交通荷载下两相饱和软黏土路基中应力主轴旋转效应及长期沉降分析

With regard to the insufficiency of current analysis method in long-term settlement of soft foundation under traffic load, from the actual stress path of traffic load, has established a set of analysis method of long-term settlement including the effect of principal stress axis rotation, and contrasted with practical engineering. The amplitude value of principal stress occur cycle changes under traffic load, such as highfield, high-speed rail and urban subway. Meantime, the principal stress axis take places reciprocating cycle rotation. The deformation and strength characteristics of soft clay are influenced intensively by the effect of principal stress axis rotation under all kinds of complex loading stress states. Therefore, it has great theoretical significance and engineering reference value to establish a set of analysis method of long-term settlement including principal stress axis rotation by considering its effect in dynamic constituted model of soft clay, which can supply reliable theory basis for effective ways of controlling and reducing long-term settlement of subgrade in the future.

针对交通荷载作用下软基长期沉降现有分析方法中存在的不足，本课题从交通荷载实际应力路径出发，建立了一套含应力主轴循环旋转效应的软基长期沉降分析方法,并通过实际工程进行对比验证。在高磁、高铁、城市地铁等交通荷载作用下，地基土中主应力幅值发生循环变化的同时，其应力主轴亦会发生往复的循环旋转，各种复杂加载应力状态下应力主轴旋转效应对软黏土的变形和强度特性有着重要的影响。因此，在软黏土动力本构模型中合理考虑主应力轴旋转效应，建立一套适用于交通荷载下考虑应力主轴旋转影响的软基长期沉降分析方法，可为下一步探索控制和减少路基长期沉降的有效途径提供可靠的理论依据，具有重大的理论意义及工程参考价值。

本项目依据原申请书申请内容及研究计划，针对拟解决的关键问题，从试验研究、规律分析、数学建模三个方面，较为系统地研究了天然沉积软黏土的结构屈服特性、塑性各向异性以及主应力轴旋转情况下的变形和强度特性，提出了能够考虑主应力方向变化和循环加载特性的结构性黏土的三维各向异性边界面模型；从交通荷载实际应力路径出发，建立了含应力主轴循环旋转效应的软基长期沉降计算方法。主要研究成果如下：（1）开展了天然沉积软黏土的一维压缩试验、等压及偏压固结三轴不排水剪切试验以及一系列K0固结三轴排水应力路径试验，对天然结构性软黏土的屈服特性进行了系统的试验研究，分析探讨了结构性及各向异性对天然软黏土变形和强度特性的影响。（2）对天然沉积软黏土在静力荷载作用下的主应力轴旋转效应进行空心圆柱剪切试验研究，着重分析探讨了中主应力系数与应力主轴的旋转角度对软黏土变形及强度特性的影响。（3）对天然沉积软黏土进行了一系列有关主应力轴旋转的动力试验，分析探讨了在各种复杂动力加载路径下主应力轴循环旋转对天然软黏土变形特性的影响。试验内容包括恒定主应力轴偏转角条件下的不排水循环加载试验，常广义剪应力下主应力轴循环旋转试验以及交通荷载作用下的主应力轴循环旋转试验，对不同加载条件下循环累积塑性应变的影响因素进行分析。（4）在主应力轴旋转效应试验研究的基础上，对传统边界面方程在偏平面上的形状函数进行改进，建立了结构性黏土的三维各向异性边界面方程；对传统映射法则进行了改进，引入可移动映射中心的概念，进一步建立了能够描述土体卸载再加载弹塑性特征的循环荷载作用下天然结构性软黏土的三维各向异性边界面模型。（5）在室内动力试验研究的基础上，建立了累积塑性应变与累积孔压随交通荷载作用次数变化的拟静力模型，并对上海地区地铁一号线随运营时间的变化所产生的沉降进行分析及预测。