湖相沉积泥炭质土蠕变特性及模型研究

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泥炭质土是由有机残体、腐殖质和矿物质组成的一种工程性质极差的特殊软土,其具有天然密度小,含水率高、有机质含量高、孔隙比及流变性大、强度低、空间变异性大、有机质和水膜连接的架空结构等特点,在含此类土层场地上进行工程建设,常常会出现建(构)筑物倾斜、路面工后沉降过大、地下连续墙侵线等工程问题,而这些问题往往是由于泥炭质土的蠕变特性引起的。因此对泥炭质土的蠕变特性进行研究,构建准确有效的评价计算模型,对泥炭质土地区的工程建设具有重要的理论和实践指导意义。国内外虽有部分关于泥炭质土的蠕变特性及模型的研究,但是泥炭质土受区域性气候、水文地质等条件的影响,其纤维和有机质含量、物质组成成分以及分解度等各有不同,因此其蠕变特性也有差异。为更好的研究昆明泥炭质土的蠕变特性,本文以昆明市轨道交通5号线渔村停车场与锦慧中心的泥炭质土为研究对象,通过取样分析、室内土工试验、固结蠕变试验以及三轴固结不排水剪切蠕变试验等,对泥炭质土的蠕变特性进行系统分析研究并建立相应的蠕变模型。主要研究内容与成果如下:(1)从形成环境、地质条件、矿物成分与应力历史等角度对泥炭质土进行分析研究,并开展了一系列基本物理指标试验,分析泥炭质土的高压缩性、高含水率、高有机质含量等特性;通过固结试验确定了泥炭质土的先期固结压力,明确两取土场地土层固结状态均属于欠固结;从X射线能谱分析泥炭质土的矿物成分主要源于石英、高岭石、绿泥石及伊利石等矿物,由于伊利石、蒙脱石为主的黏粒具有极强的亲水性,使泥炭质土具有亲水性和高压缩性。(2)对锦慧中心泥炭质土进行一维固结蠕变试验,分析其蠕变试验曲线关系,探讨其分别加载方式下的蠕变特性:泥炭质土在一维条件下蠕变表现为衰减型;从等时曲线或双对数坐标曲线分析可知,泥炭质土的蠕变变形表现出非线性特征;其次固结系数与固结压力成三次非线性关系。对试验后土样进行电镜扫描可知,泥炭质土含有大量有机质与植物残体形成的胶体含有大量的水分,从而导致泥炭质土微观结构比较疏松,但土样受到压力的挤压,土颗粒间产生微破坏面,原无序排列变为定向排列,颗粒间的空隙整体减小而小空隙增多,胶体的水分流失,黏聚力逐渐变强,蠕变速度变缓慢。(3)对渔村停车场原状土与重塑土试验土样进行三轴固结不排水剪切蠕变试验,分析其三维应力下的蠕变特性,从应变时间全过程曲线可知:原状样当围压为50k Pa及100k Pa时,在各级偏应力作用下,蠕变曲线都表现为衰减型,而当围压为200k Pa,偏应力为129k Pa时,表现为非衰减蠕变;对比原状样与重塑样蠕变曲线,重塑土样进入等速蠕变阶段较快,且当围压相同条件下,每级荷载条件下的轴向应变皆比原状样大,这是因为重塑样原状结构被破坏,土中含有大量裂隙,在荷载作用下这些裂隙不断发展,当荷载增加大于其抗剪强度时土样快速发生破坏。原状样与重塑样的应力-应变等时曲线均随应力水平的提高逐渐向应力靠拢,表现出非线性特征,可知分级加载会提高泥炭质土抵抗剪切变形的能力。(4)基于固结蠕变试验,将其蠕变变形分为线性与非线性两部分,分别采用Merchant线性蠕变模型与幂函数经验模型,建立了泥炭质土一维固结蠕变的半经验半理论模型;通过分析三轴固结不排水蠕变试验条件下泥炭质土的应变时间关系,在一维广义Kelvin模型推导出三维状态下的广义Kelvin蠕变方程,并在传统的Maxwell模型中引入分数阶导数定义,建立三维广义Kelvin模型和改进的分数阶Maxwell模型,并与试验值进行对比,理论拟合数据与试验数据吻合度较高,模型能够较好地描述泥炭质土的蠕变特征,且参数较少,利于在工程中推广。
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