长期循环荷载下饱和软粘土性状研究及低路堤软土地基长期沉降的分析

摘要

我国东南沿海广泛分布着深厚的软粘土土层，沿海地区软弱饱和土层上的高速公路在建成后运行期的长期沉降直接影响路面的养护和维修费用，交通荷载下软土地基的长期沉降预测越来越受到人们的重视，成为迅速发展的软土地区交通建设中亟待解决的一大技术难题。但从土动力学研究现状来看，研究多集中于地震荷载分析，对长时间施加的往复荷载以及饱和软粘土这种特殊土类的研究较少，目前对长期循环荷载作用下饱和软粘土的变形机理认识不足，也没有建立能用于工程应用的计算方法。因此本文从室内循环三轴试验结果出发，较为系统地研究了珠江三角洲饱和软粘土在长期循环荷载下的动力特性，基于动—静荷载耦合的固结理论建立了一个易于工程运用的预测方法来计算低路堤软土地基的长期附加沉降，从而为探索控制和减少路基长期沉降的有效途径提供了可靠的理论依据和数值分析手段。因此，本课题具有重要的理论意义和工程实用价值。 本文结合本课题的研究背景和现阶段研究存在的问题，开展了以下的研究工作： 1．对珠三角地区的饱和软粘土分别进行了循环压缩试验与循环拉—压试验，研究了饱和软粘土的性状在单向等幅应力控制循环加载和双向等幅应力控制循环加载这两中加载方式下的差异。基于临界状态土力学的理论，在应力空间中p'-q分析了两种试验方式下饱和软粘土的应力路径状态，研究结果表明：饱和软粘土在双向等幅循环荷载作用下，孔隙水压力上升得较快，土体较容易达到破坏状态。 2．在试验室内运用CSS-2901TS型土体三轴流变试验机，对珠三角地区的饱和软粘土进行单向等幅应力控制的循环蠕变试验。试验结果表明：在单向循环荷载作用下，根据循环荷载强度的不同，饱和软粘土的循环蠕变曲线的类型可分为破坏型(非衰减型)和衰减型。当循环荷载强度小于临界应力比时，饱和软粘土的循环蠕变曲线表现为衰减型；当循环荷载强度大于临界应力比时，饱和软粘土的循环蠕变曲线表现为非衰减型。饱和软粘土的临界应力比与土的塑性指数有关，塑性指数越大，临界应力比越小。 3．着重从应变速率的角度研究了珠三角地区的饱和软粘土的衰减型循环蠕变的规律。通过引入相对应力水平参数D，利用技术经验理论中的流动理论建立了不排水循环荷载作用下饱和软粘土累积应变速率的经验方程。珠江三角洲饱和软粘土的衰减型循环蠕变的特性可用三参数的循环蠕变速率状态方程来描述，累积应变速率与循环次数的关系采用幂函数，累积应变速率与相对偏应力水平的关系采用指数函数。 4．应用速率过程理论对饱和软粘土在长期荷载作用下的应变速率进行了探讨，试图从微观的层面来认识饱和软粘土在长期荷载作用下的变形机理，同时对经验方程中的试验参数进行了分析讨论，明确了模型试验参数的物理意义。 5．根据等压和偏压正常固结状态下的单向等幅不排水循环荷载试验的结果，结合临界状态土力学的理论，建立了能够描述饱和软粘土在长期循环作用下不排水累积孔压发展规律的数学模型。珠三角地区的饱和软粘土在长期循环作用下不排水累积孔压发展规律可以用二次衰减的指数函数来描述。 6．对单向等幅不排水循环荷载作用后的饱和软粘土进行再固结试验，探讨了累积孔压与体应变的关系，对不排水循环荷载作用后的饱和软粘土的体积压缩系数的变化规律进行研究。在排水条件下对珠三角地区的饱和软粘土进行单向等幅应力控制的循环荷载试验，探讨了孔隙水压力与体积应变之间的关系，建立了体积应变增量求取的经验关系式。 7．将不排水条件下单向循环荷载作用的孔压发展模式与Terzaghi固结理论加以耦合，提出了适合珠江三角洲地区饱和软粘土的动静荷载耦合作用下的固结计算模型。 8．从工程应用的角度出发，基于提出的动静荷载耦合作用下的固结模型，采用工程实用的分层总和法，给出了交通荷载作用下低路堤珠江三角洲软土地基累积沉降的实用计算方法。 最后，关于进一步工作的方向进行了简要的讨论。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1论文研究背景与意义

1.2国内外研究概况与发展动态

1.2.1循环荷载作用下软粘土性状的影响因素

1.2.2循环荷载下孔压研究现状

1.2.3不排水循环荷载下饱和软粘土累积变形

1.2.4循环荷载作用下软粘性土的固结和沉降

1.2.5交通荷载作用下软土累积沉降的实用计算方法

1.3本文的研究目的与主要研究工作

1.3.1研究目的

1.3.2主要研究工作及研究方法

1.4本论文的结构

第二章单向循环荷载作用下饱和软粘土性状的试验研究

2.1引言

2.2试验装置与试验方法

2.2.1试验仪器

2.2.2试样制备

2.2.3试验目的、方法与内容

2.3试验结果及分析

2.3.1重塑土与原状土性状的比较

2.3.2静力三轴试验结果分析

2.3.3三轴循环压缩试验结果分析

2.3.4三轴循环拉-压试验结果分析

2.3.5循环压缩试验与循环拉-压试验的比较分析

2.4本章小结

第三章 长期循环压缩荷载下饱和软粘土累积应变速率的研究

3.1引言

3.2饱和软粘土的不排水循环蠕变试验

3.2.1试验仪器

3.2.2试验的土样

3.2.3试验方案的确定

3.2.4试验步骤

3.3循环荷载循环累积轴向试验结果与分析

3.3.1循环荷载的试验结果

3.3.2循环荷载作用下粘土变形影响因素的分析

3.4循环压缩荷载作用下饱和软粘土不排水累积应变速率的研究

3.4.1试验数据的整理与分析

3.4.2循环压缩荷载作用下饱和软粘土累积应变速率方程的建立

3.5循环压缩荷载作用下饱和软粘土变形机理的探讨

3.5.1速率过程理论在循环累积应变速率研究中的应用

3.5.2三参数模型中各参数的讨论

3.6本章小结

第四章长期循环压缩荷载下饱和软粘土累积孔压的发展模型

4.1引言

4.2已有的不排水循环累积孔压模型

4.3长期循环压缩荷载作用下饱和软粘土孔压模型的建立

4.3.1长期循环压缩荷载试验中饱和软粘土累积孔压的试验结果

4.3.2正常固结饱和软粘土在长期循环压缩荷载下孔压发展的机理分析

4.3.3累积孔压计算模型的建立

4.4本章小结

第五章排水循环荷载作用下饱和软粘土的性状研究

5.1引言

5.2排水循环荷载试验与不排水循环荷载作用后的再固结试验

5.2.1试验方法与内容

5.2.2试验结果

5.3动静荷载耦合作用下的固结模型

5.3.1动静荷载耦合的渗透固结微分方程

5.3.2固结微分方程的离散

5.3.3解程序在Matlab中的实现

5.4模型计算与分析

5.5有时间间隔的排水循环压缩荷载试验

5.5.1试验方案

5.5.2试验结果及分析

5.6本章小结

第六章交通荷载作用下低路堤软土地基长期沉降的分析

6.1引言

6.2交通荷载作用下软土路基附加沉降的实用计算方法

6.2.1实用分析方法的计算步骤

6.2.2实用分析方法的适用性分析

6.3珠江三角洲地区饱和软土路基的累积沉降计算

6.3.1工程概况

6.3.2土体初始静偏应力及静力破坏强度

6.3.3交通荷载模型

6.3.4公路路基三维动力有限元分析

6.3.5软土地基累积沉降计算

6.4本章小结

结论与展望

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果

致 谢