浅谈软粘土的结构性及模型研究

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1、武汉理工大学博士学位论文软粘土的结构性及模型研究姓名：夏银飞申请学位级别：博士专业：结构工程指导教师：吴代华20070501摘要土体的结构性，是指土体颗粒和孔隙的性状和排列形式(或称组构)及颗粒之间的相互作用。绝大多数天然土都有一定的结构性，软土由于特定的历史条件和矿物成分，同样具有结构性，其结构类型有着自身的特点。这种结构性对土的工程性质有强烈的影响。结构性软土具有结构强度。因此，它呈脆性破坏，其破坏应变较小。在工程中，结构性土地基往往会在缺乏预兆情况下，产生突然性破坏。研究软土的结构性，从而对软土地区的结构物的

2、设计、地基加固设计有着重要意义。沈珠江认为土的结构性是影响土力学特性诸要素中一个最为重要的要素，被认为是“21世纪土力学的核心问题”。本文主要从宏观力学试验出发，制作SEM图像并对其进行分析、研究。研究结构性原状软土变化特性，其主要研究成果有如下几点：(1)收集了珠江三角洲地区158个原状软土的物理力学指标数据，对指标的变化范围、变异性、指标间的相互关系和各指标的统计分布规律进行研究。研究的结果表明：不同地方的软土的物理力学性质差异较大；各参数与含水量w、孔隙比e存在一定的关系；天然密度／7、干密度朋、液限WL、塑

3、限％、塑性指数k无侧限抗压强度缸和灵敏度S服从正态分布；含水量、孔隙比和粘聚力c服从近似正态分布；饱和度S、比重GJ、渗透系数岛、压缩系数a订-2、压缩模量BJ-2和内摩擦角咖为非正态分布。研究的结果对在软土工程有着重要意义。(2)通过固结压缩试验，采用3种不同的方式对结构性原状土和重塑土的结构性参数、压缩特性进行研究。结果显示结构性对软土压缩特性影响较大；结构性参数mp>l，当荷载较大时，％。1；原状土和重塑土的压缩系数在加载初期有较大的区别，随着荷载的增加，原状土的压缩系数逐渐趋于重塑土的压缩系数。由SEM图片

4、显示了土样压缩的变化过程。(3)针对同一地段的50个原状土样的试验数据进行统计分析，得出孔隙比、含水量、密度、干密度是影响软土压缩特性的重要因素。通过原状土和重塑土一维固结压缩试验，对固结系数、压缩系数、压缩模量进行分析，得出结构性对软土压缩特性有较大的影响。给出了压缩特性的微观行为，提出了作者自己的一些观点。(4)通过三轴的固结不排水和不固结不排水试验，研究了结构性软土在不同的围压下的应力一应变关系，应力路径对结构性软土的影响以及孔隙水压力的变化规律。(5)论文分别从制备土样、制备拍照样品、SEM图像的拍摄、数字

5、图像处理等方面介绍了软粘土微观分析操作步骤。运用MATLAB对SEM图像的灰度直方图、图像阈值分割和边缘检测进行分析。探讨阈值分割和边缘检测算子对SEM图像的影响。介绍了IPP专业图像分析软件对SEM图像进行测量方法与技巧。(6)采用IPP软件分别对颗粒的面积、颗粒的平均形状系数和孔隙的面积、孔隙的平均形状系数、孔隙的个数、孔隙的等效直径、面孔隙比、面孔隙度、孔隙的圆度、孔隙的定向频率等方面分析了随荷载的变化规律。(7)考虑软土的结构性，引入损伤比概念，对邓肯一张模型进行修正。修正后的模型能够更好的反映结构性软土的

6、应力一应变关系。探讨了结构性软土的应变软化和应变硬化的变化规律，从而得出不同的阶段有着不同的初始弹性模量和Jr(’n值。(8)鉴于土结构的不确定性及其力学性状的非线性表现，采用BP神经网络模型建立结构性参数的非线性模型是一种可行的办法。研究了结构性参数与结构特征参数间的关系。结果表明孔隙总面积、孔隙平均孔径、孔隙圆度与结构性参数有较强的相关性，而孔隙分维数、颗粒总面积、颗粒平均孔径与之则较差。关键词：软土；结构性；力学试验；SEM图像：结构性参数；邓肯一张模型、微观结构模型ⅡAbstractSoilstructur

7、ecy，i．e．tIlepeculiarity、shapeandfabricofsoilgrainandtheimpactbetweenthegrains．Mostofthenaturesollhassomestructurecy，softclay，becauseoftheparticularhistoryconditionandmineralelement，alsohasstructurecy。andthestructuretypehaspeculiarityofitsown．Thcstructurecyaffe

8、ctstheworkscystrongly．Softclayofstructureeyhasfabricintensity．Soitfragilitydestroy，anddestroystressissmall．Soilofstructureey，inworks，usuallydestroysuddenly，andhasnoforebode．Studyth