基于光纤光栅土体小应变刚度测试及小应变本构模型研究

The non-linear behavior of soil stiffness and the constitutive model at small strains are key scientific problems for understanding the soil mechanics at small strains, analyzing soil-structure interaction, and optimizing displacement controlled design for geotechnical structures. This project is based on the fiber optic sensing technology, development and design a new fiber optic sensors based local displacement transducer to measure soil small strain with high accuracy and resolution which will be modified into a triaxial apparatus. A series of tests will be conducted to analyze the effect of void ratio, over-consolidated ratio, and mean effective stress on the soil stiffness at small strains for a typical clay. Based on the test results and theory analysis, the non-linear relationship equation of soil stiffness at small strains will be derived. A new constitutive model with consideration of non-linear soil stiffness at small strains will be developed with combination of modified Cam-clay model. This new constitutive model can be used for displacement controlled design for geotechnical structures at small strain status during construction or in service. The effect of non-linear soil stiffness behavior on the displacement controlled design will be elaborated. The outcomes of this project can provide theoretical and scientific basis for displacement controlled design and optimized design of tunnels, deep excavations and other geotechnical projects.

土体小应变刚度的非线性变化及本构模型的研究是认识土体在小应变状态下的力学机理，分析土与结构的相互作用，优化岩土结构变形控制的关键科学问题。本研究基于光纤光栅传感技术，开发并研制光纤光栅局部位移计，用于更精确测量土体的局部小变形并改装到三轴试验仪中，以典型黏土为研究对象，系统试验分析孔隙率、超固结度和有效应力对土体小应变刚度影响以及不同应力状态下土体小应变刚度的非线性变化，基于试验数据和理论研究，建立土体小应变刚度非线性变化的定量模型，结合修正的剑桥模型，建立考虑小应变状态下刚度非线性变化的本构模型，揭示岩土工程结构在施工或工后小应变状态下变形调控机理，阐明小应变刚度的非线性变化对变形控制的影响，为推动岩土结构工程的变形控制提供理论基础，为优化隧道、深基坑等岩土工程的变形控制提供科学依据。

土体小应变刚度非线性变化的准确表征成为制约岩土工程结构变形控制的关键科学问题。土体在小应变情况下参数的非线性变化的精确量测是开展相关研究的重要一步，因此，本项目首先结合光纤光栅传感技术的优势，开发出新型的土体小应变测量装置，成功将光纤光栅技术应用于土体小应变的精确量测，并结合弯曲元测试技术，成功开发出土体从微小应变、小应变到大应变下力学性能的不间断测量，成功揭示了土体模量非线性变化规律。在此基础上，深入分析了土体小应变的影响因素以及应变传递的机理，进一步的依托现场工程实例，分析了土体在小应变情况下应变传递规律，提出了应变传递模型。在此基础上，提出了考虑土体小应变刚度非线性变化的计算方法，并应用于抗滑桩的工程实例，对土体的变形响应和稳定性进行了详细的评价分析。.在项目的支持下，发表学术论文14篇，其中第一作者或通讯作者的SCI论文11篇，EI中文论文3篇，获得国家发明专利2项，获得2016年湖北省科协青年科技晨光计划A类奖励，累计独立指导培养硕士生研究生5名，其中已毕业硕士毕业2名，在项目执行期间，累计参加10次国内外学术交流会并均做了学术报告。项目研究成果推动了岩土体小应变测试技术的发展和基坑、边坡在小应变情况下的变形计算，为我国岩土工程的变形计算和控制提供了理论和技术支撑。