天然沉积结构性软粘土的力学扰动机理和评价方法

结构性软粘土地基上的工程施工会对土体产生扰动，致使土体微观结构损伤和宏观强度衰减，给工程带来潜在危害。为此本项研究从模型试验、宏观力学试验和微观试验等层次组织了研究，结合理论分析，揭示天然沉积结构性软粘土力学扰动的机理和评价方法。研究中首先开展了玻璃棒-黏胶体系力学损伤的模型试验研究，然后进行了连云港天然沉积结构性软土进行了控制损伤的室内试验，试验中根据不同的应力路径对土体进行人为的损伤，对损伤后土体进行微观试验（MIP和SEM），损伤后土体的无侧限抗压强度、压缩固结渗透等试验。结合力学扰动施加的能量、土体弹塑性功、胶结破损和损伤变量间已有的研究成果，结合本研究获得的数据，比对了多种损伤变量的表征方法，最后发现p-q系的损伤变量对测试和工程均为合适；在此基础上，探讨了损伤变量与变形（e）定义和强度（qu）定义的扰动度间的关系，结果表明按变形的扰动度与损伤变量间关系不明晰，而按强度定义的扰动度与损伤变量间具有良好的相关关系，构建了损伤后土体的强度以及其他物理力学指标与扰动度和损伤变量间的关系。通过压汞试验和电镜扫描试验的微观结果，表明损伤后土体大孔径发生较大的改变，其变化趋势与损伤变量间有较好的对应关系。同时需要指出的是，土体发生损伤，其强度等参数变小，而渗透系数等参数有可能增大，这对工程有一定的意义。 2100433B

结构性软粘土地基上的工程施工会对土体产生扰动，致使土体微观结构损伤和宏观强度衰减，给工程带来潜在危害。目前的研究主要针对土体扰动后某一状态的扰动度进行评价，而对各状态间相互关系，即施工扰动过程与扰动度和土体强度之间的关系尚不明确，致使目前施工扰动研究存在重大缺陷。本项目研究采用损伤力学理论，分析力学扰动过程中土体损伤发展规律，得到合理表征土体损伤的变量，探讨力学扰动施加的能量与土体弹塑性功、胶结破损和损伤变量之间的关系。通过给定损伤变量的固结试验，建立扰动度与损伤变量二者的关系，结合扰动度与强度的经验关系，构建力学扰动所施加的能量、土体损伤变量、扰动度、土体强度等之间有机的评价方法。该评价方法将揭示力学扰动的机理，并为天然沉积结构性软粘土地基设计和施工方法的制定，提供科学依据和理论支持。

运用统计相关和奇异值分解方法，系统地考察了非绝热加热对大气局地扰动位能的响特征和机理问题。分析结果表明，热带地区海表温度异常和扰动位能的耦合相关特征与厄尔尼诺和南方涛动变率的关系密切，扰动位能在热带外地区的耦合模态空间型呈现出与北太平洋—北美大气遥相关型极为相似的分布特征。

位能表面温度与扰动位能的相关关系

海表温度异常对于大气系统热力动力过程的影响是知道的，同样作为下垫面边界条件，陆面温度的异常变化也必然会对大气局部能量有效性造成影响。因此，在对SST场异常以及特征指数与大气扰动位能相关关系进行分析基础上，这里简要考察表面温度（SurfaceAirTemperature，SAT）与扰动位能的局地单点相关关系。

扰动位能和表面温度的点对点局地相关系数分布情况。可以看出，全球各个格点在四个季节PPE和SAT的相关系数均大于0，呈现正相关特征，相关不显著区域主要集中于夏半球，1月份分布在澳洲和南大洋以及热带地区，而月份则分布在北太平洋和北大西洋海区以及热带和南极附近；春秋过渡季节阴影区显著减小，主要集中于热带，但春季4月份南极大陆几乎都未通过严格的显著性检验。总体来看，陆面温度和扰动位能的相关要好于海面。

扰动位能反映的是局地能量的有效性，它与局地温度相对于全球平均的偏差有关，因而，表面温度与局地扰动位能的显著相关是容易理解的，这也反映出两者变化具有一致性。当然，在不同季节也会出现相关相对较弱的个别区域，这些情况可能与其它未知因素有关。

位能热带地区Q1和扰动位能的SVD分析

在单点相关分析基础上，进一步以Q₁为左场，以大气扰动位能为右场进行了SVD场相关分析，并按照热带地区Q₁和扰动位能之间，以及北半球热带外Q₁和扰动位能之间两种情况来分别开展研究。

首先，以冬季热带地区的视热源Q₁为左场，以该地区整层积分的扰动位能为右场进行SVD分析，其目的是考察低纬以潜热为主的非绝热加热率与局地能量有效性的相关关系。第一模态解释两个场之间的总协方差平方和的62.18%，能够代表两个场耦合变化型的主要特征，解释Q₁方差的27.02%，解释整层扰动位能方差的7.03%，两个场的耦合变化型显然在Q₁场中占较大的方差比例。第二耦合模态的方差贡献则远不及第一模态，其仍在Q₁场中的贡献很大。大部分耦合模态左右场展开时间系数之间的相关可达0.7以上，通过了99.9%的信度检验。

软粘土的强度极低，不排水强度通常仅为5～30kPa，表现为承载力基本值很低，一般不超过70kPa，有的甚至只有20kPa。软粘土尤其是淤泥灵敏度较高，这也是区别于一般粘土的重要指标。

软粘土的压缩性很大。压缩系数大于0.5MPa-1，最大可达45MPa-1，压缩指数约为0.35-0.75。通常情况下，软粘土层属于正常固结土或微超固结土，但有些土层特别是新近沉积的土层有可能属于欠固结土。

渗透系数很小是软粘土的又一重要特点，一般在10-5-10-8cm/s之间，渗透系数小则固结速率就很慢，有效应力增长缓慢，从而沉降稳定慢，地基强度增长也十分缓慢。这一特点是严重制约地基处理方法和处理效果的重要方面。

结合水对软粘土的力学行为具有控制作用。已有成果表明，这种控制作用的机制尚未明确，结合水性质与软粘土变形与强度特性之间的关系研究尚未真正开展起来。课题拟在前人研究成果的基础上，以工程地质学、土质学、土力学、粘土矿物学等理论为指导，采用“现场调查—试验测试—机制探索—模型建立—分析评价”的研究思路，综合运用先进的测试技术、非线性相关分析方法、PFC数值模拟手段，对我国沿海和内陆地区几种典型的不同成因的软粘土，开展结合水特性及其与力学特性的相关性与机理的研究。探索土中结合水与土颗粒的作用机制，提出结合水的类型界定与表征方法；研究结合水对软粘土的基本力学性质、固结蠕变、长期强度的控制作用和机理，建立软粘土结合水与其变形、强度之间的量化关系模型。旨在揭示软粘土变形与强度的本质，从而建立更为精细的软粘土变形与强度的计算模型，丰富土力学的计算理论，为软土性质的改良与软土地基工程设计提供科学的理论依据。