交通荷载引起的主轴旋转应力路径下软粘土非共轴特性试验与理论研究

The existing elastoplastic constitutive models for subgrade deformation computation theory are established based the conventional coaxial theory. The non-coaixal characteristics of soft clay under the principal stress axis rotation are ignored. Thus the long-term settlements of transport facilities can not be predicted accurately. This project intends to explore the non-coaixal characteristics of saturated soft clay under traffic load using methods of experimental tests and theory. The tests with the stress paths of shear on fixed major principal stress, pure principal stress axes rotation and principal stress axes rotation induced by traffic load are conducted on isotropic and K0 consolidated soft clay to research the static and cyclic characteristics. The influences of anisotropy, stress intension, intermediate principal stress coefficient, load frequency and cycle number are analyzed systematically. The direction relations of principal strain increment and the principal stress are promulgated. The non-coaxial constitutive model is then established based on the elastic-plastic theory and non-coaxial flow rule. This project is helps to develop the basic characteristic and constitutive model of soft clay under complex stress paths and provide theoretical direction and technical support for the transport facilities in soft clay area.

目前与路基变形有关的计算理论主要采用传统的共轴理论建立弹塑性本构模型，忽略了软粘土在交通荷载引起的主轴旋转应力路径下的非共轴特性，无法准确预测软粘土地区交通设施的长期沉降。本项目拟通过试验和理论相结合的方法，深入探索交通荷载作用下软粘土的非共轴特性。利用GDS多向空心圆柱扭剪系统对各向同性和K0固结软粘土进行应力主轴固定单调剪切、纯主应力轴旋转和交通荷载引起的主应力轴旋转3种应力路径下的静动力特性试验，系统分析各向异性、应力强度、中主应力系数、加载频率和循环次数等因素影响，揭示软粘土塑性主应变增量方向与主应力方向间的非共轴关系，提出考虑各因素影响的软粘土非共轴塑性模量表达式，基于弹塑性理论和非共轴塑性流动法则建立软粘土非共轴本构模型。本项目有助于发展复杂应力路径下软粘土基本特性及本构模型研究，并为软粘土地区交通基础设施建设提供可靠的理论指导和技术支持。

本项目围绕交通荷载引起的主轴旋转应力路径下软粘土非共轴特性试验与理论研究这一主题，对各向同性固结和K0固结饱和软粘土进行了应力主轴固定单调剪切试验、纯主应力轴旋转剪切试验和交通荷载应力路径下循环加载试验，研究了主应力轴旋转下饱和软粘土的力学响应和变形特性，取得的成果主要包括：（1）通过应力主轴固定单调剪切试验揭示了塑性主应变增量方向与主应力方向间关系，研究各向异性对定轴剪切下软粘土非共轴变形特性的影响。（2）通过纯主应力轴旋转试验，考虑了主应力轴转角、应力强度、各向异性及中主应力系数等因素对软粘土非共轴特性的影响。（3）计算了交通荷载作用下不同深度土体上各应力分量幅值和变化规律，据此确定空心圆柱扭剪试验中轴力、扭矩和内外围压的加载波形，实现了交通荷载引起的主应力轴旋转应力路径的模拟。（4）采用交通荷载应力路径对软粘土试样开展不同排水条件下的空心圆柱扭剪试验，揭示了各向异性、应力强度、中主应力系数、加载频率和循环次数等因素对软粘土变形特性影响。（5）结合室内试验结果，筛选对软粘土非共轴变形特性具有敏感性的试验参数，通过多元回归于正交设计等统计学原理，建立了主应力轴连续旋转下软粘土长期累积应变表达式。本项目的研究成果有助于发展复杂应力路径下软粘土基本特性及本构模型研究，为软粘土地区交通设施建设提供可靠的理论指导和技术支持。