反復(fù)荷載作用下軟土地基長期沉降機理研究

近年來，隨著糧食物流建設(shè)的迅猛發(fā)展，對筒倉、油罐等地基變形的控制要求越來越高。同時在集裝箱碼頭、堆場等地也存在長期反復(fù)荷載的作用。由于軟土固結(jié)理論落后于工程實踐的發(fā)展，使得長期低頻反復(fù)荷載引起的軟土地基累積沉降問題日益突出。本項目將依托中國糧食流通建設(shè)項目重點工程，擬以鄭州等地軟土為研究對象，考慮其所受荷載的特殊性，從土體固結(jié)釋水角度出發(fā)，綜合運用室內(nèi)土工試驗、理論分析、數(shù)值模擬以及現(xiàn)場監(jiān)測等技術(shù)手段，探究軟土釋水固結(jié)與反復(fù)變形等宏觀行為下的微觀機理與內(nèi)在聯(lián)系，揭示長期低頻反復(fù)荷載作用下飽和軟土地基的固結(jié)流變特性與變形規(guī)律，建立理論分析模型，并提出一套能夠較為真實地反映長期低頻反復(fù)荷載下飽和軟土地基沉降的計算方法。通過本項目的實施，不僅可以完善該類軟土地基的設(shè)計理論，實現(xiàn)土力學(xué)的發(fā)展，而且對于河南乃至我國糧食物流設(shè)施建設(shè)及其運營安全具有十分重要的工程指導(dǎo)意義。 2100433B

沉降控制是交通工程軟土地基關(guān)鍵技術(shù)問題之一。高速交通荷載引起的長期累積沉降在地基工后沉降中占有相當(dāng)大的比例，本項目用Houlsby 等創(chuàng)建的超粘塑性理論完善Suiker 雙時間尺度循環(huán)安定理論，以此為理論指導(dǎo)，（1）利用胡亞元創(chuàng)建的軟土低幅值循環(huán)一維本構(gòu)模型同時反映主固結(jié)變形，蠕變和循環(huán)累積變形耦合作用的優(yōu)點，建立交通荷載作用下路基一維總沉降和工后沉降簡化公式；（2）根據(jù)室內(nèi)動三軸試驗把軟土低幅值循環(huán)一維本構(gòu)模型推廣為三維本構(gòu)模型。測定其模型參數(shù)；建立軟土單元循環(huán)動剛度矩陣，通過用戶接口植入ABAQUS有限元軟件分析平臺，對高速交通荷載作用下軟土地基的長期累積沉降特性進行數(shù)值模擬；選擇關(guān)鍵工況，利用大比例循環(huán)荷載模型試驗對理論預(yù)測結(jié)果進行驗證。本研究成果能揭示軟基長期循環(huán)累積變形發(fā)展過程中暗含固結(jié)、蠕變和循環(huán)荷載累積變形耦合作用等復(fù)雜機理，為軟土路基工后沉降控制提供依據(jù)。

本課題利用英國GDS空心圓柱扭剪儀和自主研發(fā)的交通荷載模型試驗裝置（ZL2010101208210），針對飽和軟粘土在超載預(yù)壓和交通荷載作用產(chǎn)生的超固結(jié)特性，研究循環(huán)荷載作用下超固結(jié)飽和軟粘土的動強度、變形特性，確定不同條件下超固結(jié)飽和軟粘土的臨界循環(huán)應(yīng)力比、動強度破壞準(zhǔn)則以及應(yīng)變和孔壓發(fā)展規(guī)律，揭示超載預(yù)壓時間和卸載速率對超固結(jié)飽和軟粘土動力特性影響，探索超固結(jié)飽和軟粘土地基在循環(huán)荷載下的工作機理，從而更準(zhǔn)確的反映超固結(jié)飽和軟粘土在循環(huán)荷載作用下的工作性狀，在此基礎(chǔ)上，引入反應(yīng)超固結(jié)土動力特性的參數(shù)，建立交通荷載作用下超固結(jié)土沉降計算經(jīng)驗方程，結(jié)合交通荷載模型試驗裝置對提出的經(jīng)驗方程進行驗證和優(yōu)化，提出交通荷載作用下超固結(jié)飽和軟粘土的沉降計算理論。上述課題具有廣泛的工程應(yīng)用前景和重大的經(jīng)濟價值。

通過大數(shù)目循環(huán)三軸試驗，研究了超固結(jié)比對飽和軟粘土回彈模量的影響。得出了回彈模量隨著圍壓、動應(yīng)力和超固結(jié)比的關(guān)系式，為進行動力有限元分析提供了基礎(chǔ)。研究了超固結(jié)比對飽和軟粘土累積應(yīng)變的影響。進行了加載次數(shù)為50000次的動三軸試驗。對已有的經(jīng)驗?zāi)Ｐ瓦M行了修正，在參數(shù)分析中考慮到了超固結(jié)比的影響。建立了考慮軟粘土超固結(jié)特性的長期沉降計算方法。通過正常固結(jié)飽和軟黏土在不同循環(huán)動應(yīng)力比下的部分排水變圍壓循環(huán)加載試驗，分析了部分排水條件下，飽和軟黏土的變形特性，并和之前進行的大周數(shù)不排水循環(huán)試驗結(jié)果進行對比分析，在試驗基礎(chǔ)上，提出了一個擬合部分排水條件下飽和軟黏土永久體應(yīng)變與循環(huán)周次關(guān)系的數(shù)學(xué)方程。通過對正常固結(jié)試樣在部分排水條件下，在不同循環(huán)動應(yīng)力和循環(huán)圍壓耦合作用下累積塑性應(yīng)變的分析，進一步建立了可以量化循環(huán)圍壓對永久體應(yīng)變和永久軸向應(yīng)變影響的經(jīng)驗公式并用于預(yù)測飽和軟黏土在交通荷載這種包含循環(huán)偏應(yīng)力和循環(huán)圍壓耦合作用的復(fù)雜應(yīng)力條件下產(chǎn)生的永久變形。通過部分排水條件下，不同超固結(jié)比試樣的變圍壓試驗，采用和正常固結(jié)試驗同樣的處理方法，建立了綜合考慮超固結(jié)比（OCR）和變圍壓的路基土體長期沉降計算方法。 2100433B