吹填淤泥多物质多尺度三维结构的固结演化机制及其定量表征

Dredger mud has special engineering geological properties. It would cause geological disasters, such as uneven deformation, slow growth of bearing capacity, lower shear strength and ground subsidence. This study based on the original state of dredger mud to obtain the soil composition characteristics, quantitative 3dmicrostructure characterization and quantitative analysis of multi-scale structure distribution. Using both micro sampling technique, the algorithm of data constraint modelling (DCM) and multi-spectrum synchrotron based X-ray micro-CT technology, the perspective of nondestructive quantitative characterization of three dimensional could be obtained. Multi-scale quantitative analysis even connect body occurrence relationship. It will be realized the grading factors suction calculation. It will be analyzed the structural evolution and mechanical effect without scale effect. Furthermore, microstructure could be observed in consolidation progress. Macro-micro structures of consolidation mechanism and pressure field will solve the distribution state of soil mechanics theory. This project adopts the soil microscopic test technical limitations. It also across the scale restricted to microscopic more substance in soil mechanics and restriction. Quantitative characterization of connectivity and three-dimensional structure evolution will find new breakthrough pointand breakthrough method.

变废为利的吹填淤泥是吹淤造陆技术的主要工程材料，特殊工程地质性质极易造成土体不均匀变形、承载力增长少、抗剪强度小或地基沉陷等问题及地质灾害。本研究基于原状淤泥，获取土体多物质组成特性，定量研究固结过程中三维微观结构表征，定量分析多尺度结构分布。利用室内固结试验，基于既有微观取样技术，阐述淤泥结构记忆性。采用显微CT技术，从无损三维定量表征角度，互耦性研究微观物质、微观结构与宏观力学效应的关联性及量化关系。分析连通体多尺度定量赋存关系；分析结构演化及其力学效应，兼顾尺度效应、微小结构发育、微宏观机制和压力作用场等作用机制，完善扰动状态微观土力学理论。本项目将突破土体微观测试技术局限，跨越尺度限制，为微观土力学中多物质赋存与制约、连通性的定性定量表征、三维结构演化规律及其与固结变形量化关系的系统研究找到新的突破口和切入点。

本研究从宏观、细观和微观角度，获取现场取样的物理实验参数和微观结构特征，分析物质成分对吹填淤泥力学机制的影响，从物质组成角度，解释了“吹填软土的地基处理方法能高效控制变形量，但缺乏高效提高强度”的作用机制；探讨吹填淤泥结构扰动机制，从吹填淤泥的基本物理力学性质、微宏观特性及矿物成分入手提取特征指标，建立三维结构模型。提出适用于软土取样的液氮取土器设计理念，对于适用于三轴试验尺寸样品的取样时间建议为13s，适用于微观观测试验尺寸样品的取样时间为8~9s左右。适用于同步辐射CT三维层析实验的吹填淤泥样品以直径4.32-7.42mm为最佳穿透厚度。基于吹填淤泥的高含水率空架状三维结构，建立黏土颗粒形态和各向异性对抗剪强度影响的离散元模型，模拟吹填淤泥初始各向异性的力学特征。通过确定球度和凹凸度的定量化指标，分析饱和淤泥的弹性模量和抗剪强度等力学参数发生非线性变化的应变硬化或硬变软化的作用机制。反映压力作用下的颗粒位移、旋转及剪切带的发育过程中，吹填淤泥固结过程中的孔隙分布特征与岩土界的岩体结构面具有相似性。通过研究吹填淤泥取样技术与作用机制，探讨吹填淤泥取样贯入过程中的样品制备技术及特点，探讨最有利的无损取样专利技术和自动取样装置，授权的相关专利将有实际的科研和工程应用前景。同时，研究吹填淤泥改良技术与微宏观力学机制，建议吹填淤泥的工程改良时，可选用有机质含量较低、颗粒级配好（不均匀）的吹填淤泥做吹填工程的填料；使用碱性胶凝材料作为固化剂加固软土地基，可实现较好的性价比，也将成为新技术的突破口。