长期循环荷载作用下砂土的棘轮应变累积行为及描述方法

The main content of this research is distributed ratcheting stain accumulation behaviour of sands under long-term cyclic loading, which belongs to the core issue in the express rail traffic (e.g. high-speed railway, inner-city railway, city underground railway ect.) engineering. Cyclic triaxial tests will be carried out to study the evolution of accumulated plastic volume strain and deviator strain, and the direction of the plastic strain accumulation (cyclic dilation) will also be studied through cyclic triaxial tests. These studies will help us understand the physical mechanisms of asymmetric settlements (differential settlements) as a result of ratcheting during the dynamic interreaction between the foundation of structures and soils. If the asymmetric settlements are over the allowable limit, the inclination even damage maybe occur. Second, on the basis of Suiker cyclic densification model and Bochum test accumulation model, a more reasonable constitutive model will be proposed, which will use a proper function to describe the change trend of plastic stain increment and the direction of strain accumulation. Finally, a comparison of the measured data with predictions made by the proposed model is given. This research work provides a solid theoretical and thechnical support for the dynamical analysis on settlements in the express rail traffic engineering.

本项目面向快速轨道交通中的核心问题，以长期循环荷载作用下砂土的棘轮应变累积行为为主要研究内容，通过循环三轴试验研究塑性体应变和偏应变的累积规律，以及由累积塑性体应变和偏应变所确定的塑性应变累积方向(循环剪胀特性)的发展规律，揭示轨道结构基础与土体动力相互作用过程中由于棘轮效应产生不均匀沉降(差异沉降)的物理机制和力学机理；借鉴Suiker循环压密模型和Bochum试验累积模型的优点，采用合适的模式描述循环荷载作用下塑性应变增量的变化规律以及循环流动准则，以期提出一个更加合理的累积模型来描述砂土在长期循环荷载作用下的棘轮应变累积行为；结合循环三轴试验(排水和不排水)、共振柱试验、以及固结压缩试验研究所提模型中弹性(伪弹性)刚度的确定方法，并通过数值方法对多组循环三轴试验结果进行模拟，验证所提模型的预测能力和适用性；为快速轨道交通路基动力沉降分析提供理论依据和技术支持。

近年来，随着高速铁路、城际铁路以及城市地下铁路等快速轨道交通在我国的迅速发展，由于高速列车行驶引起的场地振动日益引起人们的注意。除了给居住在附近的居民带来不便和干扰外，场地振动增加的动力冲击还会导致轨道结构以及附近结构物产生差异沉降和附加沉降，这些差异沉降和附加沉降可能会加速结构物强度和刚度的疲劳，甚至是破坏。本项目就是在此背景下对砂土动力行为中的棘轮效应进行研究。.本项目以长期循环荷载作用下砂土的棘轮应变累积行为为主要研究内容，通过循环三轴试验研究塑性体应变和偏应变的累积规律，以及由累积塑性体应变和偏应变所确定的塑性应变累积方向(循环剪胀特性)的发展规律，采用合适的模式描述循环荷载作用下塑性应变增量的变化规律以及循环流动准则，提出一个更加合理的累积模型来描述砂土在长期循环荷载作用下的棘轮应变累积行为。.本项目重要结论、关键数据及其科学意义如下：.1. 在共振柱试验的基础上讨论低幅值小应变振动下土体的刚度特征。即使在小应变振动下土体的刚度也会表现出明显的非线性特征，针对快速轨道区域内土体承受低幅值小应变振动的情形，尝试在Davidenkov模型的基础上，通过参考剪应变γref=τf∕Gmax的引入，提出简化的两参数模型，并在此基础上通过试验验证了该方法对于计算小应变振动情形下剪切模量和阻尼比的可行性。.2. 在循环三轴试验的基础上讨论土体在低幅值高循环荷载作用过程中的塑性应变累积行为，对于不同的平均应力(pav=100kPa, ηav=0.25、0.375、0.75、1.0、1.25、1.375)状态，土体在低幅值(ζ=qampl∕pav=0.3)高循环(Nmax>105)荷载作用过程中的塑性应变累积行为会表现出安定型(shakedown)和棘轮型(ratcheting)两种不同的类型。.3. 在前人提出的塑性应变累积行为描述方法的基础上提出一个新的等价弹粘塑性累积模型。.以上研究显示了土体在低幅值高循环荷载作用过程中塑性应变累积行为的复杂性，目前仍没有一个完整的理论框架既能合理描述土土体的循环变形特征，又能适用于高循环荷载作用过程中的塑性应变累积行为的计算和预测，本项目所得结论只是阶段性的成果，需要进一步研究和验证。