石灰改良土路基填料的应用研究.doc

1.1研究目的及意义改革开放以来，我国的经济建设步入了快车道，高速公路建设发展迅速。自1988年第一条高速公路一沪嘉高速公路18.5公里建成通车，实现了我国大陆高速公路零的突破。不久之后，沈大，京津塘高速公路相继投入运营，从此，我国高速公路建设进入了一个崭新的时期，现在每年正以几千公里的速度增长，截至2004年底，我国高速公路总里程达3.42万公里，仅仅用了17年，我国高速公路的发展创造了世界瞩目的速度。高速公路的建设和使用，为汽车快速、高效、安全和舒适地运行提供了良好的条件，主要交通运输通道交通紧张情况得到明显缓解，长期存在的运输能力紧张状况得到明显改善，对促进国民经济发展和社会进步都起到了重要作用。由于地区经济发展的差异，东部沿海地区经济繁荣，资金、技术与智力亦高度密集，对高速公路的需要更为迫切，建成后的经济和社会效益更大，因此目前我国大部分高速公路建于这些地区。高速公路道路结构主要由路基和路面两部分组成，是线形大型结构物，支撑在半无限地基上，具有沉降控制标准要求高及路堤较高等特点。行驶在高速公路路面上的车辆，通过车轮把荷载传至路面，由路面传至路基和地基。路基是公路工程的重要组成部分，是路面的基础，它承受着路面传来的车辆荷载和路面的重量荷载。路基质量的好坏，直接影响到路面的使用质量，路面的损坏往往与路基排水不畅、压实度不够、强度低、沉降或不均匀沉降过大等有直接关系(高速公路丛书编委会，1998)门。在路面结构总变形中，路基和地基中的变形占很大部分，约占7090%(邓学钧，2000)21。实践证明，高速公路和机场跑道在使用期间，会在很长时期内产生沉降或不均匀沉降，有时会超过设计要求，严重影响其使用功能的正常发挥。图1一1为某高速公路路面破损照片，该路段是一填方路基，左右幅均产生了较大的沉降，左幅行车道于2003年12月进行了换板处理，行车道沉降较大和硬路肩产生错台，准备进行灌浆处理。右幅有7块面板出现了明显的裂缝，右幅超车道和行车道正进行灌浆处理。显然，与一般公路相比，高速公路或者机场跑道路基填筑质量要求很高，不仅要求路基在车辆或飞机荷载作用下不发生破坏，而且对工后沉降有较高要求。要减少工后沉降，除要保证路基的施工质量外，更重要的是保证路基填料的质量，也就是对于高速公路路基，应该使用品质优良的路基填料，这样才能有较高的强度储备以保证路基的稳定，避免路基病害产生。实际观测表明，采用优质、级配良好的粗粒土可以大大减少路基的工后沉降。我国铁路部门根据路基填料的性质及适用性，将其分为A、B、C、D、E五组，其中A、B组为优良填料，C组为可使用的填料，D、E组为不应或严禁使用的填料4。但在我国许多地区，尤其是经济发达的东部沿海地区如上海、天津、连云港、宁波、温州、福州和广州等沿海城市，及昆明和武汉等内陆地区，广泛分布着深厚软粘土沉积层。由于软土具有含水量高、孔隙比大、抗剪强度低、压缩性高、渗透性低、灵敏度高等不良工程性质，修筑公路路基时如何选用较优的填料，防止路基病害，保证路面使用质量，一直是高速公路路基设计施工中一个重要课题。由于公路线路较长，沿线的地质条件变化复杂，都使用优质填料的可能性不大。特别是长江三角洲地区，业己进行的调查说明，优质填料A组缺乏，B、c组也不多，若不采用特别的办法，大量填料就需要远运阁。为了解决这一难题，节省工程造价，不得不就近开挖取土，对力学性质不良的软粘土进行改良，使其在经济上和技术上都达到设计要求。我国铁路部门一般定义改良土为通过在土体中掺入石灰、粉煤灰、水泥、固化剂等材料的处理，提高了工程性能指标的土体司。改良土中的石灰、粉煤灰、水泥和石灰或水泥粉煤灰称为无机结合料，在国外称为水硬性结合料7。我国公路、水利和建筑部门也将改良土称为稳定土或固化土，将无机结合料或土壤固化剂与土相互拌和而成的混合物，称为固化类混合料，简称混合料s。水泥、石灰和粉煤灰改良土在公路和其它部门已经大量使用了多年，积累了十分丰富的经验，这些传统的无机结合料改良土比起改良前的土料在工程技术性能的各方面均有不同程度的提高和改善。这主要表现在9:(l)吸水，降低土的塑性，改善土的力学性能，增大土的凝聚力和内摩擦角，有效地提高了土的抗剪强度，使土的承载力、固结特性和压实性得到显著改善;(2)使土的水稳性、抗冻性和耐干湿循环能力等耐久性能有所改善;(3)强度和耐久性随着时间的延续不断增长;(4)扩大了土料的应用范围，使可用土料地区分布广泛，原料十分充足;(5)施工技术较为成熟，使用成本低。由于存在上述诸多优点，改良土技术在高速公路建设中得到了广泛应用，取得了很好的经济效益和社会效益，其中尤以石灰土的应用为最甚。早在上世纪20年代，石灰土就已被大规模地用作筑路材料，但一般用作路面底基层，在路基施工中很少使用。用石灰改良土作路基填料，是近几年修筑高速公路、高速铁路过程中迅速发展起来的一种路基施工技术。石灰土已被广泛用于修筑高等级公路的路基，如广靖高速、宁靖盐高速、通启高速、宁杭高速、苏嘉杭高速及正在建设中的锡太一级公路等高等级公路的路基均由石灰土分层填筑而成。石灰土填筑的路基整体性强、承载力高、刚度大、水稳性好，为建成高质量公路创造了先决条件。实践证明，用石灰改良土填筑路基对减少工后沉降，保证路基稳定，避免路基病害起了很重要的作用。用石灰改良软土作路基填料，己得到了广泛应用，利用石灰土处理不良地基也取得了令人满意的成果，但其在交通动荷载作用下的变形特性及强度特性的研究很不成熟，理论研究远远落后于实际工程应用。因此，研究石灰改良土的动力特性并将它应用于实际工程中，具有十分重要的现实和理论意义。1.2软粘土动力特性研究现状动荷载作用于土体，随时间变化会引起两种效应:一是速率效应，即荷载在很短的时间内以很高的速率施加于土体引起的反应;二是循环效应，即荷载的增减，多次往复循环施加于土体所引起的效应103(谢定义，1988)。对于交通荷载，其作用时间相对较长，一般只考虑循环效应。循环荷载作用下软粘土动力特性的研究由来已久，早期有sdee和chnal”(1966)以及T五e吮和seed等人t，(1968，1969)通过循环三轴和循环剪切试验，分析粘土的应力一应变关系并建立了数学模型;snagrey等l1161161(1969，1977，1980)通过低速率下的循环三轴试验，研究粘土中循环应力与应变、孔压的关系，进入70年代，随着近海重力式石油平台的大量兴建，周期循环荷载作用下粘性土力学性状的研究取得了很大进展。主要研究成果有:产刀dersenll了(1980)等人应北海重力式石油平台建设的需要对I，=26的Dranunen粘土进行系统而广泛的研究。试验结果显示:当超固结比为1一50，加载频率在.005HZ一0.IHZ之间变化时，加载频率对达到循环应变值为士3%所需的加载次数几乎没有任何影响。Mastul8l(1980)对I，=55的esnri粘土进行了应力控制式的双幅循环三轴试验，所采用的频率在.002Hz司.5Hz之间变化。试验结果表明，孔隙水压力和轴向应变随循环次数的增加而增加，对于给定的循环次数而言，低频荷载产生较高的孔隙水压力和轴向应变。B(1972)对I，二35的粘土在频率为.0olHZ一4Hz之间的试验也给出类似的结论。Yushu田卫191(1982)对饱和重塑的Arikae软粘土进行的应力控制式循环三轴试验的结果表明，加荷频率(0.1一IHZ)对孔压有一定影响，但结论是频率愈高，孔压愈大，Borwn0z(1975)等人的研究也得出类似的结论。而Sherif的试验则表明，当加载频率在IHz砚Hz之间变化时，对给定的应力水平，频率对周期应变和孔压几乎没有什么影响。粘性土的超固结状态对变形和孔压的发展有较大影响。Matsul1sl(1980)得出的试验结果表明:超固结比OCR较大时在循环荷载作用的初期将出现负孔压，且负孔压随OCR的增大而增大，当循环次数较大时才产生正孔压，且OCR愈大，正孔压愈小。AZZouz，(1989)的试验结果同样如此，而Mal以sovie，(1995)由应变控制式循环单剪试验也得出类似的结论。ok切muar，(1971)、BrownL，。，(1975)、easortt和e颐stina，(1976)、A刀desren，5(1975)、Koustotfas，61(1975)、Mats说“，(1950，1992)、yashuaraetal，82，(1983b，1992)、丫始曲叮a30，(1955)、Hyde和W衍d3，(1956)、Jinio和俪d”，(1991)等研究了循环荷载作用下正常固结土的不排水强度问题，取得了比较一致的认识:瞬时不排水条件下，孔隙水来不及排除，处于不排水状态，随着孔压上升，有效应力减少，导致土的不排水强度衰减。长期部分排水状态下，如波浪荷载，因为存在部分排水，孔压消散固结，不排水抗剪强度反而有所增加，尤其对正常固结土，增加效果更为明显，这方面的成果如Andesrne17(1980)、Borwn3，(1977)、sna笋y34(1978)、物曲田滋35，(1983a)、ohaJ沮和Matus血，6，(1990)、曲叮a和八卫dersen。，(1989)等。至于预剪对超固结土强度的影响，似乎并没有一个明确的结论，Matsul(1980)1sl认为，与正常固结土类似，循环剪切后伴随孔压消散，超固结土不排水抗剪强度及变形模量略有增加。而八刀dersne，刀(1980)和孔shuara，8J(1994)对nmmaren粘土的试验则得出相反的结论，认为经循环剪切后即使伴随排水过程其不排水剪切强度仍有下降，即抵抗进一步的不排水循环荷载的能力将减弱。Huosotn等(1980)通过对海洋粘土施加双向和单向循环的应力控制三轴试验，分析了加载次数及循环应力比对应力、应变的影响，并指出了双向循环较单向循环更容易引起粘土的循环剪切破坏。AZZ0uz21，(1989)建立了循环荷载作用下正常固结饱和土与单一荷载作用下超固结土的联系。Atina和匆介r39，(1989)通过对循环荷载作用下正常固结土和重塑在不同循环应力和不同循环加荷速率下的试验研究，得出以下结论:重塑土能抵抗较大的循环剪应力，重塑土产生的循环剪应变比原状土要小得多，但这两种土产生的孔压差不多，重塑土具有在较高的孔压下才屈服的趋势。循环荷载作用下软粘土的变形可分为瞬时不排水状态下的变形和长期部分排水状态下的变形，前者如地震荷载作用，后者如交通荷载作用下公路软基的变形。早期的研究工作一般很少考虑排水的影响，如Seed如，(1958)、Luo“，(1973)及Y改山mouchi421(1969)的工作。以后，排水作用对土体变形的影响逐渐受到重视。Yes汕曰扭(1983)a从一系列的砂质粘土循环三轴压缩试验结果出发，提出了一个预测排水循环荷载作用下土体变形的近似模型。rujiwaar3，44，【45，(1985，1957，1990)主要研究了总荷载、荷载周期、荷载增量比、加荷方式、胶结程度和循环次数对变形的影响。他认为，一般情况下，循环荷载作用下的固结变形量大于静荷载作用下的变形量，这是由循环荷载作用过程中次固结变形引起的，而次固结变形与重复荷载的大小、荷载增量比、荷载周期，有机质含量成正比。我国学者黄文熙、汪闻韶从五六十年代起即对土的动强度及液化特性进行了系统而深入的研究。但以往的研究基本上局限于砂土地基抗液化特性等方面。关于软粘土动力特性的研究到近些年才引起重视。其主要成果有:杨起敬阅47，(l991，1992)在大量室内循环三轴试验的基础上，研究了曾有过周期应变历史土样的固结不排水强度特性和有过多级循环荷载作用之后土样的固结不排水强度特性，建立了第一级循环荷载作用下和多级循环荷载作用下土样的残余变形计算模型，求得了控制残余应变发展的临界反复应力比;提出了具有双曲线特征的无预剪固结排水时第一级不排水循环荷载作用下的孔压模型和级间完全固结排水时多级排水循环荷载作用下的残余孔压模型，强调了预剪的重要性。阎澎旺阉(1991)运用动三轴试验分析了正常固结土在循环荷载作用下累积轴向应变和累积孔隙水压力随振动次数的变化规律。试验结果表明，在循环荷载作用下，累积残余应变与平均固结压力归一化的累积孔隙水压力之间存在唯一对应关系，而与固结压力的大小、加载方式以及动应力的大小、频率无关。刘一亮，刘祖德49，(1992)研制和设计了一套试验装置专门研究软土地基在周期荷载下的变形特性，分析了软土的含水量、静力固结荷载、周期加载方式及预剪间歇效应对基土变形特性的影响，建立了周期荷载作用下残余变形的预测模型。要明伦，聂栓林50，(1994)从经典弹塑性理论出发，根据Pst模型的基本原理，把弹塑性运动硬化规律与等向硬化规律结合起来，引入塑性硬化模量场的概念，推导了土体的弹塑性本构关系。通过试验建立了动模量弱化公式，并将弱化公式与本构关系结合起来，应用于软土地基的动变形计算。还对“渤海六号”石油钻井平台在波浪荷载作用下的沉降，进行了模拟计算。王建华，要明伦5152，(l995，1996)通过动三轴试验，研究了饱和软粘土振动弱化破坏过程;给出了唯一确定有效动强度的标准;建立了振动累积孔压变化关系，提出了确定导致软粘土失稳的最小动剪应力的方法;还探讨了估算任意弱化状态下不排水静残余强度的途径。周健53，(19%)在试验结果的基础上，提出了动力荷载作用下软粘土残余变形的计算模式，计算结果与不排水和部分排水情况下观测到的孔隙水压力及残余应变很吻合。白冰，刘祖德54，55，“，(1998，1999，2000)围绕“动静结合排水固结法”课题，对冲击荷载作用下软粘土性状进行了试验研究，重点分析了排水条件对土体固结和再固结的影响。提出孔压与再固结体应变之间存在唯一性关系。根据室内试验结果对饱和软粘土次固结变形的机理进行了研究，特别分析了主固结阶段的次固结效应问题。基于冲击再固结后土体次固结变形显著减小的事实，从理论上推导了一个用似超固结比来定量描述次固结变形衰减的经验公式。周建，龚晓南57168，(1998，2000)通过对杭州市正常固结饱和软粘上进行应力控制的循环三轴试验，从应变的角度出发研究了循环荷载作用下土体的软化情况。通过研究不同循环应力比、不同超固结比、不同频率下轴向周期应变的软化情况分析了土体的软化，同时建立了一个合理反映土体应变软化的数学模型并确定了参数。蒋军侧60，(2000，2002)对循环荷载作用下软粘土的排水和不排水性状作了系统研究，分析了循环应力比、超固结比、频率、加载次数等因素的影响，建立了软粘土的残余应变计算模式。陈锦剑等61(2004)基于扰动状态概念(DSC)理论，定义饱和软粘土的相对完整状态、完全调整状态及扰动函数，建立了饱和软粘土应力一应变关系的DSC模型.通过三轴固结不排水剪切试验，对上海地区典型软粘土的力学特性进行了分析，得到了软粘土在不同围压下的轴向应力、应变和孔压等参数之间的关系，并应用试验结果验证了饱和软粘土的DSC本构模型，理论与试验结果较为吻合。1.3土体动本构模型研究现状研究循环荷载作用下土体的性状，关键在于建立一个能反映土体应力应变关系实际变化情况的动本构模型。土体作为天然地质材料在组成及构造上呈现高度的各向异性、非均质性、非连续性和随机性，在力学性能上表现出强烈的非线性、非弹性和粘滞性;其应力一应变关系非常复杂，它与应力路径、强度发挥程度以及土的状态、组成、结构、温度、赋存环境等因素密切相关。自Roscoe2sJ脚，(1958，1%3)等创建剑桥模型至今，各国学者已发展了数百个本构模型，得到工程界普遍认可的却极少，严格地说尚没有。事实上，试图建立能反映各类岩土工程问题.的理想本构模型是困难的，甚至是不可能的。比较切合实际的办法是对于不同的工程问题，应该根据土体的实际情况，有选择地舍弃次要影响因素，保留主要影.响因素，建立一个能反映实际情况的动本构模型。目前，已提出的土动本构模型.很多，大致可分为三类:粘弹性模型、弹塑性模型和内时模型。自1968年Seed提出用等价线性方法近似考虑土的非线性以来，粘弹性理论已有了较大的发展。在土体动力分析中，常用的粘弹性理论有等效线性模型和曼辛型非线性模型两大类。前者将土视为粘弹性体，不寻求滞回曲线的具体表达式，而是给出等效弹性模量和等效阻尼比随剪应变幅值和有效应力状态变化的表达式。后者则直接寻求滞回曲线的数字表达式来建立动应力一应变关系计算模型。H知drni.Dmevlhc模型、R田11be堪一osgood模型、双曲线模型以及一些组合曲线模型均属于等效线性模型。Rmabe飞一059以记模型由Rajnrbe飞和osgood于1943年提:出的，Hardni心mevihc模型由H田过in和Dmevihc于1963年提出的。为了使这类动本构模型更接近实测的动应力一应变曲线，Hardln和Drenveihc64，(1972)以及Pervost和cal五erine65，(l%7)分别对双曲线模型进行了修正。王志良等等66，(1980)弓!进阻尼比退化系数、广义曼辛曲线等新概念，建立了一个可以考虑不规则循环荷载作用的粘弹性模型。Mac玲和sdaaael伙1984)对Rajnrbegr一osgodo模型进行了修正，用不排水条件下土体材料的静剪切强度指标代替参考剪应力和剪应变。此外，lwna(1967)曾用一系列弹性元件(弹簧)和塑性元件(摩阻片)组成并联或串联的机械模型来反映循环荷载作用下土的应力应变关系。粘弹性模型在土的动力分析中得到广泛应用，它能较合理地确定土体在地震时的加速度、剪应力、剪应变。但由于该类模型在加荷与退荷时有相同的模量，故而不能计算土体在循环荷载作用下的残余变形，也不能考虑应力路径的影响和土的各向异性。土的弹塑性模型建立在弹性理论和塑性增量理论的基础上，它将土的变形分解为可恢复的弹性变形和不可恢复的塑性变形，并分别用弹性理论和塑性增量理论计算。它由屈服条件、硬化规律、流动法则三部分内容组成。对这三部分内容的不同假定，就形成了许多不同的本构模型，其中硬化规律中的运动硬化，是塑性理论用于周期加载的关键。土的弹塑性模型的研究是从最早借用金属材料的经典理想塑性模型开始的，后经Durcker68，(1957)、助seoe63，(1963)逐渐发展并完善了加工硬化弹塑性理论和临界土力学。近年来，依据弹塑性理论建立的弹塑性模型发展很快。首先，Prandtl和Reuss采用Von诵ss屈服函数提出了屈服面在主应力空间为一圆柱面的理想弹塑性模型;其次Ducrker和Pgare烤虑静水压力对土屈服面的影响，采用广义的VnoMsis屈服准则提出了屈服面在主应力空间为一圆锥形面的理想弹塑性模型;接着Ducrker、Gibeon和Heknel在这一圆锥形屈服面上加了一个球形的帽子，并让锥面和帽子随土的加工硬化一起扩胀，从而建立了第一个用于土的加工硬化塑性理论。Rosoce，幻63，(1958，1963)在对正常固结粘土和超固结粘土试样进行排水和不排水三轴试验的基础上发展了Rendulic(1973)提出的饱和粘土有效应力和孔隙比成唯一关系的概念，提出了完全状态边界面的思想，假定土体为加工硬化材料，服从相关流动规则以及能量守衡方程，建立了剑桥模型(Cma一Clya模型)，该模型又称临界状态模型，它从理论上阐明了土体弹塑性变形特性，标志着土本构模型研究新阶段的开始。随后许多学者对临界状态模型进行了修正。1968年，Roscoo和Burlnad691又对剑桥模型进行了修正;c翻rter等人侧(1982)在修正的剑桥模型基础上，引入了一个反映土体在加荷过程中软化的参数，但此模型是严格各向同性的，不能反映循环应力及主应力方向的旋转变化。Baldai等【川(1979)在等向硬化模型的基础上，建立了收缩屈服面模型，他们假定帽子型屈服面在加载时能扩大，卸载是屈服面按某种规则收缩，再加载时又进入塑性区，从而在循环荷载多次加载时，土体都将出现永久变形和孔隙水压力的增长。Penuer，(1978)、Ameasr恤hge和K淦atf73，(1983)在修正剑桥模型的基础上建立了适用于超固结土的本构模型;Ka钾dasrl4，在不相关联的运动硬化模型中引入了各向异性张量解释土体的各向异性，在其模型中，代表屈服面旋转和发展变化的各向异性张量通过一个用塑性体积应变率表示的旋转硬化准则来模拟。由于土体复杂的变形性状很难模拟，特别当荷载包括循环荷载、反向荷载、及其它荷载时，经典的弹塑性模型常显得无能为力，而且由于这些模型较为复杂，在具体应用时常常遇到难以克服的困难，使得人们不得不努力寻求更为简单的理论。塑性硬化模量场理论是1967年由K介。z74j首先提出的，它的基本思想是:在应力空间中定义一个边界面和一个初始屈服面，边界面是初始加载过程中形成的相应于最大加载应力的最大屈服面，在边界面内侧有一簇套叠着的互不允许相交的几何相似屈服面，它们随塑性应变的产生和发展在边界面内以一定的规则依次产生胀缩和移动，以此来模拟材料的非等向加工硬化特性，其中每个套叠面以及边界面都代表一定的硬化模量值，故这簇套叠面当前的相对位置既反映了材料过去的应力历史，又代表了应力空间中塑性硬化模量场当前的大小及其分布。当套叠屈服面在应力空间中随应力点的变化而平移和胀缩时，应力空间中的塑性模量场即随应力点的移动而不断的变化，从而可描述土在循环荷载作用下的卸载非线性、再加载和反向加载时出现的不可恢复塑性变形的现象。基于上述思想所建立的塑性土模型，常称之为多面模型或多屈服面模型。目前已有的多面模型是Pst75，(1978)及MoZr等饰，(1984)分别提出的。多屈服面塑性模型为描述土体的真实特性提供了极大的普遍性和灵活性，但它们要求在数值计算时对每一个高斯积分点所有屈服面的位置、尺寸及塑性模量进行记忆，对计算机的内存要求过高。为了避免在有限元计算时对应力空间中所有屈服面进行跟踪，一些学者提出了两面模型，即只采用初始加载面和边界面，在这两个面之间的套叠屈服面场用解析内插函数来代替，加载面上的塑性模量取决于加载面上的应力点与边界面上相应共辘点之间的距离。两面理论首先由D川阮liasv7，(l980)和Krige78，(1盯5)分别独立提出，后来MoZr等人79，(1979)将该理论用于描述土在循环荷载作用下的本构特性，建立了各具特色的模型。这类模型的基本特点是，在应力空间中有一个边界面限定了应力点和屈服面移动的几何边界，该边界多采用椭圆形，边界面内通常有一个与边界面几何相似的屈服面，该屈服面可遵循一定的规则移动，加载过程中应力点总是位于屈服面之上或屈服面内侧，边界面上的塑性模量与外法线方向均由塑性增量理论的规则确定，屈服面上应力点处的塑性模量则由该点在边界上共辘点的硬化模量确定，此时屈服面相对于边界面的位置用一些较简单的插值公式来确定，各种两面模型的主要区别在于边界面与屈服面的形状、移动规律以及硬化模量的插值公式不同。因此，边界面模型的关键问题是边界面的形状、流动及硬化规则以及应力状态处于边界面之内时模量的插值公式的确定。沈珠江(1984)圆提出了多重屈服面的概念并建立了三重屈服面模型，多重屈服面模型能不同程度地反映土的剪胀与剪缩特性，对不同的应力路径也有较好的适应性。近代试验土力学深刻揭示了土在非比例加载下的重要变形特性，也暴露了经典弹塑性理论在描述中性变载、旋转剪切应力路径下土体变形时的无能为力，l。为此，80年代中期，Daaflias等2st，(1987)提出了边界面低塑性理论，即应力增量与应变增量的非线性理论。考虑到引入增量非线性将增加数值积分的困难，DaiUias将这种非线性限定在流动法则与应力增量方向的相关性上。1989年，.王志良83在加里福尼亚大学发展了这一理论，建立了一个描述砂土旋转剪切特性的边界面低塑性模型。此外，Hi而84(1985)及Desai85，(1984)也提出了考虑土循环荷载作用下主应力轴偏转影响的两面模型。除了上述基于各向异性运动硬化塑性理论的模型外，多机构概念的塑性模型也得到很大的发展。多机构概念是由MajstOu妞伽，(1974)和Aub甸卿，(1952)提出来的，Kbail别叭nay和IShih田冠胭，即，(1991)、Porvest90，(1990)、Pastor等，(1990)、x滋等，2，(1992)和刘汉龙洲等人(1998)采用多机构概念分别建立了多种新颖的描述循环加载条件下砂土动本构特性的塑性模型.其中Pastor等人(1990)的模型很有特色。他们认为材料的变形是由M个在相应应力状态条件下的独立机构所产生的变形叠加的结果，并提出了广义塑性理论体系，该理论体系不需要明确地定义屈服面和塑性势面，可考虑应力主轴旋转等多种复杂循环动力加载作用条件，并将经典塑性理论和上述边界面模型等视为其特例。Pastor等人认为该模型可以在全范围内描述砂土与粘土的动、静力学性态，是当前最简单也是最有效的模型之一。Iai等将土体复杂的机理分为体积机理和一系列简单的剪切机理，建立了一种能考虑动主应力轴方向偏转的影响和液化时剪切大变形的多重剪切机构模型，并编制和开发了一个用于地震作用下构造物及地基液化稳定和永久变形的大型有限元分析软件.从实例分析的结果来看，该模型对饱和砂土循环加载动力特性的模拟效果非常满意94959680年代以来，国内在动力弹塑性模型方面也取得了长足的进展.沈珠江07(1998)在借用理论力学及内时理论中的减退记忆原理和老化原理的同时，提出了塑性应变的惯性原理、协同作用原理及驱动应力等新概念，在此基础上建议了一个反映砂土在循环荷载作用下的广义弹塑性模型，数值模拟与多种应力路径下试验结果的对比表明了其合理性。谢定义及其课题组经过多年的不懈努力，建立了饱和砂土的瞬态动力学理论体系阅99，(1981，1991)。该理论体系的一个重要特点是将循环荷载下饱和砂土的应力、应变、强度及破坏视为一有机联系的发展过程，并针对这一过程的不同点提出反向剪缩、空间特性域、时域特性段及瞬态模量场具有理论和实际意义的新概念，开辟了对动强度变形瞬态变化过程进行定量分析的新途径。要明伦刘(1994)根据Porvest模型的基本原理，将动模量弱化公式应用于软土的动变形计算。王建华oolj义，(1991，1996)等基于硬化模量场概念，对饱和软粘土的动力特性进行了弹塑性分析。徐干成101，(1995)等对饱和砂土的循环动应力一应变特性进行了弹塑性模拟。陈生水叼等基于标准砂和粉煤灰两种典型无粘性土的试验研究，建议了一个描述无粘性土复杂应力路径下应力一应变特性的弹塑性模型，强调塑性应变的大小和方向不仅与当前的应力状态有关，而且还决定于当前应力增量的方向。目前已发展的各种弹塑性模型，能够较好地模拟土的各向异性，这类模型的最大优点是可以计算土体的永久变形。但这类模型要么是针对排水条件提出的，要么是针对不排水条件提出的，没有考虑部分排水条件下非恒定动力渗流对土体动本构模型的影响，且这类模型均是与速率无关的，而且大部分模型中参数较多且确定方法不统一，甚至有的参数物理概念不明确，不能反映土体的一些特性，因此需在现有研究的基础上使弹塑性动本构模型逐步发展和完善。内蕴时间塑性理论(简称内时理论)最初由、傲1耐s于1971年提出，并由他本人于1980年作了改进。我国学者陈仲颐、陈正汉曾撰文分别介绍其在土力学中的应用，内时理论的最基本概念可描述为:塑性和粘塑性材料内任一点的现时应力状态，是该点邻域内整个变形和温度历史的泛函;而特别重要的是变形历史用一个取决于变形中材料特性和变形程度的内蕴时间来量度。采用内蕴时间z而不用牛顿时间t去量度不可逆变形的历史，就把材料性质及其内部结构变化对于本构关系的重要影响，突出到用一个基本变量加以描述的程度。内时理论不以屈服面的概念作为其理论发展的基本前提，也不把确定屈服面作为其计算的依据。屈服面的概念及运动硬化和等向规则等可以作为内时理论的特殊情况，通过理想化和简化而得到。B影登mt最早用内时理论来描述饱和砂土的动本构特性。zienkiewicz等用它来描述周期荷载作用下的土体应变。Finn和Bhatia(1981)等用它来描述砂土的孔压和体应变。我国学者范镜汉(1985)在对适用于岩土材料的新的内时模型研究方面作了较多的工作。但是，尽管内时理论的基础深广、体系严密，具有广泛的适应性，可能为许多材料各种不同力学性质的分析在不同程度上提供新的思路和更现实、更便于分析的模型和方法，但就其目前在土动本构特性研究中应用的现状来看，还只能说是初步的。.4石灰改良土性状研究现状世界上无论是发达国家还是发展中国家，都十分重视改良土这种价廉质优的地方建筑材料。石灰改良土作为一种稳定固化土，具有相对较好的承载力和抗剪能力，一般主要用于承受抗弯作用的道路和机场跑道的基层和底基层，以及建筑物的地基处理。用石灰改良土作路基填料，是近几年修筑高速公路、高速铁路过程迅速发展起来的一种路基施工技术。日本、美国及西欧一些国家一直在开展这方面的研究工作。国外有关研究石灰改良土静力特性的报道很多，近10年来石灰改良土静力特性方面的研究成果有:Bell拍3(1996)研究了石灰对粘土及其常见矿物成分高岭土、蒙脱石、石英等的工程力学性质的改良作用;osula104，(19%)等对比研究了石灰和水泥对红土进行改良时，龄期对改良效果的影响;Locatl061l(1996)等研究了经石灰处理后的有机质软土的力学和硬化特征;Rajasekar皿06，。，08，(1996，2002)等研究了利用在海相沉积软土层中设置石灰柱、石灰注浆等技术改良软土的加固机理及改良软土的工程力学性质;sba汀oo1，(19%)等研究了灰土桩的强度特性;Pobralla，01(19%)利用土工离心机研究了用石灰改良土作填料的加筋土挡墙的破坏形式;AlAbudl场址止ba(1997)等分析研究了利用石灰和水泥改良不良土在干旱地区修筑高速公路的可行性。但有关石灰改良土动力特性研究方面的报道不是很多，Bhatatchyarall幻(1987)分别对石灰改良红土和椰子纤维加筋土的动力特性进行了试验研究，发现两者的动强度及动弹模量显著提高。S和Weit13，(1978)对冻融条件下石灰改良土的动变形特性进行了试验研究，试验结果表明:反复冻结和融化严重影响着石灰土的动强度与动变形特性，甚至造成道路结构中的石灰稳定层产生拉伸破坏，路基填料呈现出颗粒材料的特征。An和Chae，4(1980)利用共振柱试验对膨胀土在石灰、盐分别掺入或者石灰、盐同时掺入条件下的动剪切模量进行了研究，分析了剪应变幅值、围压、饱和度、固化剂掺入量对动剪切模量的影响，认为上述诸因素对动剪切模量有显著影响，经处理改良后的膨胀土不仅动强度增加，而且静力特性也有所改善，膨胀率降低，因为盐在石灰土的火山灰反应中起催化作用，在膨胀土中同时掺入石灰、盐，改良效果最佳;同时，土的动剪切模量和静剪切强度具有良好的相关性。A上。句和snighl5(1986)通过循环三轴试验确定石灰改良红土的弹性及粘弹性参数，分析了动荷载、含水量、养生时间、掺灰比对回弹模量的影响。由试验结果可知，掺灰比愈大、养生时间愈长，回弹模量愈大，含水量、动荷载增大，回弹模量减少。Fallounl伙19%)基于塑性指数对动剪模量和阻尼特性的显著影响，先选取三种塑性指数明显不同的粘土(I;=18一514)进行石灰处理，然后对其动力特性进行了试验研究;试验结果表明随着动应变水平的提高，石灰土的动剪模量降低，阻尼比增大。增加掺灰量，对石灰改良土的动力特性有很大影响，动剪模量增大，阻尼比降低。Hoyos1l7(2004)利用共振柱试验对经过化学稳定处理的、含有大量硫酸盐Arlingtno膨胀土的动力特性进行了研究。我国在利用石灰改良土作路基填料方面做了不少探索性的工作，石灰改良土作高速公路路基填筑材料在软土地区得到了广泛应用(如图1一3所示)，利用石灰处理膨胀土、淤泥质软土等特殊地基也取得了令人满意的成果。在石灰土工程力学特性的研究上，我国学者做了许多前沿性的工作:徐勇、张婉琴等181(1996)通过重型击实试验和无侧限抗压强度试验，研究了不同石灰掺入量及不同养护时间对石灰土的最大干密度、最优含水量及无侧限抗压强度的影响，确定了作为铁路路基填料的石灰土的最佳石灰配比及养护时间。陈新民、罗国煌、李生林等“刃(1997)用生石灰改良膨胀土，取得了明显的改良效果;乌尽瑞光、张德才120，(l99，7)分析了石灰土的无侧限抗压强度随石灰剂量、养护温度、龄期的增长规律;张立新、王家澄121，(2002)研究了石灰土的冻胀特性。在石灰土动力特性的研究方面，我国起步较晚，研究成果较少，曾阳生、张佩知1221(1992)利用动三轴仪模拟列车荷载作用下铁路路基基床内的受力状态，对由两种不同的膨胀土构成的石灰土进行了动变形与动强度的试验研究。试验结果表明，石灰膨胀土在动荷(列车荷载)作用下的动应力一应变关系能很好满足双曲线关系，石灰膨胀土的动弹模量与动强度均比原膨胀土的相应值大有提高，石灰膨胀土的动弹模量与动强度均随石灰掺灰比m的增加而增大，而m值超过8%后，变化缓慢，掺灰比以m=8一11%适宜，其中以m=8%为最佳;石灰膨胀土的最大动弹模量凡与侧压力3。有关，并提出了相应的经验公式。周卓强123采用动三轴试验模拟列车荷载下基床土体的受力情况，对裂土原状土及5%、8%和11%三种掺灰比的石灰土的动强度和动模量等动力特性参数进行了试验研究，分析了石灰改良土技术治理裂土基床病害的可行性，并提出了最佳灰土配合比.郭志勇叫(2003)对某公路路基膨胀土进行了改性试验和动力特性试验研究，改性剂采用当地易购的石灰，按不同的比例进行试验。通过不同石灰掺量下改性土的常规武验、强度试验、膨胀试验和动力三轴试验研究，认为改性后的土样其工程特性和力学强度指标都有了较大幅度的提高。虽然石灰土动力特性方面的研究成果不是很多，但是在整个改良土动力特性的研究上还是取得了喜人的成绩。罗晓125，(1995)采用共振柱试验对水泥土动力特性进行了研究。由试验可知，剪应变小于5xlo一5%，剪切模量基本为常数，因此可取=5、10一，%时的剪切模量为初始剪切模量G面。与静力情况相似，水泥土的动剪切模量随水泥掺量的增加而增，阻尼比随水泥掺量增加而增大，这些性质与强度较高的土比较相似。吴世明、张忠苗126，(1998)对软土地基上某大型油罐搅拌桩复合地基进行了试验，结果表明，淤泥质粘土经搅拌桩加固后，水泥土的剪切模量比加固前提高了18倍。剪切模量随剪应变的增大而减小。侯永峰12伙2000)对循环荷载作用下水泥土一土复合体性状进行了试验研究，综合研究了置换率、加载次数、循环应力比、围压等因素对复合土应变和孔压的影响，并且建立了复合土体在循环荷载作用下孔压计算模型和软化模型，考虑了加载次数、循环应力比、置换率、围压等因素的影响。陈善民砚(as20O0)通过室内动三轴试验和共振柱试验，研究了水泥土材料的初始动弹性模量和水泥掺合比、围压的相互关系，建立了经验方程。分析表明，水泥土的阻尼比随应变增大而增大，随水泥掺量增加而增大;当围压增大时，水泥土的阻尼比随之减小，初始动弹性模量随水泥掺合比的增加而增大。蒋军和朱向荣阁O3l，(2000，2001)通过一系列室内循环三轴试验，对含砂芯软粘土复合土样在不排水循环荷载作用下的性状开展了试验研究，分析了循环荷载幅、循环次数、固结比、加载历史以及砂芯置换率等因素的影响。杨广庆等131132(2000，20仍)通过水泥改良土的动三轴试验，分析了水泥改良土在列车重复荷载作用下的动力特性，研究了水泥改良土的临界动应力、累计塑性变形、弹性变形和回弹模量的变化规律及影响因素，论证了水泥改良土作为高速铁路路基基床底层材料的可行性。蔡袁强等asl(2003)通过动三轴试验研究了水泥土复合试样的动模量和阻尼比的变化规律，着重研究了置换率和围压的影响，提出了一种简单实用的计算复合试样模量和阻尼比的方法，并给出了由试验确定的归一化公式。试验结果表明:复合试样的动弹模量E、阻尼比兄和应变水平s的相关曲线与纯粘土的有关曲线形状基本一致，只是在相同应变时大小不同;经过置换后，复合试样的最大动弹模量较纯粘土的最大动弹模量有所提高，而阻尼比减小;在相同的应变水平下，随着围压的增大，动弹模量增加，阻尼比减小;围压较小时，置换率对最大动弹模量的影响更加显著，与之类似，置换率较小时，围压对最大动弹模量的影响也很显著。1.5道路与地基动力相互作用研究现状行驶在路面上的车辆，通过车轮把荷载传至路面，由路面传至路基和地基，在路基路面结构内部及地基中产生应力、应变和位移。交通荷载作用下道路结构的各部分及地基是一相互影响的有机整体，研究时必须考虑路面结构、路基及地基的相互作用，才能较全面反映道路的整体变形特性。国外学者很早就对道路与地基的动力相互作用进行了研究。如美国“战略公路研究计划”就有相当大的部分是研究路面动力学的，欧洲经济发展与合作组织(OECD)在这方面也做了大量的研究。现在路面动力学正成为公路科研领域国际学术界最热门的话题之一。在50年代到70年代初，对运动荷载问题的研究多集中在弹性半空间体的分析上，应用积分变换和复变函数中的解析函数理论，成功地得出了匀速运动的点荷载下的弹性半空间体动力响应的理论解。但在其后很长一段时期内，对运动负荷的研究几乎停止。这一方面是因为在求解点荷载下的弹性半空间动力响应的理论己经接近完美;另一方面是因为在求解复杂结构的动力响应时，在数学及力学上都遇到了极大的障碍。近年来，随着大型计算机的广泛应用，以及力学理论和数值计算方法的发展，采用H肚lli沈l变换式和反演法，已能编制出多层弹性体系的计算机程序，求算多层体系内任意点的应力和位移值。Mcihael和EdwaJr心134，(1990)分析了粘弹性地基上矩形薄板在移动荷载作用下的瞬态响应。粘弹性地基由一系列不连续的弹簧和粘壶组成，交通荷载由两个独立的弹粘性体系组成，两者具有相同的速度，荷载和板的接触假定为点接触。siddhar山叨(1993)35，和zal分”，(1994)利用连续基有限层路面模型分析受到运动交通荷载下的路面响应。C。任访s和Wang(1993)17s采用振动理论并利用H班正el变换和LPalaec反变换技术得到了三维层状路面体系的临界振动荷载，考虑了荷载分布形式、路面各层厚度以及每层材料的强度对临界振动荷载的影响。当荷载小于临界振动荷载时，路面塑性变形随加载循环次数的增加而逐渐趋于稳定，继续施加荷载时不再产生永久变形，而只产生弹性变形;当荷载大于临界振动荷载时，路面永久变形随作用次数而累积，变形持续发展，直到破坏。为了能处理水平面上任意方向的运动荷载，sidhdarhtna138，(1998)继续发展了他的模型。现有的Siddhar由叨模型的荷载可以是更加真实的移动荷载。由于使用了傅立叶变换的连续基有限元处理方法，可以处理诸如多荷载和非圆形轮胎路面接触压力的复杂荷载，轮胎印迹可以是任何形式。因此这种模型适用于分析宽基轮胎。另外，此模型运算效率要高于基于有限元方法的运动荷载模型。沥青混凝土层可认为具有粘弹性性质，剪切模量和泊松比可以是频率的函数，将基层和路基认为是线弹性性质的材料。socng一niKha和Jose139，(l998)用三重傅里叶变换分析了弹性地基上无限大板在运动荷载作用下的动态响应。假定大小不变的矩形局部荷载沿直线等速向前移动，认为板体发生共振动时动挠度最大。HUnag140等(2001)采用有限条分法和弹簧系统分析了Wi刊日er弹性地基上作用移动的加速度荷载时矩形板的变形响应，动荷载简化为点荷载，同时还探讨了起始速度、加速度及起始位置对矩形板的影响，通过分析得出:初始速度和加速度对板的响应有影响，远离边界位置处板的响应与无限大板相似。B田上er4l1(1972)将飞机荷载考虑为静荷载，采用增量加载方法，考虑了单轮荷载作用下道面与地基的共同变形问题。根据跑道及荷载的对称性，取跑道的一半来考虑，假设为平面应变情况。采用大型试验和数值分析相结合的方法，通过试验量测了试验路段不同深度的位移和应力，考虑了荷载作用位置的影响。通过有限元计算，考虑加载和卸载不同情况，用标准三轴试验得到的弹性模量值代表初始加载情况，用动三轴试验测得的动态初始模量代表回弹和再加载模量。Subei1421(1991)提出了一种有限元和边界元相结合的方法，用于分析路面、路基和地基在力学荷载(包括汽车、火车和飞机的轮载)和环境荷载(包括温度变化、地基含水量的变化等)作用下的变形及应力情况。采用有限元法分析荷载作用点区域的变形，而采用边界元法分析场地较远区域的变形，还考虑了道面板连接缝的传荷能力。文献只考虑了材料的弹性变形，未考虑塑性变形，交通荷载作