浙江省軟弱土地基與海涂圍墾工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室成立于2006 年。實(shí)驗(yàn)室主要研究四個(gè)重點(diǎn)領(lǐng) 域：在厚軟土地基上的高速交通、堤防和地下工程建設(shè)，以及沿海工業(yè)區(qū)土地復(fù)墾開發(fā)建設(shè)。
該實(shí)驗(yàn)室擁有2000多平方米的研究空間，研究設(shè)備總造價(jià)超過3000多萬元。研究成果已應(yīng)用于溫州永強(qiáng)跑道、溫州城市高速公路建設(shè)及溫州沿海工業(yè)區(qū)地下空 間開發(fā)項(xiàng)目。
本文為2016年浙江省軟弱土地基與海涂圍墾工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，溫州大學(xué)土木工程系巖土工程課題組伍婷玉博士利用GDS空心圓柱扭剪試驗(yàn)系統(tǒng)的完成的試驗(yàn)案例。
問題
海相軟粘土廣泛分布于東南地區(qū)，具有較弱的工程性能。浙江省作為中國(guó)經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的地區(qū)，擁有龐大的交通基礎(chǔ)設(shè)施，包括高速公路、公路、鐵路、機(jī)場(chǎng)跑道等，這些交通基礎(chǔ)設(shè)施都是在海相粘土上建設(shè)的。隨著交通荷載長(zhǎng)期作用下，現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施容易產(chǎn)生超沉降。 為了揭示交通荷載對(duì)海相粘土的影響， 并預(yù)測(cè)未來的沉降，開展了相應(yīng)地研究。
交通荷載不僅是一個(gè)長(zhǎng)期的循環(huán)荷載， 而且在每個(gè)循環(huán)過程中應(yīng)力路徑的形狀都是獨(dú)特的。隨著車輪的靠近和離開， 土體的應(yīng)力分量在大小和方向上都發(fā)生 了變化（見圖1.1）。
圖1 交通荷載作用下軟土地基土單元的應(yīng)力分量
此外，在每個(gè)循環(huán)過程中，最大主應(yīng)力角σ都是旋轉(zhuǎn)的。當(dāng)在2τzθ(σz - σθ)空間中繪制時(shí)，應(yīng)力路徑形成如圖 1.4 所示的形狀。
根據(jù)前人的有限元分析，剪應(yīng)力與軸向應(yīng)力的比值并非保持不變，而是隨著深度的增加而減小，從而導(dǎo)致應(yīng)力路徑形狀的改變。
為了模擬交通荷載的應(yīng)力路徑，需要對(duì)每個(gè)應(yīng)力分量進(jìn)行精確控制（如圖 1.2 所 示）。這就需要進(jìn)一步根據(jù)載荷的形狀重 新定義波形。
解決方案
動(dòng)態(tài)空心圓柱裝置（HCA）是該研究項(xiàng)目的首選系統(tǒng)。HCA能夠在整個(gè)測(cè)試過程中獨(dú)立地施加軸向力、扭矩、內(nèi)外壓力。因此，它被廣泛應(yīng)用于研究土體在主應(yīng)力軸循環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的變形特性。
GDS儀器為溫州大學(xué)提供了一個(gè)定制的HCA，以滿足他們的要求規(guī)格。能獨(dú)立施加軸向力 W，扭矩 MT，內(nèi)部壓力 pi 和外部壓力 po ，從而控制土體（軸向應(yīng)力σz、徑向應(yīng)力σr、切向σθ、剪應(yīng)力τzθ）的應(yīng)力狀態(tài)。由于3個(gè)主應(yīng)力的 大小和大主應(yīng)力軸的角度α可以控制，因此可以進(jìn)行主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)的試驗(yàn)。
以兩次試驗(yàn)結(jié)果為例，圖2展示了試驗(yàn)過程中實(shí)際應(yīng)力路徑與期望應(yīng)力路徑相關(guān)性的對(duì)比。這證實(shí)了GDS中空心圓柱裝置（HCA）可以準(zhǔn)確模擬進(jìn)行研究所需的交通加載應(yīng)力 路徑。
圖2
圖3顯示了每次測(cè)試不同形狀的應(yīng)力路徑。應(yīng)力路徑的不同形狀表明扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力與豎向循環(huán)應(yīng)力的比值不同。
圖3
結(jié)果
試驗(yàn)結(jié)果表明，扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力對(duì)軟黏土試樣應(yīng)變發(fā)展的影響。如圖4所示，所有試驗(yàn)結(jié)果均表現(xiàn)出相似的軸向應(yīng)變發(fā)展過程。但η值影響軸向應(yīng)變發(fā)展水平。η值越高，試樣的永久應(yīng)變?cè)酱蟆?/span>
圖4
結(jié)論與證明
這一系列HCA循環(huán)試驗(yàn)表明，剪切應(yīng)力水平對(duì)應(yīng)變和孔隙壓力的發(fā)展有顯著影響，從而加速了海相粘土的破壞。然而，目前的規(guī)范只考慮軸向應(yīng)力，因此高估了地基土。需要進(jìn)一步的研究來完善現(xiàn)有的理論和預(yù)測(cè)模型。
在整個(gè)過程中，GDS公司及歐美大地公司提供了大量的幫助和支持。我們期待著在未來的項(xiàng)目上與他們合作。
伍婷玉博士 溫州大學(xué)土木工程學(xué)院 巖土工程課題組
參考文獻(xiàn)
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