温州大学GDS真三轴试验系统模拟车辆载荷的应用案例

摘要：成立于2006年的“浙江省软土地基与滩涂复垦工程技术重点实验室”，重点研究厚软土地基高速交通工程建设、厚软土地基堤防工程建设、厚软土地基地下工程建设、沿海工业区土地复垦开发建设四项关键试验技术。该实验室的研究面积超过2000平方米，仪器价值超过400万美元。

成立于2006年的“浙江省软土地基与滩涂复垦工程技术重点实验室”，重点研究厚软土地基高速交通工程建设、厚软土地基堤防工程建设、厚软土地基地下工程建设、沿海工业区土地复垦开发建设四项关键试验技术。该实验室的研究面积超过2000平方米，仪器价值超过400万美元。

本文是浙江省软土地基与滩涂复垦工程技术重点实验室，温州大学土木工程系岩土工程课题组2018年的研究成果分享。该研究已应用于温州永强跑道、温州城市公路的建设和温州沿海工业区地下项目的开发。

研究问题

软粘土广泛分布于中国东南沿海城市，如上海、杭州和温州。因其高含水量、高压缩性、低渗透性和低承载力，被公认为我国工程危害最严重的土壤之一。在过去的几十年里，大量的基础设施项目已经在这种土壤上建设了起来。经过多年的运行，路基出现了大量的沉降。因此，研究软粘土在交通载荷下的变形行为，以防止这种情况是必要的。由于路基土在低于其抗剪强度的应力水平下承受长期载荷作用（10-10次循环），因此软粘土在长期载荷循环（即长期循环加载）下的变形行为研究尤为重要。

Fig.1. 车辆荷载作用下软土地基中土体单元的应力分量

根据图1，移动荷载引起的动应力场是三维的，涉及大、中、小主应力（σ11、 σ12、σ22）的循环变化，但对三维应力状态下饱和粘土的单向变形行为的实验室研究鲜有报告。

选择GDS Instruments先进真三轴装置进行研究。它通过水压施加围压，并进一步由压缩空气提供围压。循环轴向应力(Δσ1)和循环水平应力(Δσ2)分别由2块长75mm、宽75mm的水平金属板和2块宽75mm、高140mm的垂直金属板提供。每块金属板均由高精度伺服电机驱动。

Fig.2. (a)整体示意图，(b)详细示意图，真实三轴装置的(c)真三轴照片和(d)压力室照片

典型试验结果

Fig. 3. 主应变时程曲线

在高级真三轴试验中，应用了不同的循环主应力和中间主应力组合。主应变ε1的典型时程曲线如图3所示。当CSR较低时，应变虽然在试验开始时发展较快，但在一定的循环次数后，应变发展迅速放缓，趋于轻微甚至为零。当CSR大于某一值时，应变发展迅速，在规定的循环数内发生破坏。

结论

采用先进的真三轴装置，可以同时施加循环主主应力和中间主应力，对正常粘土和超固结粘土进行了一系列单向循环试验。考虑了超固结比，循环中间主应力（bcyc）以及循环剪应力比，研究了三维应力状态下的单向循环行为。

试验结果表明，bcyc的增加大大降低了主应变的发展，使中间主应变的方向由拉向压转变。这表明，在循环中间主应力对饱和粘土变形特性的影响中，OCR是一个次要因素。在此基础上，建立了三维循环应力状态下饱和黏土长期变形预测的经验模型。

参考文献

Gu, C. Gu, Z. Q., Cai, Y.Q., Wang J., and Dong Q. Y. 2018. Effects of cyclic intermediate principal stress on the deformation of saturated clay. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 144(8): 04018052.

Brown SF. Soil mechanics in pavement engineering. Geotechnique 1996;46(3):383–426.

Chazallon C, Hornych P, Mouhoubi S. Elastoplastic model for the long-term behavior modeling of unbound granular materials in flexible pavements. International Journal of Geomechanics, ASCE 2006;6(4):279–89.

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