软土流质流变与固结耦合的试验与理论分析

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软土广泛分布于沿海地区,其具有显著的流变性质,流变对土体长期强度和变形特性具有重要影响。基于物质成分对软土流变性质影响的试验研究发现,软土流变主要由土中有机质、氧化物、结合水膜以及被结合水包裹的微小粘粒等高黏滞性物质(称为流变物)的剪切黏滞流动引起,由此引起的流变被称为“流质流变”。本文采用试验与理论分析相结合的方法,对软土流质流变与固结耦合的变形特性及其相互影响的内在机制开展研究,文中制备了一系列具有不同流变物种类及含量的软土试样,分别进行直剪流质流变试验和流质流变-固结耦合试验,分析影响土体流质流变特性的主要因素及其作用机理,引进多元件流变模型建立了直剪流质流变以及流质流变-固结耦合的分析方程,可统一地采用一组模型参数确定具有不同流变物种类及含量的土体在不同荷载下的流质变形及流变性质。此外,基于剪切力对矿物颗粒表面吸附水势垒的影响作用机理,由“剪切迁移排水”蠕变机制解释了土体长期流变排水现象;在矿物颗粒表面水分子吸附势能的分子动力学模拟结果基础上,利用速率过程理论推导出土体“剪切迁移排水”蠕变方程。基于以上研究工作,取得了如下几方面成果:(1)具有不同流变物含量软土的直剪流质流变特性分析表明:剪切荷载作用下,土中流变物先产生变形和流动,而后“带动”土颗粒运动直至流变破坏;土中流变物含量越多,越容易“带动”土颗粒运动,宏观上表现为较小的蠕变应力阀值和粘塑性粘度。(2)基于流变物含量和荷载等级对软土直剪流质流变特性的影响规律,引入幂函数形式的非线性弹簧改进村山朔朗模型,并将其与Binham体串联建立软土流质流变模型;模型包含反映流变物含量影响的参数,可统一地采用一组模型参数描述具有不同流变物种类和含量的软土在不同应力水平下的直剪流质流变特性。(3)基于软土流质流变-固结耦合变形特性分析,建立了变参数的软土流质流变-固结耦合模型,其中针对土体流变-固结过程中结合水膜特性及孔隙特征演化规律,给出了模型参数随有效应力变化的表达式;该模型可以描述软土流质流变-固结耦合特性的非线性变化过程,模型计算结果与试验结果相符,且模型计算参数与土中流变物含量高度相关。(4)土体“剪切迁移排水”蠕变方程计算结果与试验结果具有良好的一致性,对土体“剪切迁移排水”蠕变机制作出了自洽性检验。
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