软黏土的动力特性与固结理论研究

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随着国家海洋强国战略的推进,我国海洋工程快速发展。舟山群岛扼守我国东海大门,由于其特殊的地理位置,大批海岛建筑工程也相继上马,如在舟山群岛新区,舟岱跨海大桥、渔山岛绿色石化基地、即将开建的甬舟铁路工程等正在全面实施。然而,在复杂多变的海洋环境下,海相软黏土的力学行为极易受到地震、波浪、交通等动荷载的影响,从而造成土体稳定性下降,给工程建设和海洋基础设施运营带来巨大威胁。由于软黏土的特殊物理性质,同时兼具黏性和弹性,属于黏弹性土质,主要表现为流变性的特征。对于土体的固结理论的研究,最早由太沙基提出经典一维固结理论,但该理论具有一定的局限性,因此国内外学者基于该理论做了大量的完善和研究,发展至今已有了较好的研究成果。但针对于特殊土质软黏土的固结理论研究中,还未得到确定可靠的结论。因此本文加强探究海洋软黏土地质层在循环荷载作用下的动力特性具有十分重大的现实意义,并结合本次针对软黏土得到的动三轴实验结果,进一步探究饱和软黏土的一维固结问题,既可以完善软黏土的一维固结理论,同时也可为海岛地区基础设施建设和经济发展提供必要的技术与理论支持。主要工作与成果如下:1.基于WillE公司研制生产的动三轴仪,采用应力控制加载方式进行了室内动三轴试验。开展了循环荷载作用下舟山群岛海相软黏土的动应变、累积动孔压及动弹性模量受循环荷载次数、循环应力比及围压变化影响的相关试验研究。此外,将得到的动应变随循环次数以及动弹性模量随动应变的变化规律试验结果,分别采用Monismith幂率模型和H-D修正模型进行拟合并取得了一致的拟合结果。2.将原状土样和不同循环应力比加载后的土样分别进行电镜扫描试验,结合电镜扫描结果,分析了土颗粒的内部微观结构以及连接方式。根据不同循环应力比加载后的土样微观扫描结果,解释了舟山海相软黏土在不同循环荷载作用下的微观破坏机理,给出了土样在动荷载加载后刚度软化的微观机理解释。3.在双面半透水边界条件下,采用分数阶黏壶元件修正的黏弹性Kelvin模型,结合Laplace变换方法,求得了任意波形循环荷载作用下的黏土的一维固结理论方程的半解析解。将本文修正的黏弹性Kelvin模型模型分别退化为Terzaghi模型和双面透水边界条件,将得到的结果与文献结果对比,一致的对比结果验证了本文修正模型的可行性和正确性。4.针对饱和软黏土,结合引入黏壶元件改进的分数阶Kelvin模型,考虑不同波形循环荷载作用下的特点,利用Laplace变换以及crump反演法推导得到其一维固结半解析解。详细地分析了顶面边界参数、分数阶阶数、黏滞系数以及压缩模量等因素对饱和软黏土固结沉降以及孔隙水压力的影响,给出了饱和软黏土的固结沉降机理。
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