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基于结构性的典型软土主次固结耦合机理研究及工程应用
2020-12-28

一、项目简介

针对典型软土的固结特性,通过室内主、次固结试验对结构性软土的主、次固结特性进行研究。我国沿海地区广泛分布着海相沉积的软弱黏性土层,是第四纪后期形成的海相、泻湖相、三角洲相、溺谷相和湖泊相的粘性土沉积物或河流冲积物。沿海地区由于地下水位浅,软土的含水量大、压缩性高、渗透性差、承载力低,且埋藏深厚,有的厚度达到数十米;一般而言,软黏土一般粘粒含量较多,塑性指数一般大于17,含水率较高、一般大于40%,而淤泥也有大于80%的情况。由于沉积环境特殊,软土构成成分复杂,含水率高,微观结构多呈絮凝状结构,力学响应也较一般黏土有很大不同,如高灵敏度、低强度、易扰动等特点。同时沿海地区是我国经济相对发达地区,经济建设较为活跃,许多大型工程如港口、堤防、储油罐、机场、铁路、高速公路等相继建在这些地区的软黏土地基上,但由于软基排水固结缓慢、稳定性差,沉降问题突出,在外荷作用下土体破坏表现出较大的突发性,给工程建设造成极大危害。

随着国内近岸重大工程如港珠澳大桥、深中通道以及规划中的跨海大桥等工程的不断涌现,对软土地基的沉降及长期变形的预测要求也逐渐提高,因此,发展和完善软土的主固结及次固结理论,准确预测软土地基在预压荷载作用下的主固结沉降及恒定建筑物荷载作用下的次固结沉降具有十分重要的意义。

本项目为中国交建2015年创新平台建设应用基础研究项目。课题完成单位为中交天津港湾工程研究院有限公司和中交第一航务工程局有限公司。项目执行过程中,两单位通力合作、密切配合,科研与生产紧密相连,研究成果及时用于相关工程项目中,有利于提高软土地基沉降预测能力,增强企业的核心竞争力。

二、技术特点及创新点

1.技术特点

本项目依托项目参加单位在软土地基处理方面丰富的实践经验,采用资料调研、理论分析、室内试验、数值计算相结合的方式,以结构性软土地基主次固结沉降机理及工程应用为研究对象,开展了一系列研究工作。基于土体结构性的典型软土主次固结耦合机理研究及工程应用着重考虑了土体结构性对软土主固结、次固结过程的影响,在考虑压缩指数、次固结系数等参数的基础上,引入结构性参数,重现了结构性变化过程中土体主、次固结变形的典型特点,从机理上解释了结构性土的压缩指数和次固结系数随固结应力变化的现象。基于该解释,从结构性对强度和变形两方面影响出发,引入压缩指数比概念,并结合灵敏度的概念提出了一种直观的、便于工程应用的结构性地基长期沉降判别方法。

2.创新点

本项目主要技术创新点为:

(1)基于临界状态土力学的概念提出重塑土制备时的最优含水率及其确定依据,并以此作为原状土结构性大小的衡量基准。

(2)提出了基于结构性劣化的次固结机理解释,利用上下负荷面剑桥模型对应力空间中软化伴随塑性压缩的区域着重进行了分析。当应力状态进入软化伴随塑性体积压缩范围后,随着加载的继续进行进一步软化将会导致有效应力降低,从而在黏土单元中产生新的孔隙水压力。若新产生的孔隙水压力短时间内无法消散,将会直接延长达到稳定变形的时间,从而导致次固结的产生。

(3)从结构性对强度和变形两方面影响出发,引入压缩指数比概念,并结合灵敏度的概念提出了一种直观的、便于工程应用的结构性地基长期沉降判别方法。当场地土体指标同时满足灵敏度大于8、压缩指数比大于1.5时,需要对该层土进行特别研究,以避免出现不可控的质量事故。

(4)提出结构性软土地基长期沉降设计计算流程:室内土工试验确定压缩指数比和灵敏度、现场地基长期沉降判定、次固结沉降量初步预测、基于主次固结耦合有限元程序精细化预测,形成了一套较为完整的结构性软土地基长期沉降判别和预测的方法。

三、推广应用情况

本项目的研究成果具有创新性和实用性,已应用于天津、连云港等地基的软土地基加固处理中。随着国内近岸重大工程如港珠澳大桥、深中通道以及规划中的跨海大桥等工程的不断涌现,许多工程仍处于主固结沉降末期或次固结沉降初期,工程本身未经过次固结沉降的检验,需要对其影响进行前瞻性的评估,同时对结构性原状软土地基的沉降及长期变形的预测要求也逐渐提高,深刻理解和准确把握结构性软土的特性对确保工程质量、降低后期维护成本、延长工程使用寿命具有十分重要的意义。另外,随着“一带一路”倡议的不断推进,国内基建事业将向海外、远海发展,对于广泛分布于南亚、东南亚等热带地区的泥炭土等特殊土体,本研究成果也同样适用。

四、效益分析

1.经济效益

随着我国对工程质量的重视,对循环经济、环保社会建设的加快,许多工程的使用期也随之增加,研究成果充分考虑次固结沉降的影响,有效增加工程的生命周期。本项目研究内容全面,涵盖了结构性软土地基的基本理论、室内试验、现场试验、数值分析、工程应用等各个方面,取得了大量可靠的数据、参数、技术和经验,实用性高、推广价值大,对今后类似工程建设指导意义重大,应用前景广阔。

2.社会效益

改革开放以来,我国沿海地带飞速发展,带动了大规模的基础设施建设,诸如高速公路、高铁、机场、码头等交通设施和高层建筑、堆煤场等经济设施,而这些设施往往需要修建在软土地基上,几十年的工程实践表明,这些工程在带来明显经济和社会效益的同时也由于对软土机理和特性的认识局限而导致带来较多的工程危害。如杭甬高速公路运行10年后沉降速率仍达1~5mm/月;广珠高速公路运行3年后沉降量达到1m,远大于预期的工后沉降量;上海地铁一号线运行5年后工后沉降达350px。日本关西国际机场人工岛自开工建设后已沉降12m,至今沉降速率仍有175px/年。实际工程中,软土地基沉降产生的危害随处可见。大面积地基沉降可导致给排水、电力、天然气、通信等管线破裂。若能在沉降危害发生前准确分析各时段沉降情况,有针对性的采取处理措施,从而可以有效的控制沉降危害。对于包括港珠澳大桥在内的一系列超级工程而言,许多工程仍处于主固结沉降末期或次固结沉降初期,工程本身未经过次固结沉降的检验,需要对其影响进行前瞻性的评估。另外,随着我国对工程质量的重视,对循环经济、环保社会建设的加快,许多工程的使用期也随之增加,研究成果将充分考虑次固结沉降的影响,有效增加工程的生命周期,社会效益明显。

五、评审(鉴定)、专利和获奖情况

该项目2018年1月通过天津市科学技术评价中心鉴定(津科成鉴字PJ(2018)004),研究成果总体上达到了国际先进水平。2018年荣获中交一航局科学技术进步奖二等奖。