领域：学术论文 · 应用学科

在沿海深厚软土地层中，由于其天然沉积成因复杂，形成了结构性显著、胶结性弱、微观孔隙形态高度多样的软黏性土体，其工程响应表现出显著的非线性、各向异性及时效性。当前城市基础设施向纵深发展趋势愈发显著，深基坑、地下空间及盾构隧道工程广泛侵入至30–60 m深度，常穿越多个承压含水层与扰动敏感软土层，故准确掌握软土在不同应力路径、加载速率与排水条件下的力学行为，成为高风险工程中亟待突破的技术瓶颈。
本研究基于应力–应变–时间三维耦合视角，结合室内多路径三轴试验与微观结构观测，探讨深层软黏土在多种加载条件下的破坏机制与本构响应规律。试验采用GDS全自动三轴加载系统，设置恒应力比加载、应变控制加载及路径依赖加载等工况，分别开展了CU、CD与加载–卸载–再加载循环试验。试样取自上海浦东某典型地段第Ⅰ承压含水层上覆层，物理性质指标中天然含水率约为42%，液限约为52%，初始结构性明显。
在试样制备阶段，通过真空饱和–背压饱和联合方案确保Skempton B值大于0.97。固结过程采用K0等向主固结路径模拟竖向加载条件；加载阶段控制速率为0.1 %/min，孔压及体应变数据每0.5 s采集一次，以捕捉瞬态响应。在非排水CU试验中观察到典型的剪切软化行为，最大主应力差达186 kPa后显著下降，强度包络曲线呈现非线性扩展趋势。部分样本表现出双峰型剪切响应，反映出内在结构破坏与颗粒重排的阶段性过程。
结合剪胀角–应力比演化路径，发现该类土体在初始阶段表现为负剪胀，即体积压缩趋势明显，随加载持续出现临界状态剪胀角迅速增长的过渡过程，表明结构性破坏触发了粒间滑移与孔隙重构过程。应用DIC数字图像技术分析剪切带发展情况，发现剪切破坏并非单一面局部化，而呈现多裂缝共存、剪切面分支发展的复杂形态，尤其在加载–卸载–再加载循环试验中，剪切路径与之前不同，表现出明显的结构劣化记忆效应。
在固结排水（CD）路径中，试样呈现较强的剪胀效应与残余强度平台，未发生明显峰值强度下降，显示出结构破坏模式受排水路径显著调控。为评估长期变形趋势，引入等时应变法，以不同持荷阶段（1 h、4 h、24 h）为基准，统计轴向与体积等时应变变化，并采用Burgers黏弹模型对长期蠕变数据进行拟合，获得瞬态黏滞参数η₁、稳态黏滞η₂及弹性模量E₁、E₂，发现软土黏弹参数与初始孔隙比呈幂律正相关关系。
为进一步揭示微观机制，利用场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）对试样剪切前后进行对比观察，结合X射线衍射分析（XRD）分析矿物组分演变，并辅以能谱分析（EDS）识别剪切面微区元素富集变化。结果表明，在剪切带区域，伊利石晶粒趋于定向排列，钙离子迁移导致絮凝结构松散化，反映出剪切诱导的物理–化学协同破坏机制。
理论方面，本研究引入基于结构性演化的双屈服面模型，考虑加载历史下结构退化函数s(ε)，其演化由指数型函数控制，辅以非线性剪胀函数与加载方向因子。
通过与Cam-Clay模型、ISSM模型（ISSM：Isotropic Structurally Sensitive Model）对比发现，传统模型无法准确再现应力路径切换下的剪胀行为突变、破坏延迟现象及循环加载的结构记忆效应，而本模型在路径相关性、多峰应力响应及剪切模量演化趋势拟合方面表现优异，具有良好的工程适应性。
考虑深基坑降水导致的负孔压效应，通过轴对称渗透–剪切耦合试验装置模拟降水速率变化，结果揭示：在中高降水速率下，试样中部形成显著孔压梯度，导致有效应力突变，进而诱发剪切集中、结构坍塌及局部再固结过程。此现象在实际基坑监测中与沉降突变、内支撑反力异常响应高度吻合，显示模型理论具有现实指导意义。
在理论分析基础上，为验证结构性本构模型在实际工程中的适用性，本文选取上海某深基坑工程作为验证场景。该工程基坑开挖深度达42.5 m，围护结构为地下连续墙+多道支撑体系，基坑底部穿越第Ⅰ与第Ⅱ承压含水层之间的软弱过渡层，层厚约9.5 m，孔隙比高达1.87。该区域地下水位变化频繁，软土结构性显著，对降水引起的有效应力扰动极为敏感。
基于现场地勘资料与室内试验参数，构建二维有限元模型，采用应力–应变法分析基坑底部隆起、周边沉降与支撑内力响应。在模型中，软弱夹层赋予结构性演化模型，其余层按修正Mohr–Coulomb模型处理。通过参数反演校正过程，选取位移监测数据作为目标函数，以遗传算法优化剪切模量G₀、结构参数s₀、剪胀角ψ₀与屈服函数参数n的初始取值。拟合结果表明，结构性模型可有效反映现场观测中的非对称沉降、底鼓偏移及支撑反力滞后等现象。
进一步在FLAC3D平台开展降水诱导下的三维多场耦合模拟，模拟内容包括：连续降水速率阶跃加载、不同排水边界控制、土体结构破坏演化及塑性区分布。模拟显示，降水速率超过1.5 m/d后，底部软弱层内部出现显著剪应变集中，最大塑性区沿墙底–软弱夹层交界处延伸，形成典型“壳型破坏模式”。同时，地层侧向移动引起中部支撑内力失衡，与实际施工期出现的轴力突增–突降过程高度吻合。
为研究该类土体的长期沉降行为，本文构建基于Biot理论的固结–蠕变耦合分析框架，考虑超静孔压耗散与黏弹–塑性蠕变同步演化机制。引入改进型Log-time黏性函数描述等时变形，并设定沉降时程控制点（28 d、90 d、1 a、3 a、10 a）。预测结果表明，在含结构性的软土层中，沉降在3 a后仍呈缓慢增长态势，结构性破坏–再固结所引起的“二次沉降平台”在90–180天阶段最为显著，占总沉降量的32%以上。
此外，软土区域常伴有基岩埋深大、剪切波速低的特点，导致地震作用下场地响应复杂，振动主频降低、波形延迟现象显著。为此，研究引入等效线性化方法，结合SH-wave输入条件与场地剖面参数，建立一维地震反应分析模型，选取北川地震、宝山地震等典型地震波作为输入。结果表明，结构性软土在高阶剪应变下强度退化显著，主频响应在1.2–2.3 Hz之间展宽，剪切模量下降达70%以上。
场地响应中，孔压增长与微震放大存在明显同步性。通过动三轴试验观测发现，在循环加载第8–12周次内，孔压比r_u迅速上升至0.9以上，并伴随剪应变突跃，表明软土在动力荷载下存在结构性触发液化的风险。基于此，进一步提出动力下的应力路径控制模型，设置等幅–渐增加载序列并测定等效阻尼比、剪胀能耗指数、应力回滞面积，建立“动剪应变–孔压增长–能耗释放”三维特征面，揭示动力疲劳损伤机制。


翻译考点：
考点1：“软黏性土体”推荐翻译为 “soft clay”
考点2：“深基坑”推荐翻译为 “deep foundation pit”