长期循环荷载下结构性软土的累积变形特性和微观组构效应

Long-term settlement of soft clay subgrade caused by traffic loads is ubiquitous. How to alleviate and prevent disasters due to ground settlement is one of the controversial research issues of great interest in practice. Therefore, typical soft clay in Hangzhou and Zhanjiang will be investigated. In order to explore the evolution and mechanism of characteristics of cumulative deformation, coupled macroscopic mechanical test and microscopic technique will be used to study the cumulative deformation and microscopic fabric effect on structural soft clay under long-term cyclic loading. In this program causes of structural characteristics will be investigated through field investigation, in situ tests and laboratory physicochemical tests. Based on oedometer test, triaxial and dynamic triaxial tests and combined with Scanning Electron Microscope (SEM), Mercury intrusion porosimeter (MIP), electrical resistivity tests and other microscopic techniques the evolution of cumulative deformation and structural damage mechanism are supposed to be developed and reasonable quantitative factor of micromechanism will be proposed using image processing technology, mathematical statistics method and fractal theory. Then, a cumulative deformation model which reflects the effect of structural damage under long-term cyclic loading will be forwarded. This program is aimed to develop and improve soil dynamics theory and supply support for analyzing and predicting long-term settlement of infrastructure in soft clay region.

交通荷载引起的软土路基长期沉降问题时有发生。如何有效控制和减轻地面沉降灾害，一直是软土地区工程实践中亟需解决的难题。鉴此，本项目以杭州、湛江的典型结构性软土为研究对象，以在长期循环荷载作用下结构性软土的累积变形特性为主线，围绕土的结构性特点，将宏观力学试验和微观测试技术有机结合，对结构性软土的累积变形演化规律和机理开展研究。通过场地调查、原位试验和室内物化试验，查明软土结构性的形成原因；以土固结试验、三轴试验和动三轴试验为宏观试验基础，在试验不同阶段结合电镜扫描试验、压汞试验和电阻率试验的微观观测手段，综合运用图像处理技术、数理统计方法和分形理论，揭示结构性软土的累积变形演化规律和结构损伤机理，提出合理的微观结构定量化因子；建立结构性软土在长期循环荷载作用过程中可体现土体结构损伤引起的累积变形模型。本项目有助于发展和完善土动力学理论，为分析和预测软土地区交通设施的长期沉降提供理论依据。

循环荷载是典型的地基荷载条件之一，如高速铁路地基和高速公路路基受交通荷载的循环振动，地铁沿线地基受地铁运行影响产生的往复加载，海洋工程地基受波浪荷载影响形成的循环荷载作用。这些循环荷载对地基的振动影响往往具有长期性，而且还经常会引起路基的长期沉降问题。软土是一种典型的地基情况，尤其在沿海、沿江地区，软土地基有广泛分布。本项目针对软土地基在长期循环荷载作用下的受力变形特性和破坏机理进行了研究，同时还对静荷载作用下的软土固结蠕变特性进行了研究，分析静动荷载作用下软土的长期时间变形特性的异同，可为指导软土地基的工程实践提供理论依据。. 通过室内土工试验分析，主要的研究结论有：（1）通过一维固结蠕变试验，研究了不同加载分级方式对黏土在静荷载作用下的时间变形特性产生影响，认为一次性加载时试样的最终变形量最大，分级加载时，加载的级数越多，试样的最终变形量越小；（2）通过三轴剪切蠕变试验，研究了超固结比对轴向应变影响，并提出可用“应变速率法”进行主次固结阶段的划分；（3）通过动三轴试验和循环单剪试验，分析了循环应力比、振动频率、围压、静偏应力、超固结比等影响因素对饱和土的动力特性影响，得到超固结比对土的循环累积变形影响明显，随着超固结比的增加，累积变形量会越来越小。. 对室内土工试验中不同阶段的土样进行微观电镜扫描试验分析，得到：（1）应用IPP技术对试样的微观结构进行定量分析，得到原状土和重塑土的微观结构有较大差异。土体静力固结蠕变后试样的孔隙会减小，当固结压力较大时，原状土的土体骨架会被破坏。（2）循环剪切之后土样的微观结构逐渐出现破碎、分散，小直径的孔隙数增加，试样结构有不同程度的破坏，试样的微观结构与变形特征关系密切。. 基于以上试验研究，分别得到了软土在静动荷载下的变形模型：（1）反映软土静力固结蠕变特性的三元件模型；（2）能够反映超固结比影响的软土在循环荷载作用下的累积变形模型。