非飽和土體變?cè)囼?yàn)研究及其在地面沉降中的應(yīng)用.pdf

1、非飽和土是一種由固相、液相和氣相所組成的三相土。非飽和土在實(shí)際工程中分布十分廣泛，其工程特性相對(duì)于飽和土要更為復(fù)雜，理論尚不完善。在非飽和土力學(xué)中，非飽和土體變理論一直是非飽和土理論研究的一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容，體積變化的本構(gòu)方程將變形狀態(tài)變量與應(yīng)力狀態(tài)變量聯(lián)系起來。由于非飽和土含有固相、液相和氣相，使得非飽和土的力學(xué)性質(zhì)相對(duì)于飽和土要更為復(fù)雜。在試驗(yàn)中，試樣孔隙水壓和氣壓的控制和測(cè)量較為復(fù)雜，非飽和土試驗(yàn)資料仍然十分缺乏。并且，非飽和土力學(xué)

2、在實(shí)際工程的應(yīng)用中還明顯落后于理論的發(fā)展，許多工程師仍然采用傳統(tǒng)的飽和土理論來解決非飽和工程問題。如何進(jìn)一步完善非飽和土理論，將傳統(tǒng)的土力學(xué)理論發(fā)展為廣義的土力學(xué)理論，并在實(shí)際工程中得到應(yīng)用和推廣是非飽和土力學(xué)領(lǐng)域工作者的一個(gè)重大挑戰(zhàn)。因此，本文利用GDS非飽和三軸儀在分別控制試樣凈平均應(yīng)力和基質(zhì)吸力條件下開展了大量試驗(yàn)研究?；谠囼?yàn)研究結(jié)果，根據(jù)非飽和土力學(xué)理論提出了可以全面考慮非飽和區(qū)和飽和區(qū)沉降變形的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)地下水位的降低引

3、起地面沉降問題進(jìn)行了詳細(xì)分析和研究。本文的工作主要包括下列內(nèi)容。 (1)利用高進(jìn)氣值壓力板儀對(duì)非飽和重塑砂土、粉土、黏土和粉質(zhì)黏土開展了土水特征曲線試驗(yàn)，并結(jié)合試樣收縮曲線，考察了四種類型土體干燥收縮過程中在凈平均應(yīng)力σ<,m>-u<,a>=0 kPa 條件下基質(zhì)吸力和孔隙比關(guān)系。一般認(rèn)為，屈服吸力s<,0>將土體收縮過程分為彈性和彈塑性兩個(gè)階段。但試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)試樣基質(zhì)吸力達(dá)到某一特定值后，基質(zhì)吸力的增大不引起試樣的進(jìn)一步收

4、縮變形，本文稱此吸力為縮限吸力s<,s>。因此，屈服吸力和縮限吸力可將整個(gè)收縮過程分為三個(gè)階段，即彈性階段、彈塑性階段和縮限階段。通過理論分析可知縮限吸力s<,s>可假定為試樣的縮限含水率在土水特征曲線中所對(duì)應(yīng)的基質(zhì)吸力，試驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了假設(shè)的正確性。試驗(yàn)結(jié)果表明，不同類型土的縮限吸力大小并不相等，試樣的塑性指數(shù)越大，縮限吸力也越大。并且在干燥收縮過程中，當(dāng)飽和度在減小至0.90過程中試樣孔隙比迅速減小，試樣的收縮變形基本在此階段完成；

5、當(dāng)試樣飽和度減小到0.70時(shí)，試樣的孔隙比基本保持不變。 (2)本文采用GDS非飽和土三軸儀，在分別控制試樣基質(zhì)吸力和凈平均應(yīng)力條件下對(duì)非飽和重塑黏土的體積變化和含水率變化特性進(jìn)行了詳細(xì)試驗(yàn)研究。在非飽和三軸試驗(yàn)研究中，本文開展了2組不同應(yīng)力路徑試驗(yàn)：①各向同性壓縮試驗(yàn)：在控制基質(zhì)吸力u<,s>=u<,a>-u<,w>的條件下施加不同的凈平均應(yīng)力p=σ<,m>-u<,a>；②三軸收縮試驗(yàn)：在控制凈平均應(yīng)力條件下施加不同的基質(zhì)吸力

6、。在控制非飽和黏土吸力條件下的壓縮試驗(yàn)中，根據(jù)所測(cè)得各個(gè)試樣的總體積變化變化考察了試樣的壓縮指數(shù)和屈服應(yīng)力與基質(zhì)吸力的相關(guān)性，當(dāng)試樣的凈平均應(yīng)力加載到設(shè)定的最高值后，在保持基質(zhì)吸力不變條件下，將凈平均應(yīng)力直接卸載到 0，來考察不同基質(zhì)吸力下試樣的回彈指數(shù)；在給定的基質(zhì)吸力條件下，隨著凈平均應(yīng)力的增加，水不斷從試樣中排出，通過水比容概念考察了水體積變化特性。在控制試樣凈平均應(yīng)力條件下的干濕循環(huán)試驗(yàn)中，分別考察了土水特征曲線和收縮特性與凈平

7、均應(yīng)力的相關(guān)性；當(dāng)試樣加載到設(shè)定的最大基質(zhì)吸力值并達(dá)到吸力平衡后，將試樣重新飽和后(即基質(zhì)吸力卸載到 0 kPa)，來考察試樣干濕循環(huán)特性。 (3)在地面沉降研究中，人們常采用飽和土有效應(yīng)力原理來計(jì)算沉降量。實(shí)際上，地下水位的降低也會(huì)引起非飽和區(qū)域土體飽和度的減小，導(dǎo)致凈平均應(yīng)力降低和基質(zhì)吸力增大。隨著非飽和土力學(xué)的發(fā)展，人們逐漸認(rèn)識(shí)到基質(zhì)吸力的增大也可造成土體的壓縮變形。結(jié)合飽和一非飽和滲流與非飽和土體變本構(gòu)模型，本文提出了一

8、種可以全面考慮非飽和區(qū)域與飽和區(qū)域沉降的數(shù)學(xué)模型。由于地下水位下降引起的飽和土區(qū)域和非飽和土區(qū)域的沉降變形有著本質(zhì)的區(qū)別，因此需分別估算飽和土區(qū)域(即u<,a>-u<,w>≥0)和非飽和土區(qū)域(即u<,a>-u<,w><0)的沉降變形量。對(duì)于飽和區(qū)，利用飽和土的有效應(yīng)力原理來計(jì)算土體有效應(yīng)力增大而引起的壓縮變形量；對(duì)于非飽和區(qū)，采用非飽和土的體變本構(gòu)模型可分別計(jì)算土體由于基質(zhì)吸力增大而引起的收縮變形量和凈平均應(yīng)力減小而引起的回彈量。

9、 (4) 根據(jù)飽和—非飽和沉降數(shù)學(xué)模型，對(duì)Kai-Yuan Ke 試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行模擬分析，并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析，驗(yàn)證了本文提出的飽和—非飽和沉降數(shù)學(xué)模型的合理性和可行性。模型試驗(yàn)結(jié)果表明在某些情況下非飽和區(qū)域的沉降變形量是不可忽略的，如果按照傳統(tǒng)的計(jì)算方法僅僅考慮飽和區(qū)的變形量，則計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況相差較大?；诜秋柡屯翆踊|(zhì)吸力分布為靜水平衡的假設(shè)，針對(duì)不同的地下水位降低，本文根據(jù)飽和—非飽和沉降數(shù)學(xué)模型分別估算了非飽和區(qū)域和

10、飽和區(qū)域的沉降量。通過非飽和區(qū)沉降量和地表總沉降量的對(duì)比，驗(yàn)證了考慮非飽和區(qū)沉降變形量的重要性。對(duì)于非飽和區(qū)，本文分別估算了由于凈平均應(yīng)力的降低引起的地面回彈量和基質(zhì)吸力的增大引起的地面沉降量。計(jì)算結(jié)果表明，在這兩種變形中收縮變形量在非飽和區(qū)變形中占有主導(dǎo)地位，凈平均應(yīng)力的減小而引起的地面回彈量可以忽略不計(jì)。 (5)在基坑開挖過程中，為防止基坑滲透破壞，往往采用井點(diǎn)降水等措施來降低地下水位，但地下水位的降低會(huì)引起周圍建筑物和地下

11、管線附加沉降而產(chǎn)生不良影響。基于井點(diǎn)降水形成的二維飽和—非飽和穩(wěn)態(tài)滲流模擬分析，本文對(duì)某一基坑分別估算了飽和土區(qū)域和非飽和土區(qū)域沉降變形量。計(jì)算結(jié)果表明，在基坑降水時(shí)非飽和區(qū)的變形量往往是不可忽略的。并對(duì)降水深度、初始水位高度、土體壓縮指數(shù)、收縮指數(shù)、滲透系數(shù)各向異性、土層初始吸力大小、凈平均應(yīng)力和基質(zhì)吸力耦合關(guān)系各種影響因素進(jìn)行了詳細(xì)分析。基于飽和—非飽和非穩(wěn)態(tài)滲流，本文對(duì)基坑降水后引起周圍土層沉降隨時(shí)間不斷發(fā)展的過程進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬，