结构性黏土工程性状的结构损伤及动力响应特征研究

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结构性黏土工程性状的结构损伤及动力响应特征研究

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本书兼顾工程应用与理论创新，相关的图书较少，具有一定的*性。

 内容简介

本书以结构性黏土为研究对象，采用试验探究与理论分析的方法，开展了静力和动力...

Product Details
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本书兼顾工程应用与理论创新，相关的图书较少，具有一定的*性。

 
内容简介

本书以结构性黏土为研究对象，采用试验探究与理论分析的方法，开展了静力和动力特性研究，系统研究了结构性黏土的变形特性与结构损伤演化规律及循环荷载作用下的动力响应特征，本书主要内容包括结构性黏土的土质学特征及物理化学特性、结构性黏土的工程力学特性（应力-应变关系、强度包线线型、固结系数与渗透系数等）、不同应力路径下结构性黏土的力学特性、小应变条件下结构性黏土的刚度特性、循环荷载作用下结构性黏土的动力特性、循环荷载作用后结构性黏土的静力特征、循环荷载作用下结构性黏土长期变形沉降的预测及模型等。

作者简介

臧濛，女，博士。长期从事结构性黏土的静、动力学性状的研究工作。2011年7月于西南交通大学获工学学士学位；2016年7月于中国科学院武汉岩土力学研究所获博士学位，博士期间参与多项国家自然科学基金；2016年7月至今任武汉轻工大学土木工程与建筑学院专业教师。主持国家自然科学基金项目1项；主持湖北省教育厅科研计划项目1项，在岩土工程学报、岩土力学等杂志发表学术论文十余篇。

目　　录
1绪论(1)

1.1引言(1)

1.2结构性黏土的研究现状(3)

1.3土体力学特性应力路径依赖性研究现状(14)

1.4土的小应变剪切模量研究现状(18)

1.5循环荷载作用下结构性黏土的研究现状(21)

1.6循环荷载作用下软黏土流变特性研究现状(29)
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前　　言
内 容 概 要天然黏土普遍存在结构性，其重要性早为太沙基所指出。结构性黏土在1936年于美国召开的届国际土力学与基础工程会议上就受到重视。结构性黏土定量描述的难度很大，研究进展缓慢。结构性黏土分布广泛、性质独特，某些结构性黏土地基往往在缺乏预兆情况下产生突然性破坏而引起灾害。我国广泛分布着深厚软黏土地层，同时，高速公路、铁路、地铁、高层建筑、机场跑道与码头等工程项目正在大量建设，建成后必然受到各种外部荷载作用。如何科学论证各类静、动荷载作用对黏土变形、强度和稳定性的影响，成为软黏土工程建设的焦点问题之一。因此，深入研究结构性黏土的变形特性与结构损伤演化规律及循环荷载作用下的动力响应特征和沉降变形预测是十分必要的。本书以湛江黏土为研究对象，采用试验探究与理论分析相结合的方法，开展了静力和动力特性研究，较为系统地研究了湛江黏土的变形特性与结构损伤演化规律及循环荷载作用下的动力响应，以期为循环荷载作用下结构性黏土长期变形沉降的预测以及模型的建立提供依据。主要完成工作和所得结论如下。(1) 通过开展室内试验及原位测试，说明湛江黏土是一种典型结构性黏土，其压缩曲线、应力应变关系、强度包络线线型、固结系数与渗透系数在其结构破坏前后均有很大不同。研究了不同取样角度的湛江黏土在结构强度、固结系数、抗剪强度、抗压强度以及破坏形态上的差异，探讨了各向异性对湛江黏土的固结变形、强度及破坏形式的影响，并从土质学特征出发，结合湛江黏土的物质组成、物理化学性质以及微观试验结果，得出其工程力学特性与土质学特征密切相关的结论。(2) 针对实际工程涉及的基坑、隧道开挖过程中存在的应力释放现象，开展了不同应力路径条件下湛江黏土的静力剪切试验，分析了应力路径对等向固结结构性黏土应力应变关系、不排水剪切强度、孔压特性、有效应力路径及强度指标的影响，发现了不排水剪切强度受应力路径影响显著。模拟基坑开挖工程中不同的卸荷方式及开挖速度，研究了不同卸荷路径与不同卸荷速率作用下土体应变、孔压及强度特性，以期为软黏土地区地下空间的利用提供理论支撑。(3) 基于原状土与重塑土的共振柱试验结果，得到了*大动剪切模量Gmax随固结应力水平的演化规律，发现湛江原状土经孔隙比函数归一化后的*大剪切模量随有效围压的变化呈现先增大后减小的特征；并初步探究了动剪切模量与土体结构损伤的关联性的内在机制，认为结构性黏土的Gmax同时受土体压硬性的正效应与结构损伤的负效应双重影响。此外，针对Hardin公式未考虑结构性损伤的影响与表征方式难以延伸适用于广义应力水平的不足，提出了改进的Hardin公式。(4) 通过在GDS应力路径仪上添加弯曲元系统来测试湛江黏土固结和剪切全过程的剪切波速和剪切模量，研究结构性黏土的模量响应特征及演化规律。结果表明，结构性黏土剪切模量的衰减是平均有效应力降低和结构损伤共同作用的结果。并提出了利用剪切模量的劣化定量评价结构性黏土剪切过程中的结构损伤方法，得到了变形发展的损伤参数的演化规律；*终，在沈珠江院士提出的岩土破损力学与双重介质模型的基础上，建立了结构性黏土的脆弹塑性模型。(5) 对循环荷载作用下湛江原状土和重塑土的动变形、动强度和动孔隙水压力与土结构性之间的内在联系进行了系统的试验研究，发现动荷载下结构性黏土具有脆性破坏特征。静偏应力对结构性黏土动力特性的影响存在分界值：小于该值时，静偏应力对土体的压密作用提高了土体的临界动应力和动强度；大于该值时，土体结构损伤，临界动应力和动强度均呈下降趋势。通过模拟对不同深度处不同爆破能量下的湛江黏土和天津海积软土进行的冲击荷载试验，发现湛江黏土的应力应变曲线峰值强度高，需要用更大的外部荷载才能实现同样的爆破效果。(6) 软土地基在长期循环荷载作用下的变形特性十分重要，而经验模型是预测动荷载引起的土体变形的实用方法。根据典型结构性黏土的动力变形曲线，叠加指数型函数a(δN-1)与指数双曲线函数bNm/(1 cNm)，提出了一种能更好描述黏土在循环荷载作用下黏土累积变形的改进经验模型，该模型能同时描述“稳定型”和“破坏型”应变曲线，其对呈脆性破坏特征的强结构性黏土的变形特性表征具有明显的优越性。(7) 软黏土具有一定的流变性。为了对循环荷载作用下黏土长期变形沉降进行预测，从动力蠕变角度出发，系统研究了土体循环蠕变随动应力水平和时间的变化规律，并通过改进伯格斯模型，建立了对不同累积应变类型曲线(衰减型、临界型、加速型)均具有良好适用性的四元件参数模型。以上研究表明，湛江黏土作为一种典型结构性黏土，结构强度高且力学性能独特，其静力及动力响应均与结构性相关。本书从改进经验模型和理论模型两个角度描述了湛江黏土的动力变形特性，以期为结构性黏土在长期循环荷载作用下的沉降变形分析提供力学依据与支撑。前言本书是作者在武汉轻工大学根据近年来对结构性黏土的研究成果撰写，系统研究了结构性黏土的变形特性、结构损伤演化规律及循环荷载作用下的动力响应特征，内容系统全面，资料翔实可靠，可为土木工程专业(岩土方向)学生及相关从业人员提供指导，具有较为深刻的理论和实际工程意义。天然黏土普遍存在结构性，其在长期循环荷载作用下会经历结构强度的丧失，尤其是对于具有较强结构性的土体地基，会因其结构性损伤而导致土体的强度和刚度急剧下降，在毫无预兆的情况下产生大变形，严重危害基础设施的安全稳定运行和国民经济安全。土体的变形和强度是岩土工程*为关心的两大问题。黏土的结构性对土体的变形与强度等工程性质有着重要的影响。天然黏土常表现出与重塑土不同的性状，需要特别考虑其稳定性、沉降变形预测以及土体动力响应特征等。为了保证大型建（构）筑物的安全与稳定，充分认识结构性黏土在静、动力条件下的力学特性及结构损伤特征，合理利用土体的结构性可避免土体骨架结构不稳定的不利影响。而准确预测和评价结构性黏土在长期循环荷载作用下的循环动力特性，是一个兼顾工程应用与理论创新价值的课题。本书以结构性黏土为研究对象，采用试验探究与理论分析相结合的方法，开展了结构性黏土的静力学和动力学试验研究；分析了结构性黏土的土质学特征、物理化学特性及工程力学特性(应力应变关系、强度包络线线型、固结系数与渗透系数等)；研究了不同应力路径条件下土体强度指标的应力路径依赖性；探讨了不同卸荷路径及卸荷速率对应力应变关系、孔压变化规律及破坏强度特性的影响；系统开展了原状土和重塑土的共振柱试验，揭示了湛江黏土在小应变条件下的动剪切模量随固结应力水平的演化规律，证实了其*大动剪切模量随有效围压变化特征与其结构性损伤阶段密切相关；基于剪切模量的劣化定量评价了结构性黏土在剪切过程中的结构损伤，探究了变形发展的损伤参数的演化规律；通过原状土和重塑土的循环三轴试验，对循环荷载作用下的动变形、动强度、动孔隙水压力以及这些特性与土的结构性间的内在联系进行了系统性的试验研究；*后，分别借鉴经验模型和蠕变模型建立了软土地基在长期循环荷载作用下变形沉降预测的实用方法，该方法可近似计算土体的临界循环动应力，模型对不同结构性土体与应力水平下土体的动力变形响应性状具有很好的普适性，为循环荷载作用下结构性黏土长期变形沉降的预测以及模型的建立提供了理论依据。本书的撰写主要得到以下课题的支持。1.国家自然科学基金项目(11802215)：循环荷载下结构性黏土的动力响应特征及主应力轴旋转效应。2.国家自然科学基金项目(51179186)：结构性黏土的动力损伤效应与荷载作用模式关联性。本书在撰写过程中，得到了很多的帮助。首先感谢孔令伟研究员在研究过程中给予的指导与帮助，感谢张先伟老师在土质学和微观试验方面给予的指导，感谢曹勇博士在冲击荷载方面给予的帮助，感谢研究生李露在各向异性实验和应力路径试验中付出的努力。本书为黑白印刷，书中相关彩图可扫描下方二维码查看。由于作者的水平有限，书中难免存在不妥之处，敬请读者批评指正。臧濛2022年1月
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1绪论

1.1引言

我国沿海地区广泛分布着深厚软土层，这些软黏土的含水率大、压缩性高、透水性差、承载力低。沿海地区是我国经济相对发达地区，改革开放以来经济快速发展，城市规模扩大以及人口急剧增加，房屋建筑、轨道交通等大型工程大量兴起，大部分设施都建筑于软黏土地基上。由于软黏土地基强度低、稳定性差、沉降问题突出，且具有一定的流变性和触变性，在外部荷载作用下土体破坏表现出突然性破坏，给工程建设造成极大危害。软黏土由于具有结构性，因此常表现出与重塑土不同的工程性状。世界各地均有结构性黏土的存在，如挪威、瑞士、印度沿海地区以及东南亚地区等，对具有特殊工程性质的黏土，需要特别考虑其稳定性、沉降变形以及土体动力响应特征等。

土体的变形和强度是岩土工程为关心的两大问题。软黏土承受高层建筑、桥等静力荷载作用时，会因荷载过大而降低安全系数，变形过大而失稳。而岩土工程在其使用期内，土体也会受到环境因素或人类活动等动荷载的影响，通常土体在动荷载作用下的响应比静荷载更加复杂。动荷载如交通、波浪冲击与地震等反复荷载作用也会导致结构性黏土发生突然破坏而失稳，如图11所示。其中图11(a)为地震诱发的侧向大变形，图11(b)为铁路路基在反复荷载作用下剪切破坏示意图。沿海地区的机场、高速公路、铁路、地铁等大型交通工程都建在软黏土地基上，投入运营之后必然会受到循环荷载作用，常出现竣工后沉降大的问题，对工程造成了极大的安全隐患。如温州机场跑道由于飞机起降引起了地基沉降，建成4年后沉降达16.6 cm，目前已达55 cm，远高于8 cm的设计值。跑道空鼓现象时有发生，大大增加了维护成本。循环荷载引起的软土路基不均匀沉降，必然会影响建筑的美观，甚至会破坏建(构)筑物结构，降低其使用年限，影响道路下的管线和行车安全等。
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本书以结构性黏土为研究对象，采用试验探究与理论分析的方法，开展了静力和动力特性研究，系统研究了结构性黏土的变形特性与结构损伤演化规律及循环荷载作用下的动力响应特征，本书主要内容包括结构性黏土的土质学特征及物理化学特性、结构性黏土的工程力学特性（应力-应变关系、强度包线线型、固结系数与渗透系数等）、不同应力路径下结构性黏土的力学特性、小应变条件下结构性黏土的刚度特性、循环荷载作用下结构性黏土的动力特性、循环荷载作用后结构性黏土的静力特征、循环荷载作用下结构性黏土长期变形沉降的预测及模型等。

作者简介

臧濛，女，博士。长期从事结构性黏土的静、动力学性状的研究工作。2011年7月于西南交通大学获工学学士学位；2016年7月于中国科学院武汉岩土力学研究所获博士学位，博士期间参与多项国家自然科学基金；2016年7月至今任武汉轻工大学土木工程与建筑学院专业教师。主持国家自然科学基金项目1项；主持湖北省教育厅科研计划项目1项，在岩土工程学报、岩土力学等杂志发表学术论文十余篇。

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1绪论(1)

1.1引言(1)

1.2结构性黏土的研究现状(3)

1.3土体力学特性应力路径依赖性研究现状(14)

1.4土的小应变剪切模量研究现状(18)

1.5循环荷载作用下结构性黏土的研究现状(21)

1.6循环荷载作用下软黏土流变特性研究现状(29)
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内 容 概 要天然黏土普遍存在结构性，其重要性早为太沙基所指出。结构性黏土在1936年于美国召开的届国际土力学与基础工程会议上就受到重视。结构性黏土定量描述的难度很大，研究进展缓慢。结构性黏土分布广泛、性质独特，某些结构性黏土地基往往在缺乏预兆情况下产生突然性破坏而引起灾害。我国广泛分布着深厚软黏土地层，同时，高速公路、铁路、地铁、高层建筑、机场跑道与码头等工程项目正在大量建设，建成后必然受到各种外部荷载作用。如何科学论证各类静、动荷载作用对黏土变形、强度和稳定性的影响，成为软黏土工程建设的焦点问题之一。因此，深入研究结构性黏土的变形特性与结构损伤演化规律及循环荷载作用下的动力响应特征和沉降变形预测是十分必要的。本书以湛江黏土为研究对象，采用试验探究与理论分析相结合的方法，开展了静力和动力特性研究，较为系统地研究了湛江黏土的变形特性与结构损伤演化规律及循环荷载作用下的动力响应，以期为循环荷载作用下结构性黏土长期变形沉降的预测以及模型的建立提供依据。主要完成工作和所得结论如下。(1) 通过开展室内试验及原位测试，说明湛江黏土是一种典型结构性黏土，其压缩曲线、应力应变关系、强度包络线线型、固结系数与渗透系数在其结构破坏前后均有很大不同。研究了不同取样角度的湛江黏土在结构强度、固结系数、抗剪强度、抗压强度以及破坏形态上的差异，探讨了各向异性对湛江黏土的固结变形、强度及破坏形式的影响，并从土质学特征出发，结合湛江黏土的物质组成、物理化学性质以及微观试验结果，得出其工程力学特性与土质学特征密切相关的结论。(2) 针对实际工程涉及的基坑、隧道开挖过程中存在的应力释放现象，开展了不同应力路径条件下湛江黏土的静力剪切试验，分析了应力路径对等向固结结构性黏土应力应变关系、不排水剪切强度、孔压特性、有效应力路径及强度指标的影响，发现了不排水剪切强度受应力路径影响显著。模拟基坑开挖工程中不同的卸荷方式及开挖速度，研究了不同卸荷路径与不同卸荷速率作用下土体应变、孔压及强度特性，以期为软黏土地区地下空间的利用提供理论支撑。(3) 基于原状土与重塑土的共振柱试验结果，得到了*大动剪切模量Gmax随固结应力水平的演化规律，发现湛江原状土经孔隙比函数归一化后的*大剪切模量随有效围压的变化呈现先增大后减小的特征；并初步探究了动剪切模量与土体结构损伤的关联性的内在机制，认为结构性黏土的Gmax同时受土体压硬性的正效应与结构损伤的负效应双重影响。此外，针对Hardin公式未考虑结构性损伤的影响与表征方式难以延伸适用于广义应力水平的不足，提出了改进的Hardin公式。(4) 通过在GDS应力路径仪上添加弯曲元系统来测试湛江黏土固结和剪切全过程的剪切波速和剪切模量，研究结构性黏土的模量响应特征及演化规律。结果表明，结构性黏土剪切模量的衰减是平均有效应力降低和结构损伤共同作用的结果。并提出了利用剪切模量的劣化定量评价结构性黏土剪切过程中的结构损伤方法，得到了变形发展的损伤参数的演化规律；*终，在沈珠江院士提出的岩土破损力学与双重介质模型的基础上，建立了结构性黏土的脆弹塑性模型。(5) 对循环荷载作用下湛江原状土和重塑土的动变形、动强度和动孔隙水压力与土结构性之间的内在联系进行了系统的试验研究，发现动荷载下结构性黏土具有脆性破坏特征。静偏应力对结构性黏土动力特性的影响存在分界值：小于该值时，静偏应力对土体的压密作用提高了土体的临界动应力和动强度；大于该值时，土体结构损伤，临界动应力和动强度均呈下降趋势。通过模拟对不同深度处不同爆破能量下的湛江黏土和天津海积软土进行的冲击荷载试验，发现湛江黏土的应力应变曲线峰值强度高，需要用更大的外部荷载才能实现同样的爆破效果。(6) 软土地基在长期循环荷载作用下的变形特性十分重要，而经验模型是预测动荷载引起的土体变形的实用方法。根据典型结构性黏土的动力变形曲线，叠加指数型函数a(δN-1)与指数双曲线函数bNm/(1 cNm)，提出了一种能更好描述黏土在循环荷载作用下黏土累积变形的改进经验模型，该模型能同时描述“稳定型”和“破坏型”应变曲线，其对呈脆性破坏特征的强结构性黏土的变形特性表征具有明显的优越性。(7) 软黏土具有一定的流变性。为了对循环荷载作用下黏土长期变形沉降进行预测，从动力蠕变角度出发，系统研究了土体循环蠕变随动应力水平和时间的变化规律，并通过改进伯格斯模型，建立了对不同累积应变类型曲线(衰减型、临界型、加速型)均具有良好适用性的四元件参数模型。以上研究表明，湛江黏土作为一种典型结构性黏土，结构强度高且力学性能独特，其静力及动力响应均与结构性相关。本书从改进经验模型和理论模型两个角度描述了湛江黏土的动力变形特性，以期为结构性黏土在长期循环荷载作用下的沉降变形分析提供力学依据与支撑。前言本书是作者在武汉轻工大学根据近年来对结构性黏土的研究成果撰写，系统研究了结构性黏土的变形特性、结构损伤演化规律及循环荷载作用下的动力响应特征，内容系统全面，资料翔实可靠，可为土木工程专业(岩土方向)学生及相关从业人员提供指导，具有较为深刻的理论和实际工程意义。天然黏土普遍存在结构性，其在长期循环荷载作用下会经历结构强度的丧失，尤其是对于具有较强结构性的土体地基，会因其结构性损伤而导致土体的强度和刚度急剧下降，在毫无预兆的情况下产生大变形，严重危害基础设施的安全稳定运行和国民经济安全。土体的变形和强度是岩土工程*为关心的两大问题。黏土的结构性对土体的变形与强度等工程性质有着重要的影响。天然黏土常表现出与重塑土不同的性状，需要特别考虑其稳定性、沉降变形预测以及土体动力响应特征等。为了保证大型建（构）筑物的安全与稳定，充分认识结构性黏土在静、动力条件下的力学特性及结构损伤特征，合理利用土体的结构性可避免土体骨架结构不稳定的不利影响。而准确预测和评价结构性黏土在长期循环荷载作用下的循环动力特性，是一个兼顾工程应用与理论创新价值的课题。本书以结构性黏土为研究对象，采用试验探究与理论分析相结合的方法，开展了结构性黏土的静力学和动力学试验研究；分析了结构性黏土的土质学特征、物理化学特性及工程力学特性(应力应变关系、强度包络线线型、固结系数与渗透系数等)；研究了不同应力路径条件下土体强度指标的应力路径依赖性；探讨了不同卸荷路径及卸荷速率对应力应变关系、孔压变化规律及破坏强度特性的影响；系统开展了原状土和重塑土的共振柱试验，揭示了湛江黏土在小应变条件下的动剪切模量随固结应力水平的演化规律，证实了其*大动剪切模量随有效围压变化特征与其结构性损伤阶段密切相关；基于剪切模量的劣化定量评价了结构性黏土在剪切过程中的结构损伤，探究了变形发展的损伤参数的演化规律；通过原状土和重塑土的循环三轴试验，对循环荷载作用下的动变形、动强度、动孔隙水压力以及这些特性与土的结构性间的内在联系进行了系统性的试验研究；*后，分别借鉴经验模型和蠕变模型建立了软土地基在长期循环荷载作用下变形沉降预测的实用方法，该方法可近似计算土体的临界循环动应力，模型对不同结构性土体与应力水平下土体的动力变形响应性状具有很好的普适性，为循环荷载作用下结构性黏土长期变形沉降的预测以及模型的建立提供了理论依据。本书的撰写主要得到以下课题的支持。1.国家自然科学基金项目(11802215)：循环荷载下结构性黏土的动力响应特征及主应力轴旋转效应。2.国家自然科学基金项目(51179186)：结构性黏土的动力损伤效应与荷载作用模式关联性。本书在撰写过程中，得到了很多的帮助。首先感谢孔令伟研究员在研究过程中给予的指导与帮助，感谢张先伟老师在土质学和微观试验方面给予的指导，感谢曹勇博士在冲击荷载方面给予的帮助，感谢研究生李露在各向异性实验和应力路径试验中付出的努力。本书为黑白印刷，书中相关彩图可扫描下方二维码查看。由于作者的水平有限，书中难免存在不妥之处，敬请读者批评指正。臧濛2022年1月
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1绪论

1.1引言

我国沿海地区广泛分布着深厚软土层，这些软黏土的含水率大、压缩性高、透水性差、承载力低。沿海地区是我国经济相对发达地区，改革开放以来经济快速发展，城市规模扩大以及人口急剧增加，房屋建筑、轨道交通等大型工程大量兴起，大部分设施都建筑于软黏土地基上。由于软黏土地基强度低、稳定性差、沉降问题突出，且具有一定的流变性和触变性，在外部荷载作用下土体破坏表现出突然性破坏，给工程建设造成极大危害。软黏土由于具有结构性，因此常表现出与重塑土不同的工程性状。世界各地均有结构性黏土的存在，如挪威、瑞士、印度沿海地区以及东南亚地区等，对具有特殊工程性质的黏土，需要特别考虑其稳定性、沉降变形以及土体动力响应特征等。

土体的变形和强度是岩土工程为关心的两大问题。软黏土承受高层建筑、桥等静力荷载作用时，会因荷载过大而降低安全系数，变形过大而失稳。而岩土工程在其使用期内，土体也会受到环境因素或人类活动等动荷载的影响，通常土体在动荷载作用下的响应比静荷载更加复杂。动荷载如交通、波浪冲击与地震等反复荷载作用也会导致结构性黏土发生突然破坏而失稳，如图11所示。其中图11(a)为地震诱发的侧向大变形，图11(b)为铁路路基在反复荷载作用下剪切破坏示意图。沿海地区的机场、高速公路、铁路、地铁等大型交通工程都建在软黏土地基上，投入运营之后必然会受到循环荷载作用，常出现竣工后沉降大的问题，对工程造成了极大的安全隐患。如温州机场跑道由于飞机起降引起了地基沉降，建成4年后沉降达16.6 cm，目前已达55 cm，远高于8 cm的设计值。跑道空鼓现象时有发生，大大增加了维护成本。循环荷载引起的软土路基不均匀沉降，必然会影响建筑的美观，甚至会破坏建(构)筑物结构，降低其使用年限，影响道路下的管线和行车安全等。
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