交通循环荷载引起的复杂应力路径下红黏土的动力特性和本构模型研究

Red clay is widely distributed in China. In recent years, because of an infrastructure development, more and more projects were built on the red clay foundation. Soil stress path caused by traffic load is extremely complex, manifested as multiple dynamic load coupling effect and associated with cyclic principal stress rotation. Currently, the cyclic loading test is hard to simulate this kind complex stress path. Laboratory element tests and traffic load model test are conducted on red clay. The cyclic behavior of the red clay is researched considering the affects of cyclic deviator stress,cyclic cell pressure, principal stress rotation and the coefficient of intermediate principal stress. Then the yield surface, flow principle and hardening rule of the existed models are improved and a model reflecting the principal stress rotation and nonaxial of stress and strain is builted based on the model presented by Li and Meissner. Finally, a method which can caculated the permanent settlement induced by traffic loading is introduced. The test method and theory proposed by this project can be used in predicting dynamic behavior analysis of expressway, high speed railway and airport runway and analysing the dynamic characteristics of red clay subgrade.

我国是一个红黏土地基广泛分布的国家。近年来，由于基础建设的大力发展，建于红黏土地基上的工程项目越来越多。交通循环荷载作用在土体上的应力路径及其复杂，表现为多向动荷载耦合作用并伴有主应力轴连续旋转，目前交通循环荷载试验难以模拟这一复杂应力路径。本课题针对交通循环荷载作用引起的复杂应力路径下开展室内单元多向动荷载耦合试验（双向激振动三轴试验和静-动多向空心圆柱动扭剪试验），揭示红黏土在交通循环荷载作用下考虑循循环偏应力、循环球应力、主应力轴连续旋转角度、中主应力系数等因素影响的动力循环特征，从而对现有本构模型的屈服面、流动法则和硬化规律进行完善，在Li和Meissner模型基础上提出反映主应力轴连续旋转和应力应变非共轴的本构模型。本项目得到的理论成果可用于高速公路、高速铁路、机场跑道等交通循环荷载下红黏土路基的动力特性分析，不仅具有丰富的学术内涵，也具有重大的工程应用价值。

交通荷载作用在土体上的应力路径及其复杂，对红黏土开展交通循环荷载作用下的动力特性研究，对于解决饱和红黏土地基的变形和失稳等工程灾变问题，提升交通基础设施的稳定性和安全性，有着重要的指导意义。本项目针对赣南地区原状红黏土在交通循环荷载作用下的动力特性为研究对象，探索排水条件、应力路径及固结比对饱和红黏土动力特性的影响，并在试验成果基础上，建立动本构模型。通过相同的最大应力状态、相同的平均应力状态、相同的初始应力状态，对比分析变围压对红黏土孔压发展、回弹模量和轴向累积变形的影响，建立不同应力路径下饱和红黏土累积变形预测模型。针对不同固结比饱和红黏土，进行不同排水条件下的静力三轴剪切试验，探讨应力路径和不同固结比耦合效应对饱和红黏土的强度、孔隙水压力及割线模量的影响，建立不同固结比和不同应力路径下的不排水剪切强度及不排水抗剪强度经验公式。针对不同固结比饱和红黏土进行一系列的不排水单向循环加载试验，分析排水条件、应力路径、固结比及循环应力比对饱和红黏土的孔压发展规律、永久轴向应变、应力-应变滞回曲线及回弹模量的影响，建立不同固结比饱和红黏土在不同应力路径下的永久轴向应变公式；对不同应力路径下饱和红黏土在大次数循环加载作用下产生的累积竖向变形进行模拟与预测，建立正常固结饱和红黏土在不排水条件下的回弹模量预测公式。通过不同固结比饱和红黏土的部分排水单向循环加载试验，建立考虑循环应力比和应力路径斜率影响的回弹模量拟合经验公式。基于增量弹塑性边界面理论，构建一个能够考虑初始固结状态、轴向累积应变以及应力历史影响的动本构模型，能较好表征交通循环荷载作用下饱和红黏土的变形特征，同时分析了敏感参数对本构模型的影响规律。