交通荷载引起的软基低路堤高速公路长期沉降研究

This Subject uses British GDS hollow cylindrical torsion shear apparatus and self-developed "traffic loading model test device". With the engineering background of the long-term settlement of the low embankment highway and according to the over-consolidated characteristics of saturated soft clay generated by surcharge preloading and traffic load, this subject is going to research the dynamic strength and deformation characteristics of over-consolidated saturated soft clay by taking the characteristics of the large number of traffic load, low amplitude, continuous rotation of the principal stress axes into consideration. Then the law of strain and pore pressure development of over-consolidated saturated soft clay under different conditions can be determined, the impact of surcharge preloading and unloading rate on the dynamic characteristics of over-consolidated saturated soft clay can be revealed, and the mechanism of over-consolidated saturated soft clay foundation under large-number cyclic loading can be explored. So the working properties of the over-consolidated saturated soft clay under traffic loads can be accurately reflected. On this basis, the parameters that can reflect the dynamic characteristics of over-consolidated clay and the principal stress axis rotation can be introduced, and the empirical equation that calculate the over-consolidated soil settlement under traffic loads can be established. And then the settlement calculation theory of over-consolidated saturated soft clay can be proposed combining with verification and optimization of traffic loading model test device to the empirical equation proposed. The above subject has a wide engineering application and significant economic value.

本课题利用英国GDS空心圆柱扭剪仪和自主研发的"交通荷载模型试验装置"，以软基低路堤高速公路的长期沉降为工程背景，针对饱和软粘土在超载预压和交通荷载作用产生的超固结特性，考虑交通荷载大周数、低幅值、主应力轴连续旋转的特点，研究交通循环荷载作用下考虑主应力轴连续旋转的超固结饱和软粘土的动强度、变形特性，确定不同条件下超固结饱和软粘土的应变和孔压发展规律，揭示超载预压时间和卸载速率对超固结饱和软粘土动力特性影响，探索超固结饱和软粘土地基在大周数循环荷载下的工作机理，从而更准确的反映超固结饱和软粘土在交通荷载作用下的工作性状。在此基础上，引入反应超固结土动力特性和主应力轴旋转的参数，建立交通荷载作用下超固结土沉降计算经验方程，结合交通荷载模型试验装置对提出的经验方程进行验证和优化，提出交通荷载作用下超固结饱和软粘土的沉降计算理论。本课题具有广泛的工程应用前景和重大的经济价值。

本研究项目针对低路堤高速公路在运营过程中的工后沉降问题进行深入的分析研究。低路堤高速公路由于路堤高度低，交通荷载产生的动应力不能在路堤中充分扩散再传递到地基上，导致地基土受到交通荷载的循环往复作用，因而加剧了地基的沉降变形。现有的沉降计算方法不能较为准确地预测这种长期沉降的主要原因是现有理论没有考虑交通荷载的移动特性，以及长期往复、低频、低幅动荷载对饱和软粘土的作用。基于此，本课题采用空心圆柱扭剪仪，考虑交通荷载在地基内部产生的主应力轴旋转特性，系统性地定量研究循环荷载作用下软粘土的动强度、孔压累积、以及变形特性，揭示主应力轴旋转效应对软粘土动力特性影响。根据试验结果，考虑主应力轴旋转效应，提出了一种修正的Monismith经验方程，并在有限元软件中成功应用。运用本研究成果，计算了越江隧道在交通荷载作用下的运营期沉降。软粘土存在显著的时间相关特性，现有的沉降计算方法未能考虑软粘土的时间特性及蠕变产生的固结沉降。本课题进行了大量固结试验，提出一个更优的描述黏土非线性蠕变的方法，分析了率相关系数、蠕变系数以及应力松弛系数之间的关系，得到了三者的关键参数之间的特定关系。成功将非线性蠕变计算方法在有限元中应用，计算了某路堤下软粘土蠕变产生的固结沉降。本项目研究还采用了自主研发的“交通荷载模型试验装置”进行室内模型试验，并与上文计算方法进行对比，验证方法计算的正确性。于此同时，开展了解析解研究，对任意荷载下土体固结问题进行分析，针对成层土体、参数随深度变化土体、以及变孔压排水边界条件等复杂情况，进行了计算，成果拓展了原有解析解。本项目研究有助于深入认识软粘土在交通荷载作用下的沉降规律，研究成果在工程中可以指导低路堤高速公路设计，对岩土工程、交通工程和基础工程的发展具有较重要的意义。