软土一维非线性固结理论与试验对比研究

【摘要】： 非线性是软土所固有的复杂特性之一。历经五十年的发展,非线性固结理论研究已经取得了较为丰富的成果,但关于土体非线性渗透模型与压缩模型的选定及其参数确定、以及应力历史影响等问题仍然是困扰非线性固结理论应用和发展的难题。本文通过室内试验与理论分析,对正常固结以及超固结软土的一维非线性固结理论进一步开展了较系统深入的研究。主要内容和创新工作包括: (1)详细介绍了GDS高级固结仪的系统组成、功能特性以及试验原理和操作步骤,并利用该系统对萧山软黏土进行了分级加载固结渗透试验、压缩-回弹-再压缩的固结渗透试验、超固结土的单级加载和平行试验以及CRS固结试验。基于试验结果,总结出适用于萧山正常固结软黏土的4种非线性渗透模型和3种非线性压缩模型;进一步研究了超固结土的非线性渗透和压缩特性,发现超固结土与正常固结土的区别不仅表现在压缩性方面,也表现在渗透性方面;并获得了萧山软黏土相应于常用非线性渗透和压缩模型的参数取值范围。 (2)通过CRS固结试验与常规固结渗透试验的结果对比,验证了采用CRS非线性固结理论测定固结模型参数的可靠性,表明了CRS固结试验具有大大缩短固结试验时间、连续加载测点精确、减少土样扰动等优点,有着良好的应用和推广前景。 (3)基于总结出的双曲线模型、lge-lgσ′模型等3种非线性压缩模型和Davis假定,建立了相应的正常固结软土一维非线性固结方程,并首次给出了瞬时加载和逐步加载条件下的解析解。同时将各解析解与现有Davis解、Terzaghi解等进行了综合比较,并分析了软土的一维非线性固结性状。 (4)引入lge-lgσ′分段压缩和lge-lgk_v分段渗透模型,以及e-lgσ′分段压缩和e-lgk_v分段渗透模型,首次建立了能综合考虑超固结土在渗透性与压缩性两方面分段差异性的超固结软土一维非线性固结半解析解,并编制了相应的计算程序ODNCALOS-Ⅲ和ODNCALOS-Ⅳ。通过与本文及现有非线性固结解析解的对比,验证了半解析解和程序的正确性。进而利用所编程序,对超固结软土一维非线性固结性状作了较为深入的研究。研究表明:荷载大小、先期固结压力、土体压缩性和渗透性的变化等都对超固结土的非线性固结性状有明显的影响,其中超固结阶段和正常固结阶段的渗透指数比值C_(ke)/C_k仅影响土体的固结速率,而不影响最终沉降;不考虑超固结土与正常固结土在渗透性方面的差异,将会高估超固结土的固结速率。 (5)利用本文建立的非线性固结半解析理论对萧山软黏土试样的固结过程进行了全程模拟计算,并将计算结果与试验实测值进行了对比分析;同时还将利用本文解析解和半解析解模拟计算获得的理论曲线与试验实测曲线进行了综合比较。结果表明:基于e-lgσ′分段压缩和e-lgk_v分段渗透模型建立的半解析理论和程序ODNCALOS-Ⅳ对萧山软黏土更适合;综合考虑了土体的非线性压缩和渗透特性的半解析解,比假定固结系数为常数的解析解,与试验实测曲线更接近。 本文所开展的基于GDS高级固结仪的固结渗透试验和CRS固结等试验及其相关研究,为软土非线性参数的合理测定提供了较为可行的技术;给出的基于双曲线等3种非线性压缩模型的瞬时加载或逐步加载条件下正常固结土的一维非线性固结解析解,为非线性固结问题各种数值解法的验证提供了更多直接有效的工具;建立的超固结软土一维非线性固结半解析解以及编制的计算程序首次考虑了超固结土在渗透性方面与正常固结土的区别,从而进一步发展和完善了软土的非线性固结理论。