《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》：Thermo-hydro-mechanical coupling effects on cyclic dynamic behavior of saturated soft soil
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本文针对温度波动环境中饱和软土长期变形机制不明确的问题，通过温控动三轴试验系统研究了THM耦合效应。结果发现：累积塑性应变与温度呈线性负相关（每升高1°C降低0.013%）；建立了考虑温度效应和临界参数阈值的多因子耦合预测模型；阐明了高温通过增强固结排水和产生热有效应力抑制孔隙压力的双路径机制。研究成果为热波动环境下软土地基长期稳定性提升提供理论依据。
在平原地区公路工程中，低路堤结构因其节约土地资源和降低施工成本的优点被广泛采用。然而，减薄的结构厚度显著放大了环境温度对饱和软黏土的热传导效应。高速交通荷载产生的长期循环动应力与季节性温度波动相互交织，在软土地基中引发复杂的耦合效应，驱动孔隙水压力重分布和塑性应变逐步累积，最终危及工程结构的长期使用性能。阐明热-动力耦合作用下软土地基动力响应演化机制，对建立路基长期性能预测模型具有重要科学意义。
尽管前人通过土-水耦合弹塑性模型研究了桩承式路堤的动力响应特性，对沿海软土的研究表明氧化石墨烯能有效增强动力特性，并系统分析了高速列车在饱和软土地基上的振动行为，但这些研究多集中于静态加载或单一场条件，对循环动荷载、温度场和地下水相互作用的多场耦合机制研究明显不足，尤其缺乏多因素耦合作用下软土的变形机理和预测方法探讨。
为此，发表于《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》的论文《Thermo-hydro-mechanical coupling effects on cyclic dynamic behavior of saturated soft soil》针对这一空白展开研究。研究人员通过温度控制动态三轴试验，系统评价了饱和软土的热力学响应，旨在揭示温度依赖的累积塑性应变、累积孔隙压力和动态塑性模量的变化规律，分析温度介导的动力响应特征调控机制，并建立累积塑性应变的多因子耦合预测模型，从而为软土工程的设计和施工提供理论基础和试验依据。
本研究主要采用了温度控制动态三轴试验系统。试验材料为取自中国四川省成南高速公路的饱和软土，其物理性质经实验室测定，属于低液限黏土(CL)。试验使用GCTS温控动三轴系统，包括高压腔、围压/反压控制器、刚性加载架、温控环境箱、SCON数字伺服控制器和CATS软件套件。试样制备成直径50毫米、高100毫米的圆柱形标准试样，经过真空饱和达到95%以上的饱和度。试验设定了不同的温度(20°C, 30°C, 40°C)、围压(如80 kPa, 100 kPa, 120 kPa)、动偏应力(如40 kPa, 50 kPa, 60 kPa)和初始静偏应力(如0 kPa, 35 kPa, 55 kPa)组合条件。试样在目标温度稳定后，进行排水固结直至达到95%的固结度，随后在刚性侧限约束下进行10,000次1 Hz频率的半正弦波不排水循环加载，以模拟低路堤约束和反映实际覆压条件的预固结应力。
3.1. 累积塑性应变
通过不排水动力试验研究了温控循环荷载下软土的累积塑性应变演化。结果表明，高温降低了孔隙水粘度，增强了固结期间的排水效率，从而降低了固结后含水率和颗粒间距，减小了孔隙比，提高了抗变形能力。因此，在相同的应力状态下，较高的温度对应着较慢的初始塑性应变累积，表现出明显的热硬化特征，即累积应变随温度升高而系统性减小。
3.1.1. 温度效应
对10,000次循环后温度-应变关系的进一步分析表明，在各种应力条件下，累积塑性应变随温度升高呈线性减小，在20°C-40°C温度范围内平均应变减小0.26%。一方面，高温条件可能促进了土颗粒间胶结物质的形成，同时减少了吸附水膜厚度，从而增强了粒间摩擦，抑制了颗粒间的相对位移。另一方面，由于土颗粒和孔隙水热膨胀特性不同，较高温度可能导致颗粒接触更紧密，减少了塑性应变的积累。
3.1.2. 其他因素的影响
为系统研究围压、循环偏应力和初始静偏应力对软土动力行为的影响，分析了10,000次振动循环后的累积塑性应变随温度的变化关系曲线。结果表明，累积塑性应变随围压增大呈指数衰减（从80 kPa增至100 kPa时平均降低57.5%），随循环偏应力增大呈线性增长（每增加10 kPa约增大1.3倍）。初始静偏应力与累积应变呈正相关，较高的应力水平降低了温度在减少应变方面的有效性。对比分析揭示了非线性增长模式：当初始静偏应力超过35 kPa时，应变增量显著加速。
3.1.3. 累积塑性应变的预测建模
试验研究表明，循环动荷载作用下软土的不排水累积塑性应变受循环荷载次数、温度和应力状态的显著影响。本研究在既有循环累积模型基础上，引入了相对偏应力水平参数来耦合初始静偏应力和动偏应力的效应。考虑到本研究中静偏应力是在完全排水条件下施加并在循环加载前完全转化为有效应力，对不排水抗剪强度表达式进行了相应处理。通过回归分析，建立了统一参数D*与校准参数a、m、b之间的定量关系。进而考虑了温度效应，识别了归一化温度比与累积塑性应变之间的线性相关性。最终，通过代入关系式，得到了考虑温度、围压、动偏应力、初始静偏应力和循环次数的累积塑性应变模型。该模型使用TV-4组的试验数据进行了验证，预测结果与实测值吻合良好，证明了所提模型能够表征饱和软土的不排水塑性变形行为。
3.2. 累积孔隙压力
进行了不排水动三轴试验，研究循环荷载下温度对软土累积孔隙水压力的影响。分析重点在于不同应力条件下10,000次循环后的孔隙压力变化。较高温度的试样在10,000次循环后最终达到的稳定孔隙压力值低于常温条件。这种现象的机理解释是：较高温度下固结期间排水效率增强，加速了水分的排出，减少了颗粒间距，并在循环加载前稳定了土骨架。这种持续的温度效应源于不排水约束下土颗粒和孔隙水的差异热膨胀，受限的颗粒膨胀通过有效应力原理将部分孔隙压力转化为增强的有效应力。因此，孔隙压力的稳定值随温度升高呈现系统性降低。
孔隙压力随温度升高的稳定线性降低在围压为100 kPa和120 kPa时表现明显。然而，这种温度敏感性在较低围压(80 kPa)下变得难以预测，孔隙压力降低在20°C-30°C之间比30°C-40°C之间更为显著。类似的不稳定性也发生在高循环偏应力(60 kPa)条件下，孔隙压力呈指数衰减模式，温度有效性减弱。相比之下，在所有测试条件下（除低围压65 kPa情况外），累积孔隙压力随温度升高线性下降，平均每升高10°C降低14%。这种线性热抑制效应在高围压(≥100 kPa)下保持稳定，即使初始静偏应力达到55 kPa，证实了在此类应力组合下温度效应的稳健性。
3.3. 动态塑性模量
动态塑性模量定义为动偏应力与N次加载循环后累积塑性应变的比值，量化了土体在动荷载下的塑性变形抗力。温度升高通过热激活的强化机制增强了动态塑性模量。每升高10°C，动态塑性模量在各种循环应力条件下提高35.3%，这归因于改善的粒间胶结、减薄的吸附水膜和增强的有效应力。然而，这种热增强效应在高初始静偏应力下减弱。当初始静偏应力为55 kPa时，在20°C-30°C温升期间动态塑性模量仅增加6.1%，而在较低静偏应力下为11.1%。这种衰减在30°C-40°C时加剧，动态塑性模量增量分别为9.5% (初始静偏应力55 kPa)、58.1% (初始静偏应力0 kPa) 和35.0% (初始静偏应力35 kPa)，表明预先存在的高静偏应力引起不可逆的结构损伤，限制了颗粒接触处的热强化。
本研究引入了一个创新的分析模型来量化软土中温度依赖的不排水塑性应变累积，整合了循环振动次数、静偏应力、动偏应力和围压等控制变量。此外，对热效应下孔隙压力演化和动态塑性模量的研究为软土的热-力学耦合行为提供了关键见解。观察到的应力状态依赖性源于受有效应力原理控制的热膨胀相互作用。在低围压下，弱的粒间接触允许土体膨胀消散热孔隙压力增量，减少了有效应力的增强。同时，接近材料屈服强度的高循环偏应力加速了结构损伤，压倒了温度诱导的胶结改善。这些机制共同制约了当围压低于100 kPa或循环偏应力超过50 kPa时对孔隙压力的热抑制。因此，稳定的温度控制孔隙压力降低需要将应力状态维持在这些阈值之内，超出此范围，热效应随温度升高逐渐减弱。
这项研究的优点有三方面。首先，明确将温度作为控制变量，解决了传统循环本构模型中常被忽视的热效应问题。其次，多参数公式成功捕捉了静态-动态应力状态与热荷载之间的协同相互作用，模型预测与试验数据在不同温度范围内的高度一致性证明了这一点。第三，对孔隙压力累积和模量退化的同步分析建立了对热-循环条件下土体劣化机制的整体理解，为基础设施韧性评估提供了实用价值。
研究结论表明：累积塑性应变在20-40°C范围内每升高1°C线性减小0.013%，这归因于热促进的胶结作用和减薄的吸附水膜。温度升高通过双重耦合机制抑制孔隙压力累积：固结期间增强的排水效率降低了初始压力增长率，而土颗粒与孔隙水的差异热膨胀增加了有效应力，从而降低了稳定压力值。然而，这种抑制效应在低围压(<100 kPa)或高动偏应力(>50 kPa)下非线性减弱，此时不受限制的颗粒膨胀或加速的胶结损伤占主导地位。动态塑性模量表现出温度依赖性增强，但其幅度受初始静偏应力阈值的约束。超过35 kPa的预先存在的应力会引起不可逆的微观结构损伤，削弱颗粒接触处的热强化，从而减弱模量的改善。
该研究建立了饱和软土在热-动力耦合作用下累积塑性应变的多因子耦合预测模型，阐明了温度介导的孔隙压力抑制和动态模量增强的微观机制，并提出了基于临界应力阈值的工程优化措施，为温度波动环境下软土地基的长期性能评估和设计优化提供了重要的理论和实验基础。
