考虑饱和软粘土循环软化效应的单桩水平承载特性研究

本项目旨在考虑饱和软粘土循环软化效应的前提下，拟从试验和数值模拟两个方面入手，对水平循环荷载作用下单桩的变形规律和承载特性进行系统的研究。利用GDS双向振动三轴仪、空心圆柱扭剪仪开展复杂循环应力条件下的饱和软粘土动力特性试验研究，系统分析频率、围压、超固结比、尤其是循环剪应力、径向循环应力、相位差所引起的主应力轴旋转等因素对饱和软粘土动力刚度的影响，进而提出饱和软粘土动力刚度软化模型；对有限元软件ABAQUS进行二次开发，结合土体动力刚度软化模型进行水平循环荷载作用下桩土数值模拟计算，深入探讨相关参数对单桩水平变形的影响规律；开展水平循环荷载下的桩基大比例模型试验研究，对数值计算的结果进行验证；最终提出以变形为控制标准的水平循环荷载作用下饱和软粘土地基中单桩承载力的确定方法。本项目的研究即具有丰富的学术内涵，又有重大的工程应用价值，可为海上工程等桩基设计提供可靠的理论指导和技术支持。

我国东南沿海地区广泛分布着深厚饱和软粘土。在循环荷载长期往复作用下，会引起软粘土应变累积、强度降低，导致重大工程过大变形和失稳等灾变，造成巨大经济损失，甚至威胁生命安全。开展复杂应力路径的饱和软粘土动力特性研究，则是解决这一问题的关键所在。本项目在考虑饱和软粘土循环软化效应的前提下，对水平循环荷载作用下单桩的变形规律和承载特性进行了理论和试验研究，主要从以下几个方面进行了研究： . (1) 针对循环荷载作用的长期性特征，开展了不同围压和不同循环应力比下的单向激振三轴试验。研究了饱和软粘土在长期循环加载下的孔压发展、应力-应变滞回曲线演化、模量软化及应变累积特性。基于有效路径峰值点到临界状态线（CSL）的距离与轴向总应变的关系建立了长期循环荷载作用下孔压-应变模型；建立了长期循环荷载作用下饱和软粘土试样回弹模量经验方程，为数值分析中模量的选取提供了指导；建立了长期循环荷载作用下累积应变经验方程，给出了方程中两个参数εp,1000和λ的物理意义和确定方法，进一步通过对不同循环应力比下的方程参数进行回归分析，得到了饱和软粘土的长期累积应变预测模型。.(2) 通过对不同围压和不同循环应力比下经50000次循环后的稳定回弹模量和累积应变进行分析，提出了可以控制长期循环荷载下软粘土累积应变的容许循环应力比(CSR = 0.32)，容许循环应力比提出，克服了在软粘土地区采用门槛循环应力比过于保守，而采用临界循环应力比又难以控制过大变形的难题。 .(3) 针对循环荷载作用下饱和软粘土地基上大主应力的大小和方向同时变化的特点，利用GDS空心圆柱系统对K0固结试样进行了循环扭剪（CTS）和循环三轴（CT）应力下的对比试验研究。研究发现相同竖向动应力水平下，CTS试验中由于主应力轴的循环旋转加速了饱和软粘土回弹和累积应变的产生。通过修正循环应力比引入考虑主应力轴旋转的η参数，建立了考虑主应力轴循环旋转的累积应变计算模型。 .(4)考虑循环加载历史对饱和软粘土动强度的影响，提出可以通过小应变剪切模量的突变定义饱和软粘土的破坏，研究显示循环围压对饱和软粘土的影响很大，试验结果有助于人们深入了解循环荷载影响饱和软粘土动力特性的机理。.(5) 进行了水平循环荷载作用下单桩的大比例模型试验研究，试验结果表明：循环加载使桩周土体产生累积塑性变形，桩–土体系水平刚度随循环次数增加不断下降。