部分排水循环荷载作用下软黏土固结特征变化及竖向排水板加固软黏土动载固结模型研究

The soft soil subgrade under long-term cyclic loads like traffic loads or wave loads is usually partially drained. The variation of excess pore water pressure and the accumulation of soil deformation can be considered consolidation accompanied phenomena under cyclic loading. The effect of a decreased void ration caused by seepage and a decreased effective stress due to the generation of excess pore pressure on the coefficient of volume compressibility will be studied by conducting recompression tests after partially drained cyclic loading, and the evolution law of the coefficient of volume compressibility will be given. Then an axisymmetric consolidation model of soft clay under cyclic loading with both vertical and radial drainage will be proposed by considering the interaction between cyclic shear and seepage by combining an axisymmetric consolidation model with an undrained cyclic model. Furthermore, a plain strain consolidation model under cyclic loading with both vertical and horizontal drainage will be established based on the transforming criterion between axisymmetric method and plain strain method. The plain strain model will be more suitable for predicting the bearing capacity and deformation of large area soft soil subgrage reinforced by prefabricated vertical drains. The results of this project will be valuable in predicting the soil behavior under long-term cyclic loading.

长期循环荷载（如交通荷载、波浪荷载等）作用下的软黏土处于部分排水状态，土体的孔压变化及变形累积增长现象可归结为循环荷载作用下的土体固结问题。本项目首先通过设计进行部分排水循环荷载作用后的再固结试验，研究部分排水循环加载过程中随着土体释水导致的孔隙比减小及孔压增长引起的有效应力减小对体积压缩系数的影响，给出体积压缩系数演化规律表达式并应用于提出的动载固结模型。基于循环剪切与渗流固结的动态相互作用，结合轴对称单元体固结理论与不排水循环加载模型，建立考虑竖向渗流及径向渗流的土体动载单元体固结模型。基于轴对称及平面应变单元体的转换法则，将土体包裹单个竖向排水板形成的轴对称单元体模型扩展为在大面积加固土场地更适用的平面应变动载固结模型，预测长期循环荷载作用下竖向排水板加固土的承载力及变形特性。研究成果将有助于提高长期循环荷载作用下土体力学模型预测的置信度及工程预测的准确性。

近年来，竖向排水板越来越多地用于滨海地区的软土地基加固工程，理论也随之完善起来。相比于体系较成熟的静力荷载作用下竖向排水板加固土的力学性能研究，交通荷载等长期循环荷载作用下竖向排水板加固土的力学性能缺乏试验及理论研究。基于此，本项目开展了一系列的试验、理论及模型研究。项目组成员在2018年3月至6月间，先后4次来到上海轨道交通15号线古浪路站施工现场进行取土工作。对取出的原状土试样（包括3个深度，即8.9、14.8、19.6 m，及2个方向，即水平向、竖直向），进行常规分级荷载及循环荷载作用下的固结-渗透联合试验，获得了上海黏土固结特性及其各向异性。然后，建立了部分排水循环荷载作用下软黏土轴对称单元体固结模型，并通过与试验数据进行对比验证了模型的正确性。该模型解决了“如何模拟部分排水引起土体释水、孔压消散与循环荷载作用引起孔压生成的动态相互作用”的这个关键科学问题。研究表明通过安置竖向排水板缩短排水路径，能够有效改善交通荷载等长期循环荷载作用下软土地基的排水条件。排水条件的改善不仅能够加快孔隙水压力的消散、提高土体强度，并且能够减少土体的最终沉降量。另外，合理考虑渗流情况、固结特征变化及各项异性、荷载间歇期能够提高竖向排水板加固土动载固结模型预测的置信度。本项目研究成果将为交通荷载等长期循环荷载作用下竖向排水板加固土的力学性能评估提供理论依据。