考虑应力路径和超静孔隙水压作用的软土卸荷蠕变特性及本构模型研究

The unloading creep characteristics of soft soil are of great importance to the engineering design and unloading excavation of the underground space in water-rich soft soil areas. However, at the present stage, relevant research and design specifications neglect the weakening influence of unloading stress path and excess pore water pressure on the unloading creep characteristics, which frequently result in engineering accidents of the space excavation in soft soil areas. This project focuses on the influence mechanism and description of unloading stress path and excess static pore water pressure on the soft soil creep, which is a core and key scientific problem. The project considers the influence of two kinds of unloading stress path, four kinds of unloading ratio and four kinds of excess static pore water pressure. On the basis of this consideration, the project conducts unloading strength tests and unloading creep tests of rich water muddy soft soil in soft soil area, with regard to the unloading stress path and excess static pore water pressure. The project also explores the failure rules of the unloading creep of soft soil under different stress paths and ratios. The aim is to reveal the influence mechanism of excess static pore water pressure on unloading creep characteristics of soft soil. Based on the experimental results and theoretical analysis, an unloading creep constitutive model of soft soil that considers the influence of excess static pore water pressure is to be established. Its numerical value is to be realized and applied to the space engineering design of soft soil under the influence of unloading creep and excess static pore water pressure. The results of the research project have important scientific significance for the study of unloading creep of soft soil under multiple factors, and have important engineering implications for optimizing the design of the space under the water-rich soft soil.

软土卸荷蠕变特性对于富水软土地下空间的工程设计及卸荷开挖至关重要，但现阶段相关研究和设计规范忽视了卸荷应力路径和超静孔隙水压对卸荷蠕变特性的弱化影响，导致软土地下空间开挖的工程事故频发。本项目围绕卸荷应力路径和超静孔隙水压对软土卸荷蠕变的影响机制及其力学描述这一核心和关键科学问题，在考虑2类卸荷应力路径、4种卸荷比和4种超静孔隙水压影响的基础上，对富水软土地区的淤泥质软土开展卸荷应力路径和孔隙水压作用的卸荷强度试验、卸荷蠕变试验。探索不同卸荷应力路径和卸荷比对软土卸荷蠕变的破坏规律；揭示超静孔隙水压对软土卸荷蠕变特性的影响机理。结合试验成果和理论分析，建立考虑超静孔隙水压影响的软土卸荷蠕变本构模型，将其数值实现并应用于考虑蠕变效应和超静孔隙水压影响的软土地下空间工程设计。项目研究成果对于多因素作用下的软土卸荷蠕变研究具有重要的科学意义，对于优化富水软土地下空间的设计具有重要的工程应用价值。

研究背景：.软土是一种区域性特殊土，广泛地分布在我国珠三角、长三角等沿海地区，涉及包括上海、深圳、广州等11个省（区、市）的38个城市。然而，软土地区地下空间开挖过程中，软土围岩在孔隙水压作用下常发生卸荷蠕变破坏，但现阶段相关研究和设计规范忽视了卸荷应力路径和超静孔隙水压对卸荷蠕变特性的弱化影响。.主要研究内容：.项目深圳地区软土为研究对象，开展了UU（卸轴压卸围压）和UL（卸轴压加围压）两类卸荷应力路径和0/20/40/60kPa四类超静孔隙水压作用下软土卸荷强度试验和卸荷蠕变实验。在此基础上，研究软土不同卸荷应力路径和卸荷比对软土卸荷蠕变的破坏规律，揭示超静孔隙水压对软土卸荷蠕变特性的影响机理，建立考虑超静孔隙水压影响的软土卸荷蠕变本构模型，将其数值实现并应用于考虑蠕变效应和超静孔隙水压影响的软土地下空间工程设计。.重要结果：.（1）发现了超静孔隙水压对软土卸荷强度的定量影响规律.在同一卸荷应力路径中，超静孔隙水压对软土卸荷强度具有极大的弱化作用。固结围压越低、初始超静孔隙水压越高，软土卸荷破坏就越具有突然性。40kPa时软土的卸荷模量急剧降低，建议将超静孔隙水压为20kPa作为软土地下空间施工过程中超静孔隙水压控制的一个参考。.（2）揭示了卸荷比R对软土卸荷力学特性的影响规律.研究UUR和ULR应力路径中，4种卸荷比（R=0.0、0.5、1.0、2.0）对软土的作用效果。结果表明：UU应力路径中，不同卸荷比R作用下软土卸荷破坏模式不同（R=0,0.5,1时软土发生压缩破坏，而R=2和∞发生伸长破坏），随着卸荷比的增大，初始卸荷模量以及粘聚力c均减小，工程设计中应考虑软土卸荷力学特性减小所带来的不利。ULR应力路径中，土体变形为伸长破坏，随着卸荷比R的增大，土体轴向变形越小。.（3）构建了考虑超静孔隙水压的软土卸荷蠕变模型并数值实现.在软土卸荷蠕变的基础上，通过对参数进行非定常处理，建立了一个以Burgers模型串联非线性粘弹塑性模型的考虑孔隙水压作用下的软土非线性蠕变模型，并对模型中进行参数辨识。在FLAC3D的基础上，对构建的本构模型进行二次开发，实现了研究成果用于软土地下空间开挖的数值分析研究。.科学意义：研究成果对于多因素作用下的软土卸荷蠕变研究具有重要的科学意义，对于优化富水软土地下空间的设计具有重要的工程应用价值。