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在我国东部沿海地区,过量抽取地下水、城市不合理建设引发了严重的地面沉降,地面沉降同时还引起海平面相对上升。除压缩开采量外,加快地下水人工回灌,对减轻地面沉降具有显著效果。开采与回灌地下水、降雨和潮汐等作用会导致地下水位出现大幅波动。在地下水位反复下降与回升的状况下,软土层处于软塑到流塑状态,会发生明显的沉降变形与可能的回弹变形。
本文以上海地区滨海相沉积软土为研究对象,针对沿海地区地下水位大幅波动的特性,以“水位波动作用下软土的变形强度特性”为核心,通过原位力学试验、固结-渗透联合测定试验和水位波动模型试验,分析研究了地下水位波动带内软土的变形、强度以及渗透特性。本文的主要研究内容及结论如下:
(1)基于现场钻探、静力触探试验、预钻式旁压试验、扁铲试验、十字板剪切试验及现场注水试验等原位测试资料,综合分析了上海地区滨海相沉积软土的原位力学特性。分析结果表明浅部滨海相沉积软土的抗剪强度低,灵敏度高,压缩性高而透水性差,是工程设计施工关注的重点地层。
(2)对K0固结仪进行了改装,通过在压力室两端设置陶土板和半透膜材料,利用GDS体积压力控制器施加和量测孔隙水、气压力,改装后的K0固结仪实现了饱和或非饱和土的固结-渗透联合测定的功能。
(3)利用固结-渗透联合测定试验装置,对上海地区原状软粘土、重塑软粘土及粉土试样进行了固结-渗透联合测定,分析了地下水位波动带内不同土性、荷载状态以及水头变化对软土变形及渗透特性的影响规律。试验结果表明,原状软土的压缩性明显高于重塑软土和粉土;在水头渗流作用下,原状与重塑软土试样的变形速率均有所加快,且渗流水头越高,软土的变形越大;软粘土及粉土的初始孔隙比越大,其有效应力相应越小,固结压缩特性和渗透特性相应越高;通过对孔隙比e与渗透系数k的关系曲线进行拟合,得到了e-k关系表达式和反映土体渗透性强弱的固结-渗透联合测定试验参数。
(4)利用沉降柱试验装置模拟水位波动对软土变形性状的影响,对不同水位波动次数作用后的软粘土试样进行了高压固结试验、直剪试验和三轴试验,分析了软土在水位波动作用下的变形和强度特性,并得到了相应的强度衰减规律。试验结果表明,随着水位波动次数的增加,软粘土试样的孔隙比、压缩系数均相应增加,而压缩模量、强度及强度指标均有所减弱。
(5)利用自制的固结模型试验装置,开展了荷载与水位波动耦合作用下的粉土固结模型试验研究。实时测试了粉土减饱和-增饱和时段的变形、土压及孔压的变化情况。并在各级荷载与水位波动耦合下土样固结变形稳定之后,分别取样进行了三轴试验和固结-渗透联合测定,分析了荷载与水位波动耦合作用下粉土试样的变形、强度和渗透特性。