高速交通荷載作用下軟土地基的長(zhǎng)期累積沉降特性分析項(xiàng)目摘要

沉降控制是交通工程軟土地基關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題之一。高速交通荷載引起的長(zhǎng)期累積沉降在地基工后沉降中占有相當(dāng)大的比例，本項(xiàng)目用Houlsby 等創(chuàng)建的超粘塑性理論完善Suiker 雙時(shí)間尺度循環(huán)安定理論，以此為理論指導(dǎo)，（1）利用胡亞元?jiǎng)?chuàng)建的軟土低幅值循環(huán)一維本構(gòu)模型同時(shí)反映主固結(jié)變形，蠕變和循環(huán)累積變形耦合作用的優(yōu)點(diǎn)，建立交通荷載作用下路基一維總沉降和工后沉降簡(jiǎn)化公式；（2）根據(jù)室內(nèi)動(dòng)三軸試驗(yàn)把軟土低幅值循環(huán)一維本構(gòu)模型推廣為三維本構(gòu)模型。測(cè)定其模型參數(shù)；建立軟土單元循環(huán)動(dòng)剛度矩陣，通過(guò)用戶(hù)接口植入ABAQUS有限元軟件分析平臺(tái)，對(duì)高速交通荷載作用下軟土地基的長(zhǎng)期累積沉降特性進(jìn)行數(shù)值模擬；選擇關(guān)鍵工況，利用大比例循環(huán)荷載模型試驗(yàn)對(duì)理論預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。本研究成果能揭示軟基長(zhǎng)期循環(huán)累積變形發(fā)展過(guò)程中暗含固結(jié)、蠕變和循環(huán)荷載累積變形耦合作用等復(fù)雜機(jī)理，為軟土路基工后沉降控制提供依據(jù)。

沉降控制是交通工程軟土地基關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題之一。高速交通荷載引起的長(zhǎng)期累積沉降在地基工后沉降中占有相當(dāng)大的比例。本項(xiàng)目首先完善了Houlsby 等創(chuàng)建的超粘塑性理論，利用熱力學(xué)第二定律證明了歐拉n次屈服函數(shù)必須滿(mǎn)足非相關(guān)聯(lián)流動(dòng)準(zhǔn)則。基于超粘彈性理論提出準(zhǔn)塑性的粘彈性概念,由此根據(jù)Suiker 循環(huán)安定理論獲得軟土流變模型與長(zhǎng)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(zhǔn)塑性的粘彈性理論模擬軟土的長(zhǎng)期循環(huán)累積沉降特性。在此觀(guān)念啟發(fā)下，采用Yin-Graham一維等效時(shí)間流變模型模擬一維壓縮條件下的長(zhǎng)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(dòng)耗散勢(shì)為擴(kuò)展基礎(chǔ)的三維準(zhǔn)塑性粘彈性模型模擬三維長(zhǎng)期循環(huán)累積變形特性。進(jìn)行了室內(nèi)GDS雙向振動(dòng)三軸試驗(yàn)，研究了不同動(dòng)靜偏應(yīng)力比、不同頻率、不同循環(huán)次數(shù)和不同超固結(jié)比對(duì)軟土循環(huán)累積變形發(fā)展規(guī)律的影響，標(biāo)定了模型參數(shù)。采用交替方向隱式差分法對(duì)循環(huán)荷載作用下的控制方程進(jìn)行數(shù)值離散，采用Newton-Raphson迭代求解非線(xiàn)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(shí)間尺度（包括長(zhǎng)短時(shí)間尺度）、漸進(jìn)展開(kāi)和均勻化技術(shù)分離了循環(huán)荷載作用下的瞬態(tài)響應(yīng)和長(zhǎng)期響應(yīng)。采用加權(quán)余量法數(shù)值求解了循環(huán)荷載作用下長(zhǎng)短尺度三維流變控制方程，數(shù)值模擬了軟基固結(jié)、蠕變和循環(huán)累積變形相互作用復(fù)雜耦合機(jī)理。基于上述試驗(yàn)和數(shù)值分析成果，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)大尺寸高速公路軟土路基沉降試驗(yàn)，獲得了軟土地基長(zhǎng)期循環(huán)累積沉降和工后沉降經(jīng)驗(yàn)公式。研究課題完成了預(yù)定目標(biāo)，為軟土路基累積沉降和工后沉降控制提供理論和試驗(yàn)依據(jù)。 2100433B

本項(xiàng)目擬通過(guò)動(dòng)靜三軸儀、土體循環(huán)流變儀等試驗(yàn)手段，研究軟粘土在長(zhǎng)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(gòu)模型；同時(shí)在已有加筋土模型的基礎(chǔ)上，提出改進(jìn)的加筋土動(dòng)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(dòng)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(guò)自制的模型箱試驗(yàn)設(shè)備，模擬交通荷載作用下，加筋路基和軟土的動(dòng)力沉降特性，并考慮加筋層數(shù)，加筋布置，加筋墊層厚度等因素對(duì)加筋路堤的沉降特性的影響。最后將有限元分析的結(jié)果與模型試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行比較，檢驗(yàn)上述各項(xiàng)成果的可靠性和正確性。本課題的研究成果將不僅在學(xué)術(shù)界富有理論內(nèi)涵，還有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。 2100433B

近年來(lái)，隨著糧食物流建設(shè)的迅猛發(fā)展，對(duì)筒倉(cāng)、油罐等地基變形的控制要求越來(lái)越高。同時(shí)在集裝箱碼頭、堆場(chǎng)等地也存在長(zhǎng)期反復(fù)荷載的作用。由于軟土固結(jié)理論落后于工程實(shí)踐的發(fā)展，使得長(zhǎng)期低頻反復(fù)荷載引起的軟土地基累積沉降問(wèn)題日益突出。本項(xiàng)目將依托中國(guó)糧食流通建設(shè)項(xiàng)目重點(diǎn)工程，擬以鄭州等地軟土為研究對(duì)象，考慮其所受荷載的特殊性，從土體固結(jié)釋水角度出發(fā)，綜合運(yùn)用室內(nèi)土工試驗(yàn)、理論分析、數(shù)值模擬以及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等技術(shù)手段，探究軟土釋水固結(jié)與反復(fù)變形等宏觀(guān)行為下的微觀(guān)機(jī)理與內(nèi)在聯(lián)系，揭示長(zhǎng)期低頻反復(fù)荷載作用下飽和軟土地基的固結(jié)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(shí)地反映長(zhǎng)期低頻反復(fù)荷載下飽和軟土地基沉降的計(jì)算方法。通過(guò)本項(xiàng)目的實(shí)施，不僅可以完善該類(lèi)軟土地基的設(shè)計(jì)理論，實(shí)現(xiàn)土力學(xué)的發(fā)展，而且對(duì)于河南乃至我國(guó)糧食物流設(shè)施建設(shè)及其運(yùn)營(yíng)安全具有十分重要的工程指導(dǎo)意義。 2100433B