考虑渗流影响的软黏土动力特性试验研究

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随着“十三五”现代综合交通运输体系发展规划的提出,中国交通基础设施“十横十纵”多层次的网络规模进一步扩大,尤其是较为发达的沿海地区,交通设施建设覆盖面积最广,密度最大。然而,沿海地区广泛分布着软黏土,软黏土具有高孔隙比、高压缩性、高含水率、低渗透性、低抗剪强度的“三高两低”不良工程性质,导致交通设施地基在循环荷载作用下稳定性大大降低,甚至威胁到交通设施的正常安全运营。此外,沿海地区降水丰富,地表水系发达,引起地下水运动活跃,土体内孔隙水的渗流运动显著,这在一定程度上对软黏土地基的工程特性也产生影响。因此,研究考虑渗流影响的软黏土动力特性是工程建设和日常维护的必然需求,对预防和控制地基的不稳定发展,提供灾变应对策略具有重要意义。本文以天津滨海地区饱和软黏土为研究对象,通过一系列GDS排水动三轴试验、SEM扫描电镜试验和压汞试验,分析了渗透压、固结围压、动应力比、振动频率和振次对软黏土动力特性的影响,得到了动渗耦合场下软黏土的动力变形特性、刚度动态发展特征和渗透性变化规律,并从微观角度定性定量揭示了考虑渗流的软黏土宏观力学特性的内在原因。研究结果表明:(1)渗流作用下软黏土动力变形有两种发展模式:渐稳型和发展型,且每种发展模式下塑性变形有三个发展阶段:瞬时增长阶段、减速增长阶段和稳定发展阶段(渐稳型)或线性增长阶段(发展型),这与渗透压、动应力比和振动频率大小有关。考虑渗流影响的软黏土动力变形比不排水动应力场中的变形大,且振动频率越低,差异性越明显。动渗耦合场中,累积塑性应变随渗透压和动应力比的增大呈指数增长,而随振动频率的增大呈幂函数减小。在Monismith指数模型的基础上,建立了考虑渗透压、固结围压、动应力比和振动频率的软黏土塑性变形预测模型,该经验模型可以很好地预测渗流影响下软黏土的动力变形。(2)考虑渗流的软黏土动弹性模量随振次增加先快速增大后缓慢减小,但减小程度很小。考虑渗流的软黏土刚度比不排水动应力场中的刚度大,但随着振动频率增大,渗流对刚度的影响减小。软黏土动弹性模量与渗透压、动应力比和振动频率有关,且随渗透压和振动频率的增大而减小,随动应力比的增大而增大。引入动弹性模量估算参数δ,不同渗透压下根据土体变形的大小,参数δ与累积塑性应变存在两种定量关系:幂函数关系(1%)和二次多项式函数关系(>1%);不同动应力比下,参数δ与累积塑性应变的对数呈线性减小关系;不同振动频率下,参数δ与累积塑性应变呈线性减小关系。SEM图像显示,考虑渗流影响的软黏土土骨架结构性更强,土团粒间的连结作用强,且孔隙的连贯性好,大孔隙较多。(3)循环荷载作用下,软黏土渗透系数发展有两个阶段:快速衰减阶段和稳定发展阶段,两阶段的分界点在2000振次附近,且第一阶段内渗透系数衰减量能达到90%。10000振次后,渗透系数减小量随渗透压的增大呈指数减小,随动应力比增大线性增长,随振动频率的增大呈幂函数减小。压汞试验定量分析得到的软黏土孔隙结构特征表明,孔隙总体积越大,峰值孔径及其含量越大,对应的渗透系数越大,表明土体的渗透性较好。
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