静动三维应力状态下超固结软粘土累积变形特性及显式模型试验研究

The object of this project is the overconsolidated soft clay foundation induced by surcharge preloading or stress relief in road or subway engineering. Based on the true triaxial tests, the anisotropy due to the embankment is simulated by the three-dimensional consolidation state, and the coupling of vertical cyclic normal stress and horizontal cyclic normal stresses of two directions is simulated by the coupling of cyclic major, intermediate and minor principal stresses. The accumulated deformation behavior of overconsolidated soft clays is investigated, and the influences of three-dimensional consolidation state, coupling of three cyclic principal stresses and OCR on the development directions of strain increment tensor is researched. Relationships between strain increments and PI, PCR, cyclic stress paths, coefficient of intermediate principal stress, cycle numbers and drainage conditions are established, and a explicit model of permanent deformation for overconsolidated soft clays considering many factors is founded, to support a method for the prediction and control of overconsolidated soft clay foundation settlement.

本项目针对道路、地铁等工程中由于超载预压、应力释放等原因引起的超固结软粘土地基，基于动静真三轴等室内单元试验，使用三维应力固结模拟路堤堆载引起的应力诱发各向异性，通过循环大、中、小主应力的耦合模拟行车荷载下竖向循环正应力及两个方向的水平向循环正应力的耦合，研究长期循环荷载下超固结软粘土的累积变形特性；分析三维应力固结、三维循环应力耦合、超固结比等因素对超固结软粘土应变增量张量方向的影响；寻找累积应变增量与土体塑性指数、超固结比、动力应力路径、中主应力系数、加载周数和排水条件等因素的定量关系，建立一个能够反映较多因素影响的超固结软粘土地基长期沉降显式预测模型，并通过现场试验进行验证，为长期交通荷载下超固结软粘土路基的变形预测及控制提供依据。

我国东部沿海地区广泛分布有深厚软黏土地基，其在路堤静荷载及长期交通循环荷载耦合作用下易产生过大沉降，影响行车安全，加大维护成本。本项目针对由于超载预压等产生的超固结软黏土地基，考虑路堤堆载等引起的固结各向异性，以及交通荷载下包含竖向循环正应力及水平向循环正应力的复杂动应力场，基于真三轴等室内单元试验，更加真实的模拟软黏土地基的静动应力状态，系统研究了超固结软黏土的静力剪切及长期变形特性，主要研究成果包括：（1）自主研制了气压式大型重塑软黏土制作仪，优化了重塑土制作方法；研究了轴对称状态下各向异性超固结软黏土的静力剪切特性，建立了孔压系数及剪切强度预测模型；开展了三维应力状态下静力应力路径试验，分析了超固结比、固结应力比、中主应力系数等对软黏土剪切特性影响；（2）进行了轴对称状态下各向异性超固结软黏土循环动力试验，获得了累积变形、回弹模量等动力特性的发展规律；定义了三维动力应力路径表征参数，开展了三维动力应力路径试验，提出了交通荷载下软黏土地基沉降控制表征值—容许循环应力比，并确定了其取值范围，发现在不排水条件下循环中主应力系数的增加显著降低了累积大主应变而增大了回弹模量，部分排水条件下累积大主应变则表现出先增大后减小的规律，发现了累积中主应变拉压的分界值-临界中主应力系数；（3）分析了三维动力应力路径对累积应变分量耦合规律的影响，确定了累积应变分量的相对关系及累积应变路径方向，揭示了应变路径-应变路径的非共轴现象；（4）获得了三维动力应力路径下循环中主应力系数、超固结比、循环应力比、加载周数等影响累积变形增量的定量关系，建立了静动三维应力状态下正常及超固结软黏土的累积变形经验预测模型及基于安定理论的弹塑性显式计算模型，并通过现场试验进行了验证。本项目得到的试验和理论成果可用于软黏土地区道路沉降、刚度计算及沉降控制，优化道路设计方案、降低建设和维护成本。