考虑应力路径影响的饱和软粘土静动力特性试验研究

摘要

高速公路、铁路以及城市地铁等高速交通的安全性和舒适性是车辆运行最为迫切的问题。车辆运行的安全性和舒适性除了与行驶速度及车辆自身的动力学特性有关外，还与路基土体的沉降以及差异沉降密切相关，因此，根据高速交通荷载的特点，研究长期循环荷载作用下饱和软粘土的变形特性是解决软土路基累积沉降以及稳定性的关键。
　　本文以高速交通荷载引起的软土地基沉降问题为研究对象，通过室内单元体试验结合交通荷载作用下软土循环应力应变关系理论分析，揭示高速交通荷载作用下软土地基长期沉降的复杂机理和一般规律。主要研究工作如下:
　　1.采用国内外通用的薄壁管切土法获取高质量的原状软粘土试样，并对其基本物理力学性质指标进行测定。利用GDS变围压动三轴系统对所取土样进行了不同超固结比的常规三轴不排水静力剪切试验，建立了温州饱和软粘土不排水剪切强度与超固结比之间的关系并为后续循环加载试验动应力的选取提供参考。
　　2.针对路堤下天然软粘土地基真实固结状态，开展了不同三轴应力路径下K0固结饱和软粘土试样的应力控制不排水静力剪切试验，研究了应力路径对K0固结饱和软粘土不排水剪切强度、孔压以及割线模量的影响。基于试验结果，分别建立了不排水剪切强度、峰值孔压系数以及割线模量与应力路径斜率之间的关系。
　　3.分别在不排水和排水条件下，针对不同超固结比饱和软粘土试样进行了不同三轴应力路径下的应力控制静力剪切试验。研究了应力路径和超固结比耦合效应对饱和软粘土强度、孔压以及割线模量的影响。基于试验结果分别建立了超固结比与应力路径耦合作用下土体固结不排水剪切强度以及排水剪切强度的拟合经验公式。
　　4.针对高速交通荷载作用下路基土体中的复杂动应力场，利用GDS变围压动三轴系统对不同超固结比饱和软粘土试样进行了一系列不同循环偏应力和循环围压耦合应力路径的不排水循环加载试验。在试验结果的基础上分别建立了可以考虑循环偏应力和循环围压耦合效应的正常固结饱和软粘土在不同循环应力比时的永久轴向应变和回弹模量经验公式以及相同循环应力比下，不同超固结比时的永久轴向应变和回弹模量经验公式。
　　5.针对路基土体在高速交通荷载长期作用下的实际排水状态，利用GDS变围压动三轴系统对不同超固结比饱和软粘土试样进行了不同循环偏应力和循环围压耦合应力路径的部分排水循环加载试验。试验结果表明，循环偏应力和循环围压耦合效应对饱和软粘土永久轴向应变的影响与超固结比无关，对永久体应变的影响受超固结比的影响较大;基于试验结果提出了考虑循环偏应力和循环围压耦合效应的正常固结饱和软粘土的永久体应变拟合经验公式以及永久轴向应变经验公式;进一步通过第10000圈正常固结试样的永久体应变差值以及不同超固结比试样的永久轴向应变差值与相应循环球应力差值之间的关系得到了循环球应力对正常固结试样的永久体应以及不同超固结比试样的永久轴向应变的影响，且与循环偏应力幅值无关。
　　6.针对天然软粘土的真实固结状态，分别在不排水和排水条件下，针对K0固结饱和软粘土开展了一系列不同三轴应力路径循环加载试验，在不排水条件下，基于应力路径斜率η=0时的最大孔压及Skempton理论可以得到不同应力路径下的瞬时孔压;循环偏应力和循环围压耦合三轴应力路径斜率η每增加1，不排水循环加载第1000圈的永久轴向应变就相应的降低约23％且循环加载最终稳定的回弹模量就相应的降低约13％;基于部分排水条件下的试验结果分别建立了考虑循环偏应力和循环围压耦合效应的K0固结饱和软粘土永久体应变和永久轴向应变经验公式以及考虑循环球应力影响的永久体应变和永久轴向应变经验公式。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 研究的背景及意义

1．2 国内外研究现状和发展趋势

1．2．1 循环荷载作用下饱和土体变形特性的试验研究现状

1．2．2 复杂应力路径下饱和土体变形特性的试验研究现状

1．2．3 交通荷载下饱和土体累积变形预测方法的研究现状

1．3 本文的主要工作

第2章 试验仪器及土样

2．1 前言

2．2 试验仪器

2．2．1 GDS变围压动三轴系统的组成

2．2．2 GDS交围压动三轴系统的工作原理

2．3 试验土样

2．4 试样和试验系统准备工作

2．4．1 试样的制作

2．4．2 试样的饱和

2．4．3 试样的固结

2．5 饱和软粘土常规三轴压缩试验

2．5．1 试验方案

2．5．2 试验结果与分析

2．6 本章小节

第3章 不同三轴应力路径K0固结饱和软粘土的静力特性

3．1 前言

3．2 K0固结饱和软粘土不同三轴应力路径静力剪切试验

3．2．1 试验方案

3．2．2 试验结果及分析

3．3 本章小结

第4章 不同三轴应力路径下超固土的静力特性

4．1 前言

4．2 试验方案

4．3 超固结饱和软粘土不排水剪切特性

4．3．1 应力-应变关系

4．3．2 孔压-应变关系

4．3．3 有效应力路径

4．3．4 割线模量

4．4 超固结饱和软粘土排水剪切特性

4．4．1 偏应力和体应变与轴向应变之间的关系

4．4．2 不同超固结比试样在不同应力路径下的排水剪切强度

4．5 本章小结

第5章 不同三轴应力路径下超固结土不排水循环剪切特性

5．1 前言

5．2 试验方案

5．3 试验结果及分析

5．3．1 恒定围压应力路径下的典型试验结果

5．3．2 恒定围压应力路径下的回弹特性

5．3．3 恒定围压应力路径下的永久轴向应变

5．3．4 变围压应力路径下的永久轴向应变

5．3．5 变围压应力路径下的回弹特性

5．4 本章小结

第6章 不同三轴应力路径下超固结土部分排水循环剪切特性

6．1 前言

6．2 试验方案

6．3 部分排水试验结果及分析

6．3．1 部分排水条件下的典型试验结果

6．3．2 恒定围压应力路径下的回弹特性

6．3．3 恒定围压应力路径下的永久体应变

6．3．4 恒定围压应力路径下的永久轴向应变

6．3．5 变围压应力路径下的回弹特性

6．3．6 变围压应力路径下的永久体应变

6．3．7 变围压应力路径下的永久轴向应变

6．4 本章小结

第7章 K0固结饱和软粘土不同应力路径循环剪切特性

7．1 前言

7．2 试验方案

7．3 不排水条件下的试验结果及分析

7．3．1 变围压对永久轴向应变发展规律的影响

7．3．2 变围压对孔压发展规律的影响

7．3．3 变围压对回弹特性的影响

7．4 部分排水条件下的试验结果及分析

7．4．1 部分排水条件下的典型试验结果

7．4．2 不同应力路径下永久体应变的发展规律

7．4．3 不同应力路径下永久轴向应变的发展规律

7．5 本章小结

第8章 结论与展望

8．1 本文主要研究结论

8．2 进一步研究建议

参考文献

简历及发表论文