淡水溶脱过程中连云港海相沉积软黏土工程性质演化与本构行为表征

【摘要】：在最近20年间,随着我国沿海大开发战略的制定和实施,各种基础设施大量修建在沿海地区,其广泛存在淡水溶脱现象。淡水溶脱会大幅度提高沿海沉积软黏土的结构灵敏性(即溶脱致敏效应),进而引发一系列工程灾害,比如极高的结构灵敏性使得挪威和哥伦比亚沿海地区的土质边坡经常发生失稳滑塌现象。截止目前,关于软黏土的溶脱致敏机理并不清楚。为了回答以上问题,本文将江苏连云港海相沉积软土区作为天然的试验场地,然后开展了一系列现场地质调查、室内试验、数值模拟以及本构理论研究。基于上述分析手段,旨在研究以下几个方面的内容:(1)查明并验证软黏土的溶脱致敏机理;(2)构建与土体结构性(灵敏度)密切相关的软黏土压缩回弹模型;(3)提出定量表征方法以预测淡水溶脱过程中海相沉积软黏土的灵敏度演化;(4)建立考虑溶脱致敏效应的天然沉积软黏土的本构模型。全文主要结论如下:(1)淡水溶脱过程是一个开放体系。在这种体系中除了孔隙水盐分淋滤(孔隙水盐分浓度降低),还存在胶体颗粒(粒径在500-1000 nm之间)的内侵蚀。淡水溶脱(盐分淋滤与胶粒内侵蚀共同作用)不会改变软黏土的天然含水率和塑限,但是却会降低其液限和塑性指数,进而导致软黏土液性指数增加。由于液性指数与重塑土体不排水剪切强度之间存在负相关性,因此淡水溶脱会减低重塑土的不排水剪切强度,考虑到原状土体强度不发生变化,所以土体的灵敏度增加。(2)淡水溶脱过程受水化学与黏土矿物之间的相互作用影响和控制。在淡水溶脱前期随着土体内部孔隙水盐分逐渐降低,胶粒表面水膜变厚,其呈现分散状态,因此胶粒容易释放,导致土样内部的渗流通道逐渐扩大,进而加速胶粒的释放和内侵蚀。在淡水溶脱后期随着孔隙水盐分含量的持续减小,胶粒大量释放,其又会反向堵塞试样内部的渗流通道,进而抑制胶粒的内侵蚀。当土体内部孔隙水盐分含量趋于0后,随着淡水的持续溶脱,土体内部只存在胶粒内侵蚀这一行为。(3)淡水溶脱(盐分淋滤和胶粒内侵蚀共同作用)虽然使得土体的结构变得更加灵敏,但是却不能改变软黏土在弹性加载和弹性卸载阶段的压缩回弹特性。淡水溶脱会诱导软黏土在弹塑性加载阶段的小应力区域出现较大的压缩变形,然而随着应力的增加(即弹塑性加载阶段的大应力区域),溶脱致敏效应消失。基于上述特性,本文构建了考虑溶脱致敏效应的软黏土的压缩回弹模型。(4)利用COMSOL Multiphysics数值仿真软件模拟淡水溶脱过程。模拟结果揭示了淡水短期溶脱过程中孔隙水盐分淋滤和胶粒内侵蚀会共同发生,而长期溶脱过程中只存在胶粒内侵蚀这一行为;建立了软黏土内侵蚀与软土基本工程参数之间的关系,提出了定量表征方法以预测软黏土灵敏度以及其他物理力学参数(液塑限、塑性指数、液性指数、原状土和重塑土的不排水剪切强度)的长期演化。(5)建立了考虑溶脱致敏效应的天然沉积软黏土表征模型,对比计算和试验结果验证了所提模型的有效性和准确性。同时将所提模型用于具体的工程案例分析验证了其实用性。最后本文绘制了江苏连云港区域海相沉积软黏土的灵敏度分区图,以便服务工程前期规划。