基于应变率效应的Ariake黏土卸荷膨胀行为建模与实验研究

针对沿海城市填海工程中海洋黏土卸荷膨胀行为预测精度不足的问题，研究人员通过CRS试验和长期固结试验，建立了考虑应变率效应的黏弹塑性模型，引入塑性回弹边界概念和参数R，显著提升了卸荷阶段膨胀行为的预测准确性，为填海工程长期稳定性评估提供了新方法。

　　

在东亚和东南亚沿海城市快速发展的背景下，土地复垦工程对海洋黏土变形特性的研究提出了更高要求。虽然黏土的长期加载行为已有较多研究，但卸荷后的膨胀行为及其应变率依赖性仍不明确。特别是在预压后卸荷过程中，黏土表现出的"负蠕变"现象（即时间依赖性膨胀）对填海工程的长期稳定性影响重大。日本国土交通省下属研究机构的研究人员针对这一科学问题，以具有典型性的Ariake黏土为研究对象，开展了一系列创新性实验和模型开发工作，相关成果发表在岩土工程领域权威期刊《Soils and Foundations》上。

研究团队主要采用了三种关键技术方法：1）恒应变率（CRS）固结试验，从加载到卸荷全过程监测；2）长期卸荷固结试验，设置不同预压时间（0.5h/4h/36h）和超固结比OCR（1.4-4.0）；3）基于Watabe等提出的黏弹塑性模型框架，引入塑性回弹边界概念开发新参数R。所有试样均取自日本有明海7.0-7.8m深处的原状黏土，保持25±1°C恒温环境。

在"海洋黏土样品"部分，研究详细描述了Ariake黏土的物理特性：初始孔隙比e₀=3.37，天然含水率w_n=129.5%，液限w_L=115.5%，黏粒含量62%。通过对比不同深度的压缩曲线，发现化学胶结和次固结分别导致上层（-7.5m以上）和深层（-7.5至-15m）呈现不同的超固结特性。

"卸荷行为测试方法"部分展示了创新的实验设计。长期卸荷固结试验采用阶梯式加载（19.6-314kPa）后，控制三种预压时间对应不同末端应变率（+3.3×10^-6至+3.3×10^-8 s^-1），再卸荷至不同OCR保持3周。CRS试验则采用+3.3×10^-7 s^-1作为参考卸荷应变率。结果表明：当OCR>1.8或预压末端应变率<1.4时，黏土持续膨胀不出现再压缩。

"黏弹塑性模型开发"是研究的核心创新。在Watabe原有模型基础上，研究人员：1）用OCR替代传统应力参数；2）定义弹性应变范围为卸荷起点至压缩限定线交点；3）引入参数R=log(OCR/OCR_Boundary)/log(OCR₀/1.43)，建立应变率相关性方程ln(R/R_L-1)=s₁+s₂lnε?_vp。通过参考卸荷曲线（-3.3×10^-7 s^-1）拟合得到R_L/R₀=0.854，模拟结果与实验数据高度吻合。

研究还创新性提出参考超固结比OCR_ref=σ'_{p,+1×10^-7s^-1}/σ'，解决了传统OCR无法反映预压应变率影响的问题。如图21所示，该参数成功统一了不同预压时间（0.5h/4h/36h）数据的模拟曲线。

在"讨论"部分，研究对比了Tachibana的塑性回弹模型、MIT-SR模型和EVPS模型等现有理论的局限性。新模型的优势在于：1）仅需c₁、σ'_pL/σ'_p0和R_L/R₀三个核心参数；2）通过CRS参考曲线即可推导全应变率范围的膨胀行为；3）能准确预测高OCR（>1.8）条件下的持续膨胀现象。但作者也指出，模型尚未包含黏弹性再压缩分量的模拟，这将是未来改进方向。

这项研究通过系统的实验和理论创新，首次建立了考虑应变率效应的海洋黏土卸荷膨胀预测模型。其工程价值在于：1）为填海工程卸荷后的长期变形预测提供可靠方法；2）通过预压时间控制可优化工程设计方案；3）参数R的概念为黏土时间相关行为研究开辟了新思路。该成果不仅适用于Ariake黏土，其建模方法对其它海洋黏土的研究也具有重要参考价值。