往复交通动载下饱和软黏土地基安定性机理研究

往复交通动载下，软土路基产生过大沉降或沉降差，进而诱发路基沉陷、车辙、裂缝等工程灾害，目前路基灾害控制的设计方法是以工后沉降允许值为控制目标。然而，由于交通荷载属于大数目往复移动荷载，循环次数可达几十万乃至几百万次，荷载移动诱发主应力轴偏转诱发地基土刚度弱化、车辆制动及路面不平顺性还将在路基中产生不可忽略的动力响应。对于这一复杂的交通岩土课题，既有的试验技术无法再现交通动载下地基土真实应力路径，现有沉降计算理论预精度差，无法为路基工后沉降的定量控制提供技术支撑，同时又缺乏可靠的动力强度理论对交通动载下路基极限承载性能予以合理的预估。本项目综合应用了解析理论与数值方法，研发了循环扭剪单元试验、常重力及超重力软黏土路基模型试验技术，并提出了动力安定下限理论，针对交通动载下软黏土地基的动应力响应机制、累计变形（孔压）演变规律、运营沉降及差异沉降的计算方法，软黏土安定行为的判别准则及路基安定极限荷载的求解方法等关键性问题开展了系统的研究。首先，开展高速移动荷载下软土路基动应力响应分析，分别应用解析与数值方法建立了车辆-路面（基）-地基动力耦合体系的分析模型，获得了交通动载下柔性与刚性层状路基体系的三维动应力响应规律；其次，开展了土单元动态扭剪试验、常重力与超重力模型试验，从不同尺度揭示交通动载下饱和软黏土的变形弱化机理及累计变形演化规律，获得了大数目交通循环动载下软黏土安定状态的判别方法；此外，基于循环剪切单元体试验，建立了交通动载下饱和土累计变形（孔压）的显示模型，并采用初应变有限元技术，建立了交通动载下饱和软黏土路基沉降（沉降差）的定量分析方法；最后，以经典的Melan静力下限安定理论为基础，构建了动力下限安定理论框架，发展了一套无限元人工边界的动力有限元技术，实现了高速交通动载下软土路基动力安定极限荷载的定量评估。 2100433B

长期以来，交通动载下地基累计沉降计算是基于试验观察的经验方法，并独立于动力强度分析。本课题拟将Melan下限分析安定理论引入到饱和软黏土路基分析中，结合试验研究及动力数值分析探讨长期往复交通动载下饱和软黏土的安定性机理。将饱和黏土塑性硬化机理引入到Melan安定理论框架中，将经典的弹性安定、塑性安定及其中间安定状态统一在运动硬化屈服的安定理论框架中。采用无限元人工边界的动力有限元技术模拟高速移动下饱和地基的动应力效应，基于场地动应力路径开展循环扭剪试验以获取残余塑性应变，基于安定极限准则获得长期往复交通动载下地基中极限残余应力（以获得残余弹性应变），将总残余应变视作弹塑性数值迭代的初应变建立路基运营沉降的等效黏塑性有限元预测方法，研究交通动载下软黏土弹-塑性安定状态对应的累计变形，形成基于变形控制的软黏土地基安定性理论框架，为软黏土路基结构设计从经验方法向理论框架转变提供理论支撑。

本课题利用英国GDS空心圆柱扭剪仪和自主研发的交通荷载模型试验装置（ZL2010101208210），针对饱和软粘土在超载预压和交通荷载作用产生的超固结特性，研究循环荷载作用下超固结饱和软粘土的动强度、变形特性，确定不同条件下超固结饱和软粘土的临界循环应力比、动强度破坏准则以及应变和孔压发展规律，揭示超载预压时间和卸载速率对超固结饱和软粘土动力特性影响，探索超固结饱和软粘土地基在循环荷载下的工作机理，从而更准确的反映超固结饱和软粘土在循环荷载作用下的工作性状，在此基础上，引入反应超固结土动力特性的参数，建立交通荷载作用下超固结土沉降计算经验方程，结合交通荷载模型试验装置对提出的经验方程进行验证和优化，提出交通荷载作用下超固结饱和软粘土的沉降计算理论。上述课题具有广泛的工程应用前景和重大的经济价值。

本项目针对我国城市轨道交通盾构隧道结构的长期健康服役问题，通过深入系统研究，综合考虑氯盐环境和列车荷载的耦合作用，研究了动力荷载对氯离子迁移扩散的影响规律和作用机理。主要研究成果如下： 1）推导了基于混凝土名义抗压强度的损伤状态下孔隙率计算公式，建立了动载损伤作用下混凝土氯离子扩散系数计算方法，引入既有的动载作用下混凝土损伤疲劳研究成果，建立了基于孔隙率演化的动载损伤下氯离子扩散系数计算方法。 2）开展了混凝土试块冲击损伤构造试验、动态弹性模量测试和氯盐人工环境模拟试验，探明了不同侵蚀时间、氯盐浓度及损伤程度下氯离子在混凝土内的侵蚀扩散规律，揭示了损伤下混凝土中氯离子侵蚀机制，建立了多因素共同作用下混凝土中氯离子扩散计算模型。 3）从孔隙弹性变形的角度，建立了均布荷载作用对氯离子扩散的影响分析模型，构建了考虑结构荷载效应及损伤等因素影响下的混凝土氯盐侵蚀耐久性分析方法，同时借助COMSOL软件平台，开发了数值计算程序，并结合实际工程进行了案例应用。 4）建立了考虑外部实际荷载与内部钢筋锈胀力的盾构管片三维计算模型，推导了可用于计算钢筋锈胀弹性体内力及位移的复变函数表达式，构建了盾构隧道结构混凝土锈胀开裂时变理论模型以及基于混凝土锈胀开裂的盾构隧道结构正常使用性能评价方法。 项目研究过程中已发表论文10篇，其中国际SCI期刊论文5篇，EI期刊论文2篇，CSCD论文3篇；获授权发明实用新型专利3项；软件著作权2项；培养博士后1人，硕士研究生2人，在读博士生1人。先后参加学术会议15人次，其中国际会议3人次，国内会议12人次，作大会会议报告或提交会议论文/成果简介5人（篇）次；承担主办学术会议或邀请学术讲座3次。研究部分成果已在广州地铁、长沙地铁中实现应用。

本项目针对大体积混凝土的静、动态特性和破坏机理开展了系列研究，运用数值模拟、试验相结合的手段，在以下方面取得了系列成果： 为了研究地震、风和波浪等低周往复荷载对混凝土力学性能的影响，本项目在研究过程中发明了一种能够施加往复动荷载的紧凑拉压加载装置，该试验装置可实现对混凝土试件施加往复劈拉荷载。浇筑了450×450×200mm的混凝土大试件，并进行往复劈拉试验，用数字图像相关技术和传统电测方法相结合的手段对动态试验过程进行量测，结果表明往复荷载对界面的影响要远大于骨料和砂浆。在对地震等往复荷载作用下混凝土进行数值模拟时，界面强度应该作为一个随时间退化的函数。基于试验结果，考虑弱不连续（骨料和砂浆粘结）和强不连续（裂缝）耦合作用时，缝端附近局部位移场的分布，建立了含多相材料的裂尖单元开裂准则；通过自研软件2D-RAS生成数值混凝土试件，根据混凝土模型中骨料、界面和砂浆的图像像素特点研究四叉树网格剖分方法，生成界面加密的自适应比例边界有限元（SBFEM）计算网格；根据细观混凝土三相组成材料的力学特性和几何特性，结合试验的相关成果，发展了一种新的细观层次混凝土裂纹扩展模拟的SBFEM分析方法；结合有限域-无限域的耦合模型及多边形网格重划分方法，提出了一种适用于大坝-无限地基系统的动态断裂分析方法；用自编混凝土随机骨料生成软件（2D-RAS）生成不同骨料含量的混凝土数值试件，研究细观尺度下混凝土力学行为对其导热性能的影响，揭示了有效导热系数在拉伸破坏过程中的变化规律。 以上成果为进一步深入研究混凝土复合材料的破损机理奠定了基础，研究开发的比例边界有限元法程序可用于实际工程开裂分析，具有广阔的应用前景。 2100433B