高速交通荷載作用下軟土地基的長期累積沉降特性分析

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。本項目首先完善了Houlsby 等創(chuàng)建的超粘塑性理論，利用熱力學第二定律證明了歐拉n次屈服函數必須滿足非相關聯(lián)流動準則?；诔硰椥岳碚撎岢鰷仕苄缘恼硰椥愿拍?由此根據Suiker 循環(huán)安定理論獲得軟土流變模型與長期循環(huán)累積沉降模型具有一致性這一物性規(guī)律，故可用準塑性的粘彈性理論模擬軟土的長期循環(huán)累積沉降特性。在此觀念啟發(fā)下，采用Yin-Graham一維等效時間流變模型模擬一維壓縮條件下的長期循環(huán)累積沉降特性，采用以Yin-Graham一維流變模型為硬化規(guī)律以修正劍橋模型流動耗散勢為擴展基礎的三維準塑性粘彈性模型模擬三維長期循環(huán)累積變形特性。進行了室內GDS雙向振動三軸試驗，研究了不同動靜偏應力比、不同頻率、不同循環(huán)次數和不同超固結比對軟土循環(huán)累積變形發(fā)展規(guī)律的影響，標定了模型參數。采用交替方向隱式差分法對循環(huán)荷載作用下的控制方程進行數值離散，采用Newton-Raphson迭代求解非線性差分方程，編制了一維循環(huán)累積沉降分析程序。采用雙時間尺度（包括長短時間尺度）、漸進展開和均勻化技術分離了循環(huán)荷載作用下的瞬態(tài)響應和長期響應。采用加權余量法數值求解了循環(huán)荷載作用下長短尺度三維流變控制方程，數值模擬了軟基固結、蠕變和循環(huán)累積變形相互作用復雜耦合機理。基于上述試驗和數值分析成果，結合現場大尺寸高速公路軟土路基沉降試驗，獲得了軟土地基長期循環(huán)累積沉降和工后沉降經驗公式。研究課題完成了預定目標，為軟土路基累積沉降和工后沉降控制提供理論和試驗依據。 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）根據室內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；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。

本項目擬通過動靜三軸儀、土體循環(huán)流變儀等試驗手段，研究軟粘土在長期循環(huán)荷載作用下的流變特性，提出能考慮循環(huán)荷載作用下天然軟粘土流變性的軟粘土粘彈塑性本構模型；同時在已有加筋土模型的基礎上，提出改進的加筋土動力彈塑性模型；編制能綜合考慮交通荷載作用下加筋土的動力特性及軟粘土流變性的加筋路基沉降分析的有限元程序。并通過自制的模型箱試驗設備，模擬交通荷載作用下，加筋路基和軟土的動力沉降特性，并考慮加筋層數，加筋布置，加筋墊層厚度等因素對加筋路堤的沉降特性的影響。最后將有限元分析的結果與模型試驗的結果進行比較，檢驗上述各項成果的可靠性和正確性。本課題的研究成果將不僅在學術界富有理論內涵，還有重要的工程應用價值。 2100433B

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)，綜合運用室內土工試驗、理論分析、數值模擬以及現場監(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