考虑滞回效应的非饱和含黏粒砂土地基承载力特性研究

The natural foundation soils comprising clayey sand are normally unsaturated. Accurate calculation of the bearing capacity of these foundations is important for the safety of the superstructures. It has been shown that the soil-water characteristic curve of unsaturated clayey sand is hysteretic. However, the bearing capacity of these foundations under drying-wetting cycles could not be accurately calculated. In this study plate load tests will be performed to investigate the bearing capacity of unsaturated clayey sand foundations and the influences of drying-wetting cycles. Fully coupled numerical analyses will be performed based on the effective stress principle considering the hydraulic hysteresis. A finite element program for calculating the bearing capacity of unsaturated clayey sand foundations will be established and the influence factors will be analyzed. The functions of the suction profiles in unsaturated clayey sand will be proposed for different hydraulic loading histories. A bearing capacity equation considering the hysteresis will be presented by adding a factor indicating the variation of suction with depth. This study will improve the interpretation the results of plate load tests performed on unsaturated soils and provide methods for predictions of the bearing capacity of unsaturated clayey sand foundations.

工程建设中的天然含黏粒砂土地基常处于非饱和状态，准确合理地确定它的承载力对确保上部结构物的安全稳定至关重要。研究表明非饱和含黏粒砂土存在明显的滞回效应，但人们对干湿循环下非饱和含黏粒砂土地基的承载力特性尚不十分明确。本项目拟针对非饱和含黏粒砂土开展平板载荷模型试验，研究非饱和含黏粒砂土地基承载力特性，揭示干湿循环对承载力的影响规律和机理；基于非饱和土有效应力原理，考虑土-水特征曲线的滞回效应，进行土-水-气流动变形全耦合分析，开发非饱和含黏粒砂土地基承载力数值计算程序，并系统分析地基承载力影响因素；推导不同干湿循环下含黏粒砂土中基质吸力随深度分布方程，通过在承载力计算公式中加入与基质吸力随深度变化相关参数，提出能考虑干湿循环的非饱和含黏粒砂土地基承载力计算公式。研究成果将提升非饱和土地基平板载荷试验结果分析方法的科学性，为准确预测非饱和含黏粒砂土地基承载能力及其演化规律提供理论和技术支撑。

水利、土木工程建设中的天然含黏粒砂土地基常处于非饱和状态，准确合理地确定它的承载力对确保上部结构物的安全稳定至关重要。由于天然状态下地基土会经历地下水位变化、降雨或蒸发等干湿循环变化，且非饱和含黏粒砂土存在明显的滞回效应，干湿循环下非饱和含黏粒砂土地基承载力的演化规律、基质吸力对非饱和含黏粒砂土地基承载力的影响机理这两个科学问题尚未解决。本项目结合平板载荷试验、数值模拟、理论分析的方法，揭示干湿循环下非饱和含黏粒砂土地基承载力特性，建立考虑滞回效应的非饱和含黏粒砂土地基承载力全耦合数值计算方法，提出考虑干湿循环的非饱和含黏粒砂土地基承载力理论计算公式。研究成果提升了非饱和土地基平板载荷试验结果分析方法的科学性，为准确预测非饱和含黏粒砂土地基承载能力及其演化规律提供了理论和技术支撑。通过本项目的研究，揭示了干湿变化过程对地基承载力的影响规律和机理，开发了考虑土-水-气耦合的非饱和土地基承载力有限元计算模型，并在此基础上研究了干湿循环变化、基质吸力随深度分布、排水条件等对承载力的影响规律，提出了均布及非均布基质吸力条件下的非饱和土地基承载力计算公式，明确了非饱和含黏粒砂土地基承载力与地基土经历的干湿变化过程相关，形成了一套非饱和土地基承载力计算方法与计算模型。本项目研究成果发表期刊论文6篇，其中SCI检索5篇，EI检索1篇，并获得2020年国际土力学与岩土工程协会非饱和土专委会“青年学者最佳论文奖”提名，项目相关成果在第7届亚太地区非饱和土会议、第29届全国土工测技术研讨会作学术报告，获授权发明专利3项，申请软件著作权3项。