系列平行海岸的连续的砂脊 或沙丘。从而使滨海相软土在沿岸与垂直岸边方向有较大的变化，交错层理是其 沉积特征。 泻湖相- i 冗积物颗粒细微，分布范围较宽阔，常形成滨海平原。表层为较 薄的粘性土层，其下为厚层淤泥层，在泻湖边缘常有泥炭堆积。 溺谷相分布范围较窄，结构疏松，在其边缘表层常有泥炭堆积。 三角洲相三角洲沉积属于海陆过渡环境的沉积。它是河流流入海洋时， 在河口附近的陆上和浅水环境中形成的碎屑沉积物。由于河流及海湖的的复杂交 替作用，而使软土层与薄层砂交错沉积，多交错成不规则的透镜体夹层，分选程 度差，结构疏松，颗粒细。表层为褐黄色粘性土，其下则为厚层的软土或软土夹 薄层砂。三角洲相沉积是一个多种沉积环境的沉积体系，包括三角洲平原、三角 洲前缘和前三角洲。 2 2 土的弹塑一粘滞特性 在有效应力作用下，骨架的变形分为瞬时变形和蠕交变形。蠕变指在恒量荷 载的作用下，随时间而发展的变形。土体的变形一部分是可恢复的弹性变形，另 一部分是不可恢复的塑性变形。 土应看成是非线性的弹塑粘滞可压缩介质，非线性表现在随应力增加而变 形的增量在变化，弹性表现在土中存在可恢复变形，塑性表现在不可逆变形的发 展，粘滞性表现在变形随时间而发展。 土的剪切变形是水膜包围的矿物颗粒的相互位移和重新排列的的结果。体积 变形是颗粒的相互位移和重新排列的结果。体积变形是颗粒的重新排列和较密实 的堆砌，是孔隙水体积和自由水及气体数量的相应变化，同时有胶粒和颗粒本身 尺寸的变化。 土的弹性可逆变形是由于骨架的相应变形和矿物颗粒的可逆位移而产生。土 的可逆的体积变形首先是胶粒尺寸改变，其次还有骨架的体积变形和封闭的小气 泡可逆的体积变化。在荷载增加时，颗粒靠拢和水膜厚度减小。在荷载卸除时， 斥力推开颗粒，使体积变形部分恢复。 土的不可逆变形是颗粒不可逆位移和它们重新排列的结果。体积的不可逆变 第二章软土蠕变问题的机理和特性 化与自由水和空气的压出。孔隙的变化和颗粒重新排列有关。不可逆变形在应力 超过某个极限和结构连接破坏时产生。此时变形本身同时伴随结构的变化，因此 他们通常被称为结构变形。 软粘土蠕变的初期，主要表现为孔隙水的排出，即土的主固结过程；同时， 土颗粒在颗粒周围水膜和颗粒间分子力的作用下，继续完成从分散到最终定向排 列的土骨架蠕变过程。 2 3 软土的一般工程特性 软土无论按成因还是按土质划分，种类很多。但它们都具有以下几个方面共 同工程特性： ( 1 ) 颜色以深色为主，粒度成分以细颗粒为主，有机质含量高。 ( 2 ) 天然含水量高，容重小，天然含水量大于液限，超过3 0 。相对含水量大 于1 0 ，天然容重为1 5 1 9 k n m 3 。天然软粘土的含水量一般在3 4 7 2 之间， 其值一般大于液限，属于流动状态，天然孔隙比在1 0 1 9 之间，故而一般属于 淤泥或淤泥质土，其中淤泥质土占多数。液限变化在3 4 5 8 之间，大多在 3 4 4 3 的范围内，塑性指数变化在1 3 3 0 之间，大多数在1 5 2 0 的范围 内，属于中等塑性的无机土。 ( 3 ) 天然孔隙比大，一般大于1 0 。 ( 4 ) 渗透系数小，一般小于1 0 6 c m s 数量级，沉降速度慢。固结完成所需时间 较长。渗透系数大部分为1 0 - 7 1 0 m s 之间，所以在荷载作用下固结很慢，强 度不易提高。当土中有机质含量较大时，甚至会产生气泡，堵塞排水通道，降低 其渗透性。对于夹有薄砂层的粘土，其水平向渗透性可能会显著增大，渗透系数 可达1 0 5 1 0 4 c m s 。所以，该类土层的固结速率也比均质粘性土要快得多。 ( 5 ) 粘粒含量高，塑性指数大。粘土粒的矿物成分一般为高岭土、蒙脱石和水 云母等，而以水云母最为常见。由于粘土矿物颗粒很小，一般呈薄片状，且表面 带有负电荷，在粘土颗粒四周吸附着大量的偶极化分子。所以，在沉积过程中， 软土层常形成絮凝状结构，是造成软粘土天然含水量大的原因之一。 ( 6 ) 高压缩性，压缩系数大，基础沉降大，一般压缩系数大于0 5 m p a 1 ，属于 高压缩性土，其压缩性往往随液限的增大而增大。由于软粘土大多为第四纪后期 的沉积物，通常属正常固结士。但一些近期沉积的软土，则为未完全固结土，即 为欠固结土，例如新近围垦的海滩，软土蠕变特性研究及其在桥台桩基工程中的 应用在自重作用下还会继续下沉。 ( 7 ) 强度指标小，软土的快剪凝聚力小于1 0 k p a ，快剪内摩擦角小于5 。；固 结快剪的强度指标略高，凝聚力小于1 5 k p a ，内摩擦角小于l o 。，软土的强度大 第二章软土蠕变问题的机理和特性 小与排水条件有密切关系。在荷载作用下，如果土层有良好的排水条件，那么经 过固结后，它的强度随有效应力的增大而增加，反之，如果土层没有排水固结， 则随荷载的增大，它的强度可能随剪切变形的增大而衰减。根据统计分析，软土 在深度l o m 以内的平均十字板剪切试验强度一般为5 2 0 k p a ，深度每增加l m ， 其强度平均增加i 2 k p a 。 ( 8 ) 软土的灵敏度高，灵敏度一般在2 l o 之间，有时大于l o ，特别是海相 沉积的软土，一旦受到扰动( 振动、搅拌或搓动等) ，其絮凝状结构受到破坏，土 的强度将明显下降，甚至产生流动状态。软土受到扰动后强度降低特性一般常用 灵敏度来表示。因此，在高灵敏度粘土地基上进行地基加固或开挖基坑时，应力 求避免土的过分扰动。另一方面，软土扰动后，随着静置时间的增长，其强度又 会逐渐有所恢复，但一般不能恢复到原来结构的强度。 ( 9 ) 一般具有较大的吸力或吸附力。研究表明，软土对建筑物的吸力由三部分 组成，即软土与建筑物底面的粘结力、真空负压( r p 负的孔隙水压力) 和软土对建 筑物侧面的摩阻力。其中，真空负压是最主要的因素。 ( 1 0 ) 流变性十分显著。在剪应力作用下，土体产生缓慢的剪切变形，剪应力 越大，剪切变形越明显，当剪应力达到一定值后，长期作用下土体可能会剪坏。 此时的剪应力值一般小于常规试验方法得到的抗剪强度值，该值称之为长期抗剪 强度，它一般为常规试验方法抗剪强度的4 0 8 0 ，而且土的塑性指数愈大， 其值愈小。考虑到土的流变性，一般可将常规试验得到的抗剪强度值适当降低。 ( 1 1 ) 构造较复杂。例如，滨海相沉积的软土层，由于受潮汐水流等因素的影 响，其上部往往形成厚度达3 m 以上的所谓“硬壳层”，下部则为夹粉细砂透镜 体的淤泥质土或夹粉砂的层状淤泥质土，有时局部有薄的泥炭层。而三角洲沉积 的软土层则往往为淤泥质土与薄砂层的交错层。对于湖泊沉积的软土层而言，由 于沉积过程受季节性的影响较大，因此下部软土层的淤泥质土与粉砂的层状构造 更为明显，有时还存在较厚的泥炭层，从而造成软土层在构造上具有各向异性和 成层性的特点。 由于具有以上的工程性质，因而，软土的主要工程地质问题是地基沉降和稳 定性。 2 4 软土的变形特性 土体的变形性质十分复杂，它随着土的种类和状态以及外界条件而有很大变 化。软土除了具有一般土体的各种变形特征外，还有其自身的特点，概括起来有 以下几点： ( 1 ) 变形量大 第二章软土蠕变问题的机理和特性 从软土的一般工程特性可知，其孔隙比e 大于1 0 ，受力后压缩量自然较大。 有些软土含水量达6 0 甚至更多。更有泥炭类的软土含水量高达2 0 0 5 0 0 ， 土体大部分由水构成，荷载一加，水从孔隙中挤出，土就像泡沫塑料一样被压扁。 ( 2 ) 压缩稳定所需时间长 软土的颗粒组成以粘粒为主，尽管孔隙比大，但单个孔隙却很细，水在孔隙 中流动较难，因此渗透性很低，渗透系数一般为l o - t c m s 或1 0 4 c m s 的量级。饱 和土受荷后，水不能很快排出，变形也只能慢慢发展。在地基中，这一变形过程 常延续数年，乃至数十年。 2 5 软土的流变特性 通常情况下，材料的流变是指在应力不变的条件下，变形随时间变化的性质， 其中时间效应是流变的主要特征。对土体而言，从微观上来说，其变形是由于外 在荷载的作用迫使孔隙中的水、气被挤出，土颗粒重新排列而产生的变形。由于 土颗粒与孔隙中流体间的摩擦作用，孔隙流体的排出受到阻碍，土体的变形延滞； 同时，土的流变主要是由于土粒表面结合水的排出引起的变形，结合水的粘滞性 也使土体的变形是一个随时间变化的过程。因此土体尤其是软粘土比其他材料更 有明显的流变性质。 在实际工程中，士体的流变现象表现为：蠕变，即恒定应力作用下变形随 时间发展的现象；应力松弛，即变形恒定的条件下，应力随时间逐渐减小的现 象。土的流变特性将影响软土地基排水预压的加固效果，若软粘土的流变性质明 显，则次固结沉降会很大，而预压加固法无法消除后期的次固结沉降。 在实际工程中岩土的蠕变特性又是最受到关注的，因此，本文从研究软土的 流变特性出发，重点研究其蠕变特性。 岩土的蠕变特性可以通过单轴或三轴压缩、单剪、扭转或弯曲等蠕变试验研 究获得。试验表明：在长时间恒荷载的作用下，岩土的典型蠕变曲线如图( 2 1 ) 所示。变形等于承受荷载后立即产生的瞬时弹性变形与随时间发展的变形之和， 即 s=e。+(f)(21) 第二章软土蠕变问题的机理和特性 o i iu 2 p 款 秆 c 妄 o g 图2 - 1 变形随时间变化的蠕变曲线 a 一衰减蠕变b 一非衰减蠕变 岩土的蠕变可分为二种情况： 第一种情况，称为衰减蠕变过程。变形( f ) 以减速发展，速度最后趋于零， 既如d t - 9 0 。而其变形值( f ) 趋向于与荷载值有关的某一稳定s = 常量，其与 载荷大小、岩石性质、围压等因素有关。 第二种情况，称为非衰减蠕变过程，岩土体中的应变随时间逐渐增长，并不 趋于某一稳定值，达到某一阶段应变率急剧增加，最后导致破坏。非衰减蠕变是 在岩石试件上施加某一定荷载后岩土立即产生瞬时弹性应变瓦( o a 段) 。若荷 载保持恒定且持续作用，应变则随时间继续增长，此时已进入蠕变变形阶段，它 一般包括三阶段。 第1 蠕变阶段( b 的a b 段) 或称为衰减阶段。蠕变曲线的斜率逐渐变小， 其应变率随时间迅速递减，变形以减速发展。当达到b 点时，则应交率处于本 阶段的最小值。若在此段中( 曲线上某点e ) 进行卸载，则应变e 沿着曲线e f g 下降，最后应变为零。其中e f 曲线为瞬时弹性应交e 之恢复曲线，而f g 曲线 表示应变随时间逐渐恢复为零，在卸载后应力立即消失，而应变不与应力同步恢 复，而总是落后于应力，随时间逐渐恢复。具有这种特性的弹性变形称为滞弹性 或弹性后效。 第蠕变阶段( b c 段) 或称稳定蠕变阶段。蠕变曲线近似一倾斜直线，应 变速率大体恒定不变= 常量，一直随时间发展持续到c 点。若在此段内任意点 h 进行卸载，则应变沿曲线h i j 逐步恢复趋近于一渐进线，最后保留一定永久应 变 。 第蠕变阶段( c p 段) 称为加速蠕变阶段。应变率由c 点开始迅速增加， 达到p 点，导致岩土的破坏( 脆性的或粘质性的破坏) 。此段还可分成两段：发 第二章软土蠕变问题的机理和特性 育着塑性变形但未引起破坏的阶段( c d 段) 和微裂隙强烈发展导致变形剧增和 引起破坏的阶段( d p 段) 此阶段又称破坏阶段。 任一蠕变阶段的持续期间，决定于岩土的性质和荷载值。问种岩土，荷载越 大，第蠕变阶段阶段的持续时间越短，第蠕变阶段出现越快。在很大荷载 下，几乎在加载之后立即产生破坏。在中等荷载下，所有的三个蠕变阶段表现得 十分清楚。 无论是衰减蠕变还是非衰减蠕变，界限关键在于岩土的蠕变极限应力，亦即 长期强度。若岩土体中的应力小于极限应力，将产生衰减蠕变，即使时间继续增 长也不能产生破坏，反之，若岩土体中的应力等于或大于极限应力，岩体才能由 蠕变变形导致破坏。 2 6 体的流变试验 岩土的蠕变试验是由实验决定的，岩土试验的特点要求应力保持为恒定的条 件下，长时间的测试应变状况。 岩土在自然条件下，随地质环境应力场的变迁，蠕变过程为漫长的地质历史 时期。室内试验受技术条件所限，试验时间甚短，将室内试验数据外推到长时间 范围中去，关键是利用试验资料，选择蠕变方程，确定蠕变参数，评价岩土流变 特性，预报岩土工程随时间变化的性状。 岩土试验的方法常用的有单轴弹簧压力试验机，杠杆压力机，还有三轴蠕变 仪，可以测试在围压作用下的蠕变试验。 岩土的蠕变试验，加荷方式可分为两种： 第一种：恒定荷载试验，采用一组同样的试样，施加恒定荷载( 但对每一试 样可用不同荷载) 。因岩土各试样性质很难相同，试验数据的离散性将很大。但 恒载试验结果比较可靠，不受加载状况的影响。 第二种：梯级荷载试验，采用一个试样，施加梯级增长荷载，每级延续f 时间，各级加荷血时间，可以是恒定也可以由衰减蠕变阶段转变为变形稳定( 在 该级荷载作用下) 为止。因只用一个试样，试验的离散性较小。但实验时间要求 很长；且阶梯加载试验在变形过程中在变形过程中，特别是土与软岩的硬化作用， 上一级荷载对于下一级变形有所影响。按叠加原理，随时间变化的荷载所引起的 蠕变变形等于用各级应力增量引起的变形之和。设荷载为梯级增加，荷载增量 a o r j = 盯，一q 。，在，l ，毛，岛时刻加上，每级荷载所作用的时间为越= 一“， 因此每级荷载增量在变形过程中所作用时间为，f ，= f t , - 。( 图2 - 2 ) ，则按叠加原 理，在应力差盯。一q 作用下，变形等于荷载增量a o r 。作用下的变形增量总和。 第二章软土蠕变问题的机理和特性 o o 8 0 6 o q t - = t u t l = t u q t i ；t 一 t