动应力场和渗流场耦合作用下软黏土长期变形与土结构状态相互作用机理研究

During the course of constructing city in recent years, it becomes more urgent issue to solve the topic on how to minimize and avoid safety accidents with the high-speed development of capital construction in China. Along with the construction of various large infrastructures in the coastal cities of China, to enhance the study of the long-term deformation control under multi-field coupling conditions is of great significance to the safe operation of the project and adverse engineering effects after construction..This study focuses on the long-term deformation evolution mechanism and law of soft clay under multi-field coupling condition. The quantitative evaluation on the evolution law and seepage characteristics of the long-term deformation in soft clay foundation can be explained through the tests of macro mechanics and micro observation. The results of model experiments can be used to build the time variation model considering materials composition, moisture content, permeability, microscopic structure parameters and deformations and to discuss the correlation between the soil stress state and structural progressive failure evolution under dynamic loads. The mathematical expression formula of the state variables evolution is set up by comparison with the numerical simulation of 3D granular flow, which contains dynamic stress field, soil micro structural parameters and seepage field, the long-term deformation model is proposed based on the coupling action of seepage and microstructure considering time effect. This research will promote the technology level of the rational evaluation and effective control of soft clay foundation deformation, and provide the theories basis for preventing engineering accidents and geological disasters.

在城市化进程加快的背景下，最大限度地降低或避免安全事故是城市基础建设快速发展所亟待解决的重要课题。随着我国沿海城市地区各类大型基础设施的陆续兴建，加强软黏土地基在多场耦合条件下长期变形的控制研究对工程安全运营和工后不良工程影响有十分重要的意义。 .本项研究针对软黏土地基在多场耦合条件下的长期变形演化机理和规律进行研究。通过宏观力学和微细观测试技术，定量评价软黏土地基长期变形的演化规律和渗流特性。在模型试验分析的基础上，建立软黏土物质组成、含水量、渗透性、微观结构参量、变形的时变模型，探讨动荷载下土体应力状态和结构性状渐进破坏演化过程的关联性。结合三维颗粒流数值模型，建立动应力场、土体微细观结构参数、渗流场等状态变量演化的数学表达式，提出基于时间效应的微观结构特征、渗流耦合的软黏土长期变形模型，提升我国软黏土地基变形合理评价和有效控制方面的科技水平，为防止工程事故和地质灾害提供理论依据。

在城市化进程加快的背景下，为缓解建设空间不足和运输体系不完善对国民经济发展的制约，全国沿海地区兴起交通基础设施建设高潮。由于沿海地区分布着具有“三高两低”特性的软黏土，加之城市环境复杂、建（构）筑物密布且建设规模不断增大，使得城市交通基础设施在服役状态下存在着很大的安全风险。因此，加强软黏土地基在多场耦合环境条件下长期变形控制研究对安全运营和工后不良工程影响有十分重要的意义。.本项目从“多因素条件下软黏土工程特性”、“动应力场和渗流场耦合条件下软黏土变形机理与渗透特性”、“软黏土结构渐进破坏演化规律与宏微观关联特征分析”和“多场耦合条件下基于微观结构特征的软黏土地基长期变形理论”四个方面开展重点研究。.研究表明：振动频率、动应力比、循环次数和应力路径等因素对饱和软黏土的动力变形特性具有显著影响。考虑交通荷载的特点，组合频率条件下随着循环次数的增加，土体产生的累积塑性应变逐渐增大。在动渗耦合条件下软黏土的累积塑性应变明显大于单一动载条件，其变形呈现渐稳型和发展型两阶段特征。土体的渗透系数随渗透压的增大呈指数递减，随着循环应力比增加呈线性增长，但随振动频率的增大呈幂函数减小趋势。.动荷载作用下软黏土微结构演化表现的四个阶段特征，包括初期压密→粒径重分布→结构致密→压密稳定，提出了描述软黏土损伤演化的数学模型。在修正剑桥模型基础上，定量揭示了土体结构损伤演化规律，建立了考虑损伤变量的本构方程。通过分析累积塑性应变与土体微观参数变化规律，建立了累积塑性应变与微观参数的灰色关联度和数学表达式，探讨动荷载作用下土体应力状态和结构性状渐进破坏演化过程的关联性。基于试验分析，提出了软黏土在三角形荷载、方形荷载和正弦荷载等不同加载模式下一维固结的解析解。结合数值模拟结果和经验预测公式，全面考虑了软黏土的微观结构特征以及动渗耦合下的变形规律，提出了考虑各状态变量损伤演化的软黏土长期变形预测模型。