考虑应力路径的黏性土变形时间效应模型及应用研究

The construction and utilization of expressway, high-speed railway, subway, and so on, have put forward an urgent requirement for the study of the time-dependent deformation of soil under complex loading conditions. The post-construction settlement and long-term deformation of foundation makes difficult the safety assessment and maintenance management of the underground structures. The time-dependent behavior of clayey soil controls the post-construction deformation which happens in almost all kinds of foundation practices. In this project, the time effect on deformation of saturated clayey soil is studied by means of laboratory tests, discrete element method simulations and theoretical analysis. The studies are (1) to test in laboratory the time-dependent deformation behavior of clayey soils, including the creep under static loading and the accumulated deformation under cyclic loading, with several different loading paths; (2) to carry out discrete element method (DEM) simulations of static and cyclic loading on granular samples. By statistics analysis of the evolution of micro-fabric parameters and contact features, the stress path effect on the time-dependent behavior of soil is to be clarified; (3) to set up a unified time-dependent constitutive model by introducing the "stress path parameter". The new model will be tested by the laboratory tests. The purpose of this project is to establish the theory of time effect on soil’s deformation which can be applied to estimate the time-dependent deformation of foundations on clayey soils.

高速公路、高速铁路、地铁等工程的兴建与利用对地基土在复杂加载条件下的时间变形特性的研究提出了新的要求。地基的工后沉降和长期变形已成为工程安全运营和维护管理中的难题。本项目以饱和黏性土为研究对象，拟通过室内试验、离散元数值模拟和理论分析相结合的方法对土体变形的时间效应开展研究，主要内容包括：（1）通过不同加载路径的室内试验，认识饱和黏性土在静力条件下的蠕变特性和循环加载条件下的变形累积特性，分析土的变形时间效应影响因素；（2）采用离散元法数值模拟，对颗粒材料在静动力加载条件下的组构演化、细观参量等进行统计分析，明确各种应力因素对土体变形的时间特性的影响机理；（3）建立考虑应力路径的变形时间效应统一模型，并将饱和黏性土的本构模型与时间效应模型耦合，建立可以考虑时间效应的饱和黏性土本构模型，并进行验证。拟通过本项目研究构建土体变形时间效应理论，并将其应用于地基变形发展规律的工程预测。

地基的工后沉降和长期变形评价是城市地铁隧道、地下快速路、综合管廊等地下结构工程以及高速公路和高速铁路等交通工程安全运营中需要解决的重要工程问题之一，因此对地基土在不同加载路径下的时间变形特性的研究具有重要的科学意义和工程应用价值。本项目以饱和黏性土为研究对象，采用土工试验、理论分析和数值模拟相结合的方法对土的静、动力变形的时间效应开展研究，主要工作和研究结果如下。.（1）通过各类黏性土在不同加载路径的室内外土工试验分析，提出了孔压-时间曲线特征法，用以划分静力作用下黏性土变形的主、次固结阶段；在变形-时间（循环次数）分析的基础上，明确了饱和黏性土的静力蠕变特性和循环加载变形累积特性，通过离散元数值模拟分析，揭示了黏性土变形时间效应的细观机理；明确了应力水平、循环应力幅值和循环周期是土的时间变形的主要影响因素；.（2）开展蠕变曲线特征分析，提出了双曲线经验模型，可将其拓展应用于描述黏性土的循环累积变形；蠕变模型包含两个参量：最终蠕变应变量和时间参量，分别代表蠕变量的大小和发展快慢；两个模型参量均与应力水平参数、循环应力幅值参数和循环周期参数呈规则相关性，但需要区分不同的应力路径（等向固结、三轴剪切）加以确定；.（3）在双曲线模型基础上，结合临界状态土力学理论，定义延时硬化参量，建立了可以考虑时间效应的饱和黏性土本构模型，并进行了试验验证，其模型参数可通过常规土工试验确定。.（4）结合基坑工程、隧道工程等实际工程案例，开展有限元数值模拟，与现场实测进行了对比分析，一方面讨论了土的本构模型对地基变形分析的适用性和模型参数取值，另一方面明确了相关工程地基变形特性和影响因素，可为地基变形控制提供参考。.通过本项目研究，建立了饱和黏性土静动力时效本构模型框架，但是关于考虑变形累积效应的动力本构模型还需要进一步深化研究和进行验证，而模型参数取值方法的建立还有待更多的室内外土工试验和分析。