淤填黏土鋪蓋裂縫大變形固結(jié)試驗(yàn)研究

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圖1 淤填黏土滲壓固結(jié)理論模型

圖2 模型試驗(yàn)裝置圖

圖3 模擬的裂縫形狀

前言

當(dāng)前，對(duì)于大變形問(wèn)題的研究有兩種理論，分別為格朗日描述和歐拉描述，導(dǎo)致大變形固結(jié)方程也出現(xiàn)了不同形式的表達(dá)方式。但是這其中對(duì)于大應(yīng)變固結(jié)微分方程（以超孔隙水壓力為控制變量）的研究還不深入[1]-[8]，尤其是在滲壓作用下黏土鋪蓋裂縫的大變形滲壓固結(jié)微分方程的研究較少。本文通過(guò)模型試驗(yàn)和理論計(jì)算深入研究了在滲壓作用下淤填黏土的固結(jié)機(jī)理。

理論模型

如圖1所示，0-0截面為初始水面高度，1-1截面為加壓后的高度，2-2截面為淤填黏土初始頂面，3-3截面為固結(jié)黏土層頂面，4-4截面以下為鋪蓋下的透水層。ΔABC為施加滲壓前的有效應(yīng)力分布，ΔA' B' C'為有效應(yīng)力分布。

根據(jù)模型試驗(yàn)具體設(shè)置和固結(jié)理論推導(dǎo)可得固結(jié)偏微分方程：

模型試驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文理論模型建立的合理性和計(jì)算結(jié)果，根據(jù)黏土鋪蓋裂縫淤填的工程實(shí)際，設(shè)計(jì)模型試驗(yàn)。

試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土性能指標(biāo)如表1所示。

模型試驗(yàn)裝置與測(cè)試系統(tǒng)

設(shè)計(jì)模型箱的外形尺寸為90cm×40cm×50cm（長(zhǎng)×寬×高），模型箱底板采用強(qiáng)度高的塑料板，其他表面板采用有機(jī)玻璃板連接并進(jìn)行密封，試驗(yàn)裝置如圖2所示。

為了真實(shí)模擬工程實(shí)際，模型設(shè)計(jì)分為三個(gè)部分，從上到下分別為填料沉淀區(qū)、6cm至12cm厚的鋪蓋、10cm厚的粉細(xì)砂層。

模型試驗(yàn)過(guò)程

采用輸漿導(dǎo)管或泥漿泵將預(yù)制泥漿壓送到模型箱裂縫處進(jìn)行模型試驗(yàn)?zāi)M泥漿沉積后滲透力淤填過(guò)程。

表1 土料的物理性質(zhì)指標(biāo)

試驗(yàn)初始，根據(jù)工程實(shí)際確定試驗(yàn)壓力，設(shè)置好傳感器參數(shù)，試驗(yàn)開(kāi)始后迅速打開(kāi)位于模型箱底部的滲流出水口，在滲流應(yīng)力作用下淤填沉積層逐漸固結(jié)，同時(shí)記錄好滲透流量和沉積層變形值。固結(jié)變形穩(wěn)定后，通過(guò)探針式孔隙水壓力傳感器測(cè)出土層的含水率分布值及孔隙水壓力分布值。

參考工程實(shí)際中固結(jié)淤填裂縫的真實(shí)狀態(tài)，此次模型試驗(yàn)將裂縫形狀設(shè)置為4種形態(tài)，如圖3所示。

模型試驗(yàn)結(jié)果

為了得到不同形狀裂縫對(duì)淤填效果的影響情況，本次模型試驗(yàn)設(shè)置4種狀態(tài)斷面裂縫進(jìn)行淤填效果分析，因此，其試驗(yàn)結(jié)果可比性較強(qiáng)。

1.滲透流量變化

通過(guò)模型試驗(yàn)得到不同形態(tài)裂縫的固結(jié)滲透流量變化曲線如圖4所示，在滲透初期，通過(guò)4種形態(tài)斷面裂縫的滲流量均較大，但隨著時(shí)間的增加而逐漸減小，而這種滲流量減緩趨勢(shì)由于斷面裂縫形態(tài)的不同而有所區(qū)別。

2.淤填土層沉降變化

通過(guò)模型試驗(yàn)可以得到不同形態(tài)裂縫淤填固結(jié)沉降量變化曲線，如圖5所示。單個(gè)寬大裂縫和多個(gè)較小裂縫相比，其裂縫中淤填土的沉降值較大。其原因在于單個(gè)裂縫其寬度較大，側(cè)壁對(duì)于淤填土層的中心沉降影響較小。倒梯形裂縫表面沉降值較低，其原因?yàn)樵诠探Y(jié)過(guò)程中，位于裂縫邊緣處的土粒被水流匯集到裂縫中，增加了其滲透體積。而對(duì)于正梯形斷面裂縫由于位于其中的淤填土表面沉降較大，因此其淤填效果表現(xiàn)較差。

3.淤填土層孔隙比與孔隙水壓力分布

通過(guò)模型試驗(yàn)，得到實(shí)測(cè)土層含水率分布情況，以單個(gè)矩形裂縫淤填固結(jié)為例，其實(shí)測(cè)土層含水率分布如表2所示，超孔隙水壓力變化曲線如圖6所示。

圖4 各種裂縫淤填固結(jié)過(guò)程中的滲透流量變化曲線

圖5 不同形狀裂縫淤填固結(jié)沉降量變化曲線

表2 淤填完成后各裂縫內(nèi)土層的含水率(%)分布

圖6 孔隙水壓力沿深度的變化曲線

圖7 孔隙比分布曲線

超孔隙水壓力為控制變量的滲壓固結(jié)微分方程

滲壓固結(jié)微分方程在固相連續(xù)、液相連續(xù)條件及平衡條件下建立后，經(jīng)過(guò)推導(dǎo)可得到以超孔隙水壓力為控制變量的滲壓固結(jié)微分方程：

式中——靜水壓力；

——加壓前水面高度；

——水頭誘發(fā)沿程滲透壓力。

——超孔隙水壓力。

從式(4)可看出：沿方向的孔隙水壓力為靜水壓力與超孔隙水壓力之和。

根據(jù)達(dá)西定律推導(dǎo)可得：

式中，——施壓前有效應(yīng)力。

將式（6）代入式（5），得：

即為二階非線性偏微分方程。將滲透系數(shù)k看成是孔隙比e的函數(shù)，因此將式（7）化為：

最終得出求解方程：

通過(guò)孔隙比理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)含水率推導(dǎo)值進(jìn)行對(duì)比可得分布曲線如圖7所示，二者吻合良好。

結(jié)語(yǔ)

本文深入研究了淤填黏土的固結(jié)機(jī)理，推導(dǎo)出了固結(jié)理論模型，并進(jìn)行了模型試驗(yàn)，通過(guò)模型試驗(yàn)結(jié)果分析對(duì)理論模型進(jìn)行了驗(yàn)證，得出如下結(jié)論：

（1）通過(guò)試驗(yàn)分析可得滲壓體積力作用下的固結(jié)和面荷載作用下的固結(jié)有所不同，工程實(shí)際應(yīng)用應(yīng)考慮其影響。

（2）在相同條件下，變形固結(jié)度較孔壓固結(jié)度值要大，其固結(jié)速率更快。

（3）通過(guò)模型試驗(yàn)對(duì)淤填黏土固結(jié)進(jìn)行模擬和分析，將推導(dǎo)理論模型和試驗(yàn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證，充分說(shuō)明了本文建立的固結(jié)模型的可靠度，試驗(yàn)結(jié)果對(duì)工程實(shí)際具有較大參考依據(jù)。

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