高速交通荷载作用下软土地基的长期累积沉降特性分析

沉降控制是交通工程软土地基关键技术问题之一。高速交通荷载引起的长期累积沉降在地基工后沉降中占有相当大的比例，本项目用Houlsby 等创建的超粘塑性理论完善Suiker 双时间尺度循环安定理论，以此为理论指导，（1）利用胡亚元创建的软土低幅值循环一维本构模型同时反映主固结变形，蠕变和循环累积变形耦合作用的优点，建立交通荷载作用下路基一维总沉降和工后沉降简化公式；（2）根据室内动三轴试验把软土低幅值循环一维本构模型推广为三维本构模型。测定其模型参数；建立软土单元循环动刚度矩阵，通过用户接口植入ABAQUS有限元软件分析平台，对高速交通荷载作用下软土地基的长期累积沉降特性进行数值模拟；选择关键工况，利用大比例循环荷载模型试验对理论预测结果进行验证。本研究成果能揭示软基长期循环累积变形发展过程中暗含固结、蠕变和循环荷载累积变形耦合作用等复杂机理，为软土路基工后沉降控制提供依据。

沉降控制是交通工程软土地基关键技术问题之一。高速交通荷载引起的长期累积沉降在地基工后沉降中占有相当大的比例。本项目首先完善了Houlsby 等创建的超粘塑性理论，利用热力学第二定律证明了欧拉n次屈服函数必须满足非相关联流动准则。基于超粘弹性理论提出准塑性的粘弹性概念,由此根据Suiker 循环安定理论获得软土流变模型与长期循环累积沉降模型具有一致性这一物性规律，故可用准塑性的粘弹性理论模拟软土的长期循环累积沉降特性。在此观念启发下，采用Yin-Graham一维等效时间流变模型模拟一维压缩条件下的长期循环累积沉降特性，采用以Yin-Graham一维流变模型为硬化规律以修正剑桥模型流动耗散势为扩展基础的三维准塑性粘弹性模型模拟三维长期循环累积变形特性。进行了室内GDS双向振动三轴试验，研究了不同动静偏应力比、不同频率、不同循环次数和不同超固结比对软土循环累积变形发展规律的影响，标定了模型参数。采用交替方向隐式差分法对循环荷载作用下的控制方程进行数值离散，采用Newton-Raphson迭代求解非线性差分方程，编制了一维循环累积沉降分析程序。采用双时间尺度（包括长短时间尺度）、渐进展开和均匀化技术分离了循环荷载作用下的瞬态响应和长期响应。采用加权余量法数值求解了循环荷载作用下长短尺度三维流变控制方程，数值模拟了软基固结、蠕变和循环累积变形相互作用复杂耦合机理。基于上述试验和数值分析成果，结合现场大尺寸高速公路软土路基沉降试验，获得了软土地基长期循环累积沉降和工后沉降经验公式。研究课题完成了预定目标，为软土路基累积沉降和工后沉降控制提供理论和试验依据。