高含水率疏浚淤泥材料非线性变化规律与大变形固结模型研究

如何预测高含水率疏浚淤泥的固结大变形沉降是填海造地、吹填地基实际工程中亟待解决的难题，掌握时间效应与高含水率引起的材料非线性性状是解决这一难题的核心科学问题。本项目通过室内试验、理论分析、模型试验、现场测试和数值模拟，耦合时间效应和高含水率的影响，提出高含水率疏浚淤泥压缩性状和渗透性状随应变的定量变化规律，建立高含水率疏浚淤泥大变形固结模型。在试验仪器方面，解决高含水率疏浚淤泥在传统固结试验和渗透试验中发生挤土而失真的问题，研制第一级荷载低到0.5 kPa的改进型固结仪和水力梯度控制的固结渗透仪。在理论方面，导入时间效应，根本性地改变现有大变形固结理论没有考虑工程施工期或者土体长期沉积引起的土结构性影响的局面；考虑高含水率的影响，突破现有大变形固结研究大多依赖于应变范围不大的低含水率重塑土材料非线性的困境。在工程应用方面，为疏浚淤泥填海造地、吹填地基的固结沉降预测提供有效方法。

如何预测高含水率疏浚淤泥的固结大变形沉降是填海造地、吹填地基实际工程中亟待解决的难题，掌握时间效应与高含水率引起的材料非线性性状是解决这一难题的核心科学问题。本项目通过试验、理论分析与数值模拟相结合的方法，主要进行了以下三个方面的研究。. 第一方面研究了初始含水率、土体液限和应力水平对疏浚淤泥压缩性状时间效应的影响，得出了如下主要结论：（1）时间效应对高含水率疏浚淤泥压缩曲线的影响类似于土结构性对天然沉积土压缩曲线的影响，位于EOP压缩曲线上方；（2）时间效应对高含水率疏浚淤泥的压缩性状的影响随着初始含水率的减小、土体液限的减小、应力水平的增大和固结时间的减小而减小。. 第二方面研制了适用于高含水率疏浚淤泥的固结渗透仪，研究了压缩过程中渗透性状的变化规律，得出了如下主要结论：（1）研制了适用于高含水率试样的改进型固结仪和水力梯度控制的固结渗透仪，解决了传统固结仪和渗透仪不能用于高含水率疏浚淤泥试验的难题；（2）研究了压缩性状与渗透性状的关系，明确了时间效应对渗透性状的影响与时间效应对压缩性状的影响规律一致；（3）渗透系数与孔隙比的关系可以用孔隙比与对应于液限的孔隙比之比（e/eL）进行归一化，并得出了其定量表达式。. 第三方面是基于Gibson一维大应变固结理论和Hansbo径向固结理论，考虑高含水率引起的大应变和时间效应的材料非线性，建立了等应变条件下耦合涂抹效应、材料非线性、几何非线性和时间效应的大应变固结模型，为疏浚淤泥填海造地、吹填地基的固结沉降预测提供一种有效方法。.本项目在理论方面，研究了材料非线性的时间效应，改变现有大变形固结理论没有考虑工程施工期或者土体长期沉积引起的时间效应影响的局面；考虑了高含水率的影响，突破现有大变形固结研究大多依赖于应变范围不大的低含水率重塑土材料非线性的困境。