块碎石填方体工后变形机理及数值模型研究结题摘要

针对山区块碎石高填方地基稳定及变形分析这一既有理论意义又有实际工程需求的课题，本项目综合采用理论分析、试验实测、数值模拟等手段进行研究。首先对典型填料，一软岩、一硬岩，进行了几种不同应力路径下的大三轴剪切试验，还进行了两种填料性质的对比，进行了风干试样与饱和试样剪切特性的对比；用大型压缩蠕变仪进行了典型填料的蠕变和反复湿化变形试验等，由此深入揭示了典型填料的力学性质。同时还尝试采用颗粒流分析软件PFC分析填料的力学性质，探索了应用颗粒力学方法对填方体力学性质进行数值模拟试验的方法及可行性，也定性得到一些对山区高填方复杂填料力学性质的认识，作为前述试验的有益补充。 在上述试验研究的基础上，本项目针对块碎石填料力学性质的模拟提出了一种改进的本构模型，能够较好考虑其受剪过程中因颗粒破碎引起的诸多复杂性质，如剪胀性的变化、强度非线性等，还可考虑其蠕变和湿化变形以及二者的耦合。之后，将该本构模型植入有限元软件，实现了实际工程问题的计算，并通过与现场实测对比对所提出的模型及算法进行了检验，展示了其合理可行性。此外，还针对高填方地基的工后沉降计算给出有新意的简化算法，能够考虑荷载变化情况下的蠕变以及与湿化变形的耦合。对高填方地基的稳定分析，本项目也研究建议了能够考虑块碎石高填方强度非线性等复杂性质的简化分析方法以及相应的降低强度参数有限元法。 上述成果具有不同程度的创新性。基于上述研究，本项目发表论文9篇，全部为核心期刊论文，其中6篇被EI收录。还培养博士生、硕士生多名，其中已有2名博士生和2名硕士生顺利通过答辩毕业并获相应学位。此外，在上述研究过程中，本项目一方面依托昆明新机场的高填方地基工程进行实测研究，同时也把研究成果用于该工程，检验完善所提出计算模型的同时，也为工程提供参考，取得很好的社会经济效益。正是由于上述工作，项目组综合本项目和此前所完成项目的成果与其他单位有关同行联合获2012年教育部科技进步二等奖。 2100433B

随着我国经济的持续发展，山地及重丘地区的高速公路、铁路、机场、建筑等工程日益增多，由此出现不少大土石方量的高填方地基。山区高填方地基稳定及变形分析中的突出难点之一就是这种大粒径填方体强度及变形特性的模拟，特别是其工后变形特性的模拟。这是一个目前尚未较好解决而又有较大难度的基础性课题。本项目拟在已有研究及数据积累的基础上，综合采用理论分析、室内大吨位三轴及压缩等试验、离散元数值模拟、现场实测以及依据实测数据对模型及参数反分析识别等方法，深入研究山区常见块碎石填方体的强度及变形特性，特别是其蠕变、湿化变形及其相互耦合影响的规律，进而提出改进的、能够较好描述块碎石填方体强度及复杂变形特性的本构模型及相应的计算方法，为山区高填方地基的工后变形分析与控制提供理论支持，也对这种大粒径填方体本构模型理论的发展作出贡献。

着眼于路堤下搅拌桩复合地基工后特性的研究，探讨搅拌桩处理软土路基工后数年没降过大的原因。利用理论分析、室内试验和现场监测等手段，来研究搅拌桩工后在路堤荷载和交通荷载共同作用下的长期变形特性，提出工后没降计算方法，利用系统工程，预测学等边缘学科的理论，进行沉降工期预测模型研究，预估远期沉降、从而达到控制沉降的目的。 2100433B

基于土体浸水湿化会同时引起其湿化变形及其强度变化的观点，研究湿化效应对高填方红土路基变形影响。首先从试验上开展土体湿化效应试验研究，包括红土湿化变形三轴试验、非饱和红土强度试验及降雨或浸水工况下红土填方路基室内大尺寸模型试验；研究干密度、初始含水率及级配等物理特性对湿化变形及强度变化影响规律，研究反复湿化、部分湿化及减荷条件下湿化引起的湿化变形特征，建立非饱和红土湿化变形以及非饱和红土强度定量表达式；其次从理论上研究湿化效应影响下饱和-非饱和土体渗透固结规律，建立能考虑土体湿化变形以及非饱和土强度随含水率变化的饱和-非饱和渗透固结耦合方程，研究其在岩土工程有限元计算中应用方法，完成相应有限元计算编程；利用开发程序分析湿化效应作用下路基的变形规律以及路基干湿状况、填筑干密度、填筑含水率、颗粒级配及车辆荷载等因素对路基沉降变形影响；根据数值分析成果与室内模型试验结果，提出相应变形控制措施。

本项目基于膨胀土地基灾害频发，而现有膨胀土体变理论尚有缺陷、膨胀土地基变形计算方法过于简化的背景，开展了以下四个内容的研究： （1）膨胀土体变的微观机理研究； （2）膨胀土体积变化本构模型研究； （3）孔隙比和应力状态对膨胀土SWCC的影响研究； （4）膨胀土地基变形计算理论与方法研究。 取得的成果如下： （1）从压实膨胀土的孔隙结构入手，通过室内试验，研究了非饱和土状态变量净平均应力和基质吸力（含水率）对压实膨胀土宏、微观孔隙结构演化的影响，探明了压实膨胀土体变的微观机理，从而为建立膨胀土体变模型打下了基础； （2）建立了考虑压实膨胀土微观孔隙结构影响的体变本构模型。该模型能够描述等含水率和等基质吸力状态下，压实膨胀土的非线性NCL特性以及压缩过程中饱和度的变化，并能够预测压缩量随竖向应力的增大先增大后减小的非单调变化规律。 （3）试验结果表明，孔隙比才是影响SWCC的直接因素，而应力状态是通过影响孔隙比而影响SWCC的间接因素。因此，在建立SWCC模型时，应以孔隙比而不是应力状态作为变量；在含水率-基质吸力-孔隙比三维空间中，建立了考虑膨胀土体变影响的土-水特征曲面及其函数方程； （4）基于非饱和土理论，提出简单实用的膨胀土地基增湿变形的计算理论和方法； （5）提出了膨胀土“残余膨胀力”的概念，并建立了反映蒙脱土含量和NaCI溶液浓度影响的残余膨胀力预测模型； （6）基于土的土-水特征曲线（SWCC）和收缩特征曲线（SSCC）的特点以及二者之间的联系，采用三直线的分段 SSCC模型，结合非饱和土的三相比例关系，推导出了非饱和土孔隙比与基质吸力之间关系的通用模型。 （7）提出了预测 van Genuchten（VG）模型参数 n的一个土壤转换函数（pedotransfer function, PTF），该函数是 一个非线性回归方程，与初始孔隙比 e0 的回归方程结合起来，用以预测不同初始孔隙比土的土-水特征曲线 （SWCC）。 2100433B