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库区湖相沉积软粘土蠕变特性及其在路基工程的应用研究

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蠕变是导致软粘土地区公路路基工后沉降的主要原因之一，高含水量、高孔隙率和低渗透性是促成蠕变量大的客观因素。国内外关于软粘土蠕变特性从室内试验、数值计算到实地监测均做了较多研究，取得了一些有益结论。但由于软粘土在成因方式、物质成分、赋存环境、应力历史等各方面的差异性，没有一个模型可以总结并应用在所有的地区。同时也正是因为各类软粘土强烈的区域性和复杂性，软粘土蠕变这一课题研究才始终在焕发新的生机。 湖相沉积软粘土是我国华中、华南以及近海地区广泛沉积的一类软弱土，在长江流域内的湖泊、水库周边均有分布。众多的支流蜿蜒曲折多次改道，形成的牛轭湖亦是深厚软粘土沉积的重要原因。随着经济的发展和国内基础建设的推进，公路等基础设施迎来新一轮的繁荣期，四通八达的交通网，需要经常穿越这些软粘土沉积区。因此，针对公路等基础设施穿越深厚沉积软粘土的工程实践，研究湖相沉积软粘土的蠕变特性，构建准确有效的评价计算模型，对这些区域的工程设计、施工、科研等具有重要的经济价值和社会意义。 本文以国家重点杭（州）兰（州）高速公路万巫段熊家镇软粘土地基路段为研究对象，进行湖相沉积软粘土蠕变特性及工程应用研究。通过取样分析、室内土工试验、三轴蠕变试验以及数值模拟等手段，对软粘土地基在路堤荷载下的蠕变沉降问题进行了系统的研究，得到了以下结论： ①对软粘土进行了一系列物理特性试验，试验得到熊家镇湖相沉积软粘土天然重度为17.3kN/m3，土粒比重为2.71，天然含水率为49.5%，饱和渗透系数为2.13×10-7cm/s，X射线衍射仪分析显示库区湖相沉积软粘土颗粒成分中以粘粒为主。 ②通过实施三轴剪切蠕变试验，分析库区湖相沉积软粘土的工程特性并测得其多项力学参数，研究了湖相沉积软粘土的剪切蠕变试验曲线、应变-时间关系、应力-应变等时曲线和孔隙水压-时间曲线，探讨了库区湖相沉积软粘土蠕变特性：1）不同围压不同偏应力条件下，软粘土呈现三种蠕变变形特性：瞬时弹性变形、衰减型蠕变变形和稳定型蠕变变形；2）在偏应力非常低条件下，试样瞬时发生弹性变形，随时间增加，蠕变变形很小，可以忽略不计；3）在中等偏应力条件下，试样瞬时发生弹性变形，然后发生蠕变变形，蠕变变形速率随时间不断减小，最后趋于零，蠕变曲线呈衰减型；4）在较高偏应力条件下，试样瞬时发生更大的弹性变形，然后发生蠕变变形，蠕变速率逐渐变小并趋于某个大于零的定值，蠕变曲线呈稳定流动型；5）相同围压条件下，偏应力越大，弹性变形越大，蠕变效应越显著；6）相同偏应力条件下，围压越大，弹性变形越小，蠕变效应越差。 ③总结软粘土蠕变模型理论和蠕变经验理论，分析软粘土的蠕变机理，在此基础上，建立库区湖相沉积软粘土的蠕变本构模型，确定线性粘弹性模型参数，线性粘塑性模型参数和非线性粘塑性模型参数。将建立的库区湖相沉积软粘土的蠕变本构模型与蠕变试验曲线进行对比分析，该模型具有参数更少，易于工程应用的优点。 ④基于FLAC3D本构模型计算原理，对软粘土非线性蠕变本构模型实施数值实现，此外还验证了所建立的模型。成果显示数值计算的应变曲线和室内土工试验结果吻合度高，证明了建立的库区湖相沉积软粘土本构模型程序的合理性。 ⑤以万巫高速公路熊家镇软粘土地基的路堤施工为例，采用FLAC3D计算软粘土地基的沉降规律，结合应力分布与土体侧向位移分析出地基变形的原因。以沉降量为目标量，分析蠕变模型参数的敏感性，提出了软粘土地基沉降处治方案，并对方案进行了验算，结果表明塑料排水板体系作用明显。

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