复杂初始及循环应力状态下考虑基质吸力影响的粗粒土HCA模型及安定阀值试验研究

The object of this project is the coarse-grained soil in the base layers and subgrade fill. Based on triaxial tests and true triaxial tests, considering different soil properties such as gradation, fine content and suction, and the complex stress fields induced by static and traffic cyclic loadings, the characteristics of long-term permanent and resilient strains under high cycle numbers and low confining pressures will be studied. The water content versus suction relationships under different gradations and fine contents will be investigated, and the effects of gradation, fine content and suction on shear characteristics of coarse-grained soils will be researched. The influences of complex static and cyclic stress states on the dynamic behavior will be emphasized, and the relationships between stress state parameters against permanent and resilient strains will be established. Finally, a HCA model of permanent strain and the shake-down limits under complex static and cyclic stress states will be proposed, to support a method for the prediction and control of granular material layer settlement and stiffness.

本项目基于大型动三轴、动静真三轴等室内单元试验，针对路面基层及路基填料粗粒土，考虑颗粒级配、细粒含量、基质吸力等物理力学参数，模拟路面及路基静荷载、交通荷载引起的复杂静动应力场，系统研究大周数、低围压条件下粗粒土的累积变形及回弹特性。获得不同级配及细粒含量下的粗粒土水土特征曲线，并研究颗粒级配、细粒含量及基质吸力对粗粒土剪切特性的影响，获得粗粒土屈服面；重点分析复杂初始及循环应力状态下饱和及非饱和粗粒土累积变形及回弹特性，获得初始及循环应力状态参数影响累积变形及回弹模量的定量关系，尝试建立一个复杂初始及循环应力状态下考虑基质吸力影响的粗粒土累积变形HCA模型及回弹模量模型。同时，基于安定理论，确定复杂静动应力状态下粗粒土的安定阀值。最终为长期交通循环荷载下路面基层及路基填料粗粒土的长期沉降及回弹模量预测及控制提供依据。

路面基层以及路基填料层作为道路的主要承载受力层，其在静动荷载下的强度、刚度、变形和长期稳定性等将直接影响道路的服役性能和服役年限。一方面，路面基层以及路基填料粗粒土所处的静动应力状态较为复杂，另一方面，受到降雨、水位等外界因素的影响，粗粒土的含水量、细粒含量、级配往往很难保持恒定。基于此，本项目基于大型动三轴、动静真三轴等室内单元试验，考虑颗粒级配、细粒含量、基质吸力等物理状态参数，模拟路面及路基静荷载、交通荷载引起的复杂静动应力场，系统研究了复杂服役环境下粗粒土的持水、剪切和循环动力特性。主要研究成果包括：（1）获得了凝灰岩碎石粗粒土的基本物理特性指标，分析了级配对基本物理特性指标及细粒含量对粗粒土细观结构演化的影响；（2）自主研制了大型土水特征曲线测试装置，探究了不同细粒含量下粗粒土的持水特性，建立了考虑细粒含量影响的水土特征曲线方程；（3）开展了大量静力剪切试验，分析了物理状态参数以及应力状态参数对粗粒土剪切特性的影响，提出了剪切强度、剪胀角计算模型及弹塑性本构模型；（4）进行了大量循环加载试验，分析了物理状态参数对粗粒土循环动力特性的影响，研究了复杂静动应力状态下粗粒土累积变形及回弹模量规律，确定了敏感参数影响累积变形和回弹模量的定量关系；（5）确定了不同基质吸力和细粒含量下粗粒土的安定阀值，建立了复杂静动应力状态下的回弹模量模型及考虑基质吸力影响的累积变形大步长显式计算弹塑性本构模型（HCA模型），并结合安定理论对显式计算模型进行了改进。最终为路面基层及路基填料粗粒土在复杂服役环境下的刚度计算、长期沉降预测及控制提供理论依据和技术支撑。