考虑蠕变三维效应和交通荷载的超固结软土沉降模型结题摘要

超载预压深厚软土地基上的工后沉降与超固结软土的蠕变变形密切相关，若能较准确地估算出超载卸除后软基的蠕变沉降，即可以解决其工后沉降的控制问题。超载预压软基低路堤浅层软土需要附加考虑交通循环荷载的影响。由于受力状态不同，软土多维蠕变下的沉降全过程都存在三维效应，现有一、三维蠕变沉降模型存在参数多或功能局限的问题，不能直接反映应力历史的影响，也不能确切判定现场软土层蠕变过程的时间状态。本项研究对于土力学沉降计算理论和解决超载预压深厚软基的工后沉降控制问题有重要意义。 通过理论和实验研究，采用与应力历史相关的蠕变沉降参数，直接反映软土的蠕变过程受应力历史的影响，建立考虑三维效应的超固结软土蠕变沉降一维模型。将循环荷载长期的作用过程转化为近似的恒定荷载过程，用恒载方法解决循环荷载问题。 研究发现，超固结软黏土一维蠕变过程与空间应力状态参数（广义剪应力q和球应力p）具有良好的对应性，以此嫁接一维、三维蠕变过程成为建立蠕变统一模型的有效途径；以空间应力状态参数定义的超固结剪应力比能全面地反映超固结软黏土的应力历史，同时包含前期固结应力的量值和相对大小的影响；平面应变状态下的蠕变过程与超固结剪应力比有对应关系，同时受主应力比影响，据此建立的以主应力比和超固结剪应力比为变量的四参数二维蠕变经验模型，包含了正常固结状态，具有较好的适用性；循环荷载长期作用下超固结软土的一维、二维变形过程，孔隙水压力与循环荷载对应，量值渐次消减直至发生等值振荡，对土体的长期变形不产生明显影响，长期沉降变形可采用恒载蠕变模型近似计算；研制开发了低频多波形循环荷载重复加卸荷的动力砝码，建立了循环荷载下的软土动力特性实验仪器系统；研制开发了侧向变形量测装置和孔隙压力测量方法改进常规平面应变三轴仪，独立量测平面应变超固结软土的侧向变形和直接测量试样中心的孔隙压力，为动荷载下的二维蠕变实验创造了条件。 2100433B

我国东南沿海地区软土地层广泛分布。深厚软土路基工后长期沉降可导致安全事故和重大损失。超载预压法处理的深厚软基工程的工后沉降问题具有普遍性，主要原因是超载卸荷后形成的超固结软土的蠕变变形，软基低路堤还应考虑交通荷载的影响。本项研究基于Bjerrum时间平行线理论，建立超固结软土次固结系数的理论模型和一维蠕变沉降模型；根据超固结软土侧压力系数与应力历史的关系，建立一维蠕变理论拓展模型；结合超固结软土的三维蠕变性状，建立三维蠕变体变模型；根据流动法则建立体变和轴向应变的关系，构成三维蠕变沉降统一模型。基于等效时间的思想，建立现场软土蠕变过程时间状态的确定方法，形成考虑三维效应的蠕变沉降算法。依据蠕变模型，以分时段不同恒载蠕变过程迭加逼近低频小幅循环荷载过程，建立循环荷载累计应变迭加模型，最终形成考虑蠕变三维效应和交通荷载的超固结软土沉降模型。研究成果对土力学沉降计算理论也有重要价值。

蠕变，也称潜变，是在应力作用下固体材料缓慢且永久的变形。岩石在地质条件下的蠕变可以产生相当大的变形而所需要的应力却不一定很大。蠕变随时间的延续大致分3个阶段：①初始蠕变或过渡蠕变，应变随时间延续而增加，但增加的速度逐渐减慢；②稳态蠕变或定常蠕变，应变随时间延续而匀速增加，这个阶段较长；③加速蠕变，应变随时间延续而加速增加,直达破裂点。应力越大，蠕变的总时间越短；应力越小，蠕变的总时间越长。但是每种材料都有一个最小应力值，应力低于该值时不论经历多长时间也不破裂，或者说蠕变时间无限长，这个应力值称为该材料的长期强度。岩石的长期强度约为其极限强度的2/3。软土的力学特性不同于一般黏性土，具有高含水率、高孔隙比、高压缩性、低强度和低渗透性等特点，蠕变性是其基本特性之一。土的蠕变特性对于土体固结、土坡稳定以及地基承载力具有显著影响 。2100433B

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

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。