高速交通荷载作用下软土地基的长期累积沉降特性分析

沉降控制是交通工程软土地基关键技术问题之一。高速交通荷载引起的长期累积沉降在地基工后沉降中占有相当大的比例。本项目首先完善了Houlsby 等创建的超粘塑性理论，利用热力学第二定律证明了欧拉n次屈服函数必须满足非相关联流动准则。基于超粘弹性理论提出准塑性的粘弹性概念,由此根据Suiker 循环安定理论获得软土流变模型与长期循环累积沉降模型具有一致性这一物性规律，故可用准塑性的粘弹性理论模拟软土的长期循环累积沉降特性。在此观念启发下，采用Yin-Graham一维等效时间流变模型模拟一维压缩条件下的长期循环累积沉降特性，采用以Yin-Graham一维流变模型为硬化规律以修正剑桥模型流动耗散势为扩展基础的三维准塑性粘弹性模型模拟三维长期循环累积变形特性。进行了室内GDS双向振动三轴试验，研究了不同动静偏应力比、不同频率、不同循环次数和不同超固结比对软土循环累积变形发展规律的影响，标定了模型参数。采用交替方向隐式差分法对循环荷载作用下的控制方程进行数值离散，采用Newton-Raphson迭代求解非线性差分方程，编制了一维循环累积沉降分析程序。采用双时间尺度（包括长短时间尺度）、渐进展开和均匀化技术分离了循环荷载作用下的瞬态响应和长期响应。采用加权余量法数值求解了循环荷载作用下长短尺度三维流变控制方程，数值模拟了软基固结、蠕变和循环累积变形相互作用复杂耦合机理。基于上述试验和数值分析成果，结合现场大尺寸高速公路软土路基沉降试验，获得了软土地基长期循环累积沉降和工后沉降经验公式。研究课题完成了预定目标，为软土路基累积沉降和工后沉降控制提供理论和试验依据。 2100433B

沉降控制是交通工程软土地基关键技术问题之一。高速交通荷载引起的长期累积沉降在地基工后沉降中占有相当大的比例，本项目用Houlsby 等创建的超粘塑性理论完善Suiker 双时间尺度循环安定理论，以此为理论指导，（1）利用胡亚元创建的软土低幅值循环一维本构模型同时反映主固结变形，蠕变和循环累积变形耦合作用的优点，建立交通荷载作用下路基一维总沉降和工后沉降简化公式；（2）根据室内动三轴试验把软土低幅值循环一维本构模型推广为三维本构模型。测定其模型参数；建立软土单元循环动刚度矩阵，通过用户接口植入ABAQUS有限元软件分析平台，对高速交通荷载作用下软土地基的长期累积沉降特性进行数值模拟；选择关键工况，利用大比例循环荷载模型试验对理论预测结果进行验证。本研究成果能揭示软基长期循环累积变形发展过程中暗含固结、蠕变和循环荷载累积变形耦合作用等复杂机理，为软土路基工后沉降控制提供依据。

本项目拟通过动静三轴仪、土体循环流变仪等试验手段，研究软粘土在长期循环荷载作用下的流变特性，提出能考虑循环荷载作用下天然软粘土流变性的软粘土粘弹塑性本构模型；同时在已有加筋土模型的基础上，提出改进的加筋土动力弹塑性模型；编制能综合考虑交通荷载作用下加筋土的动力特性及软粘土流变性的加筋路基沉降分析的有限元程序。并通过自制的模型箱试验设备，模拟交通荷载作用下，加筋路基和软土的动力沉降特性，并考虑加筋层数，加筋布置，加筋垫层厚度等因素对加筋路堤的沉降特性的影响。最后将有限元分析的结果与模型试验的结果进行比较，检验上述各项成果的可靠性和正确性。本课题的研究成果将不仅在学术界富有理论内涵，还有重要的工程应用价值。 2100433B

近年来，随着粮食物流建设的迅猛发展，对筒仓、油罐等地基变形的控制要求越来越高。同时在集装箱码头、堆场等地也存在长期反复荷载的作用。由于软土固结理论落后于工程实践的发展，使得长期低频反复荷载引起的软土地基累积沉降问题日益突出。本项目将依托中国粮食流通建设项目重点工程，拟以郑州等地软土为研究对象，考虑其所受荷载的特殊性，从土体固结释水角度出发，综合运用室内土工试验、理论分析、数值模拟以及现场监测等技术手段，探究软土释水固结与反复变形等宏观行为下的微观机理与内在联系，揭示长期低频反复荷载作用下饱和软土地基的固结流变特性与变形规律，建立理论分析模型，并提出一套能够较为真实地反映长期低频反复荷载下饱和软土地基沉降的计算方法。通过本项目的实施，不仅可以完善该类软土地基的设计理论，实现土力学的发展，而且对于河南乃至我国粮食物流设施建设及其运营安全具有十分重要的工程指导意义。 2100433B