非线性流变结构性软粘土弹粘塑性固结理论及砂井地基沉降计算

摘要

我国东南沿海广泛分布着海相沉积软粘土，软粘土流变性和结构性对固结有重要影响，给地基基础工程设计与施工带来困难，是岩土工程领域研究的重要课题。本研究是导师申请的国家自然科学基金项目“控制工后沉降地基设计理论与方法研究”(批准号50279021)的子课题。本文研究主要内容如下：(1)阐明软土非线性流变与结构性研究重要意义及国内外研究现状，并从理论、试验和数值模拟对流变和结构性软土本构模型分析研究。 (2)对Yin&Graham时间线模型进行修正，提出参考应力即初始有效应力随深度变化，修正后模型考虑荷载、土渗透性及初始有效应力随深度变化，用修正后Yin&Graham模型建立软粘土非线性流变一维固结方程，运用多层地基一维固结解析解和叠加原理推导出成层地基一维弹粘塑性固结问题半解析解，得出地基平均固结度、某时刻地基沉降及总沉降计算表达式。 (3)以Yin&Graham时间线模型为基础，分析应力应变时效关系，将结构屈服应力运用于土固结分析，通过提出合理假设推导考虑土结构屈服应力的屈服准则，建立一个非线性流变结构性软粘土一维弹粘塑性固结模型，运用叠加原理推导出半解析解并给出有限差分解法；新建模型考虑应力应变与时间相关、粘滞性变形引起结构屈服压力增加和结构屈服压力的应变速率效应；运用新建模型与Yin&Graham模型及限元程序PLAXIS中Soft-Soil-CreepModel模型比较、Lerouieletal.和Imaietal.实验结果对比分析，验证新建模型合理性并阐述土结构性及流变性对软土固结影响。 (4)新建模型计算需要初始孔隙比e0、渗透系数k、再压缩系数Cεr、压缩系数Cεc、次固结系数Cεα、加载前初始有效应力σ0、结构屈服压力σref和达到结构屈服压力的应变速率εref等八个基本参数。 (5)采用新建模型，分析结构性、结构强度、再压缩系数、次固结系数、荷载增量大小、渗透系数、加荷速率、固结层厚度、自重应力随深度变化等各种因素变化对地基孔压消散、沉降以及固结度的影响。 (6)根据Schertmann和Nagaraj等人实验成果及软土结构性试验，提出结构性软土三段式压缩曲线：弹性压缩段、结构破损突降段、正常压缩段。利用该模型选择合理结构屈服应力及压缩性指标，提出扰动及结构性影响软粘土砂井地基固结度、沉降及附加沉降计算方法。 (7)采用新建模型和扰动结构性软土计算方法，对深港西部通道一线口岸软土地基塑料排水板堆载预压工程进行数值模拟，说明新建模型的有效性和实用性；阐明扰动及结构性和粘滞性效应对软粘土固结的重要影响。