饱和欠固结土大变形非线性固结理论与试验研究——以坝前淤积土为例

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筑坝拦泥淤地是小流域综合治理的一项重要措施,在黄河中上游水土流失治理中发挥着重要作用。作为除险加固病险水库的一种施工方法,“坝前淤积面加坝”与加高培厚坝体的其他方法相比,具有节省填筑土方、缩短工期、减少投资等优势,在宁夏及周边黄土丘陵山区小型水库、淤地坝等除险加固工程中得到广泛应用。本文针对饱和欠固结状态的坝前淤积土大变形非线性计算问题,采用分段线性差分法编制了用于计算淤积土晾晒期间自重固结的计算程序,并结合一维大变形固结模型(CS2)、竖井地基(二维)固结模型(RCS1),在分层碾压填筑加载方式下,建立了用于计算欠固结土一维、竖井地基(二维)大变形固结模型(RSUC),在验证新建模型准确性的基础上,分析讨论了影响欠固结淤积土固结的主要因素;研制固结渗透联合仪器,针对坝前淤积土开展固结-渗透交叉试验得出相应渗透系数和压缩参数的变化规律,优化传统模型后确立适合淤积土的渗透、压缩模型;通过工程案例研究了淤积土的自重固结过程,对比分析欠固结土与正常固结土固结计算结果的差异;探讨分析了增设塑料排水板、不同贯入比对淤积土堆载预压固结的影响。主要结论如下:(1)基于大变形固结理论的分段线性方法编制了用于计算淤积土晾晒期间自重固结的计算程序,计算分析表明:①自重固结计算方法考虑坝前淤积土的欠固结因素,能够较为准确的计算晾晒期结束后土层内部参数,为后期排水固结计算提供了较为可靠的初始数据。②坝前淤积土于晾晒期间仅在自重作用下发生固结,其体内的孔隙比、超静孔压随高度比呈非线性变化,土层底部固结、超静孔压的消散速度较快,单位厚度压缩量相对较大。(2)嵌入自重固结计算程序,对一维大变形固结模型(CS2)、竖井地基(二维)固结模型(RCS1)进行拓展,建立了用于计算欠固结土的一维、竖井地基大变形固结模型(RSUC),计算分析表明:①对影响欠固结淤积土固结因素分析中,土体的初始高度和初始孔隙比对土体的沉降影响更明显,土粒的相对密度取值范围较小,对沉降结果影响不显著。②坝前欠固结淤积土层一维堆载固结不同于正常固结土层固结,欠固结淤积土前期固结度速度较快,最终沉降量较大。如果采用正常固结土计算方法评价欠固结土的固结,沉降量会被低估。③与一维堆载固结不同,欠固结竖井地基内较大的超静孔隙水压力使得土体的固结速度慢于正常竖井地基。排水边界处的超静孔隙水压力是造成欠固结与正常固结竖井地基固结差异的主要原因,欠固结土中超静孔隙水压力越大,两个模型计算结果的差异越明显。(3)利用固结-渗透仪开展逐级加载条件下坝前淤积土固结-渗透特性试验,得到了相应的渗透系数和压缩参数,研究结果表明:①坝前淤积土渗透系数kv随着固结压力p的增大而减少,并呈现非线性变化规律。当固结压力小于400kPa时,渗透系数kv随固结压力的增大递减较快,此后逐渐放慢;坝前淤积土的渗透系数kv值变化范围为1.02×10-8~11.2×10-8 cm/s;坝前淤积土的孔隙比e随着固结压力的增加而减少,即土体压缩性呈现明显的非线性变化规律,固结压力小于200kPa时,各试样的孔隙比差异较大,随着固结压力的提高,各试样孔隙比差异逐渐减少。②从工程应用角度出发,e-lgkv、lge-lgkv非线性渗透模型和e-lgp、lge-lgp非线性压缩模型均适用于坝前淤积土排水固结计算,但优化调整后的lge100-lgkv100渗透模型和lge50-lgp50压缩模型适用性更好。e-lgkv、lge-lgkv渗透模型相关系数均达到了 0.80以上,优化调整后的lge100-lgkv100渗透模型相关系数为0.951;e-lgp、lge-lgp压缩模型相关系数均达到了 0.7以上,优化调整后的lge50-lgp50压缩模型相关系数为 0.858。(4)运用计算欠固结土的一维、竖井地基大变形固结模型(RSUC),并采用优化后的坝前淤积土非线性压缩、渗透关系,对“坝前淤积面加坝”相关工程实例进行分析计算,得到如下结论:①水库坝前淤积土一维大变形计算固结度始终小于小变形固结计算结果,同一时刻得到的超静孔压大于小变形计算值。②增设塑料排水板对坝前淤积土的固结效果影响显著,降低了由堆载引起的孔隙水压力峰值,加速淤积层的固结速度,增加前期沉降量,减小工后沉降。③竖井贯入比对淤积层的固结效果有显著影响,上、下土层固结速率的不均匀发展会使淤积层整体固结度曲线产生凸起,这种现象会随着贯入比增大而消失。
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