珠江三角洲软土蠕变特性的微细观试验与本构模型研究

The micro- and mesoscopic study of creep characteristics of soft soils in the Pearl River Delta and its cause of formation is carried out in the project by using a multifunctional precision loading apparatus and an environmental scanning electron microscopy ( ESEM ) and micro analysis theory method. The main research contents include: (1) the analysis of the Pearl River Delta soft soil creep characteristics and the environment factors and microcosmic factors on the creep characteristics; (2) the experiment on the natural microstructure characteristics of the Pearl River Delta soft soil and the analysis of its cause of formation; (3) the dynamic observation experiment on the soft soil microstructure variation under shear and compression loading and its variation mechanism analysis; (4) the physical mechanism analysis and quantitative analysis of the effect of micro structure on the creep characteristics of the Pearl River Delta soft soil; (5) the macro and micro creep constitutive model of the Pearl River Delta soft soil. . The research project is of theoretical innovation and practical application value. The correlation mechanism among soft soil creep properties, its microstructure and composition and the mechanical behavior mechanism of soft soil creep properties are revealed through the soft soil microstructure dynamic observation experiment and theoretical analysis. Based on the macro and micro creep experiment results the soft soil innovative macro and micro creep constitutive model is established. And the experimental research method used in soil microscopic theory research is advanced from the microstructure static test and qualitative analysis of micro-structural parameters to the continuous dynamic real observation and quantitative analysis. The research results of the project can provide theoretical basis for the subgrade treatment and foundation design of large soft soil in coastal area of our country.

本课题以珠三角软土为研究载体，采用多功能精密加载台和环境扫描电镜技术以及微细观分析理论，对软土蠕变特性及其成因在微细观层次上开展研究。主要研究内容为：(1) 珠三角软土蠕变特性及其形成的环境因素和微观因素分析；(2) 珠三角软土天然显微结构试验及特征形成分析；(3) 剪切和压缩荷载下软土蠕变微观结构动态观测与变化规律的机理分析；(4) 珠三角软土蠕变特性的微结构影响物理机制分析及定量分析；(5) 珠三角软土的宏微观蠕变模型研究.本课题研究具有理论创新及实际应用价值，通过软土微细观结构动态观测试验与理论分析，揭示软土蠕变性质与微观组织结构、物质成分的关联机制和力学行为机制，由微细观物理机制解释软土蠕变特性，建立创新性的软土力学宏微观理论模型,并把土体微观研究从微观静态试验和定性分析推进到连续动态观测和微观参数定量分析的水平；课题的研究成果可为我国沿海地区大量软土地基处理和设计提供新的理论基础

珠江三角洲软土具有物质成分复杂、含水量高、变形大、强度低、稳定性差等区域性特性，本课题重点围绕淤泥和污染土等软土的资源化利用以及大面积软土地基加固处理所面临的一系列理论、方法和技术问题开展相关的微细观土力学基础研究，研究内容主要包括：（1）珠三角软土时效特性及其形成的环境因素和微观因素分析；（2）珠三角软土天然显微结构试验及特征形成分析；（3）简单和复杂荷载下软土微观结构动态观测与变化规律的机理分析；（4）珠三角软土时效特性的微结构影响物理机制分析及定量分析；（5）珠三角软土的微细观流变模型及微观渗流固结模型理论研究；（6）土体强度和变形过程的动态显微观测技术研究等。.取得了如下主要成果：（1）提出ESEM图像显微结构二值化定量分析的局部阀值分割法及阀值选择与微孔隙特征测试、三相图计算相匹配的改进图像处理分析方法；（2）研制出一种颗粒材料压缩/剪切试验多功能加载仪；制备出一种力致发光颗粒材料；（3）基于不同颗粒尺度和物质成分的流变特性，提出分别对应于粗颗粒和高粘性微细颗粒物质的范性流变和流质流变理论；（4）基于流变微细观试验结果及其机理分析，建立了引入邓肯非线性弹性模量的流质流变元件模型，揭示软土流变的物质基础及物理机理；（5）基于软土渗流的微尺度效应现象和物理机制分析，建立了考虑微尺度效应的达西渗流定律和Kozeny-Carman渗流定律的修正模型；（6）基于土体微细观结构特别是微细孔隙结构特征的物理机制，建立了考虑了固结土体的微细结构性变化和压密效应的修正固结模型。.本课题研究具有理论创新及实际应用价值，通过软土微细观试验与理论分析，揭示软土时效性质与微观组织结构、物质成分的关联机制和力学行为机制，由微细观物理机制解释软土时效特性，建立创新性的软土力学微细观模型理论；以课题研究的软土微细观理论成果为基础，建立软土处理新技术为我国沿海地区大量淤泥和污泥的资源化利用提供新的技术方法和工艺。课题研发的颗粒材料压缩/剪切试验多功能加载仪以及力致发光颗粒材料，可应用于颗粒介质微细观力学特征的可视化试验，促进微细观土力学的试验研究。