反復荷載作用下軟土地基長期沉降機理研究科研成果

近年來，隨著糧食物流建設的迅猛發(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荷載的作用。由于軟土固結理論落后于工程實踐的發(fā)展，使得長期低頻反復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)測等技術手段，探究軟土釋水固結與反復變形等宏觀行為下的微觀機理與內(nèi)在聯(lián)系，揭示長期低頻反復荷載作用下飽和軟土地基的固結流變特性與變形規(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計理論，實現(xiàn)土力學的發(fā)展，而且對于河南乃至我國糧食物流設施建設及其運營安全具有十分重要的工程指導意義。 2100433B

沉降控制是交通工程軟土地基關鍵技術問題之一。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，（1）利用胡亞元創(chuàng)建的軟土低幅值循環(huán)一維本構模型同時反映主固結變形，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)一維本構模型推廣為三維本構模型。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；選擇關鍵工況，利用大比例循環(huán)荷載模型試驗對理論預測結果進行驗證。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、蠕變和循環(huán)荷載累積變形耦合作用等復雜機理，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壓和交通荷載作用產(chǎn)生的超固結特性，研究循環(huán)荷載作用下超固結飽和軟粘土的動強度、變形特性，確定不同條件下超固結飽和軟粘土的臨界循環(huán)應力比、動強度破壞準則以及應變和孔壓發(fā)展規(guī)律，揭示超載預壓時間和卸載速率對超固結飽和軟粘土動力特性影響，探索超固結飽和軟粘土地基在循環(huán)荷載下的工作機理，從而更準確的反映超固結飽和軟粘土在循環(huán)荷載作用下的工作性狀，在此基礎上，引入反應超固結土動力特性的參數(shù)，建立交通荷載作用下超固結土沉降計算經(jīng)驗方程，結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飽和軟粘土的沉降計算理論。上述課題具有廣泛的工程應用前景和重大的經(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、動應力和超固結比的關系式，為進行動力有限元分析提供了基礎。研究了超固結比對飽和軟粘土累積應變的影響。進行了加載次數(shù)為50000次的動三軸試驗。對已有的經(jīng)驗模型進行了修正，在參數(shù)分析中考慮到了超固結比的影響。建立了考慮軟粘土超固結特性的長期沉降計算方法。通過正常固結飽和軟黏土在不同循環(huán)動應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)試驗結果進行對比分析，在試驗基礎上，提出了一個擬合部分排水條件下飽和軟黏土永久體應變與循環(huán)周次關系的數(shù)學方程。通過對正常固結試樣在部分排水條件下，在不同循環(huán)動應力和循環(huán)圍壓耦合作用下累積塑性應變的分析，進一步建立了可以量化循環(huán)圍壓對永久體應變和永久軸向應變影響的經(jīng)驗公式并用于預測飽和軟黏土在交通荷載這種包含循環(huán)偏應力和循環(huán)圍壓耦合作用的復雜應力條件下產(chǎn)生的永久變形。通過部分排水條件下，不同超固結比試樣的變圍壓試驗，采用和正常固結試驗同樣的處理方法，建立了綜合考慮超固結比（OCR）和變圍壓的路基土體長期沉降計算方法。 2100433B