水利工程论文-饱和砂土液化应变发展过程的研究.doc

水利工程论文饱和砂土液化应变发展过程的研究摘要通过动三轴试验，研究了洞庭湖区饱和砂土液化过程中轴向应变的发展规律，根据应力应变滞回环随振动次数的变化，将液化过程划分为4个阶段，并将轴向应变与砂土的应力路径、孔隙水压力的变化相联系，研究表明砂土的应变与应力状态紧密相关.据此，观测轴向弹性模量随应变的发展而逐步衰化的过程，有助于进一步了解砂土液化的过程.关键词砂土液化应变弹性模量过去人们对砂土液化的研究多集中于孔隙水压力、砂土液化强度上14，在这些方面取得了许多可喜的研究成果.但是，对于砂土液化的破坏过程中的一个重要的现象即饱和砂土会发生大的变形则研究得不多.通过研究饱和砂土的应变变化过程，可以进一步了解砂土液化的全过程，从而对饱和砂土液化机理有更深的认识.笔者通过动三轴实验，对洞庭湖区砂土液化过程进行了分析研究.1液化实验实验采用北京新技术应用研究所研制的DDS70微机控制动三轴仪，该仪器可以适时监视实验过程，并记录储存实验过程中轴向力、应变和孔隙压力，因而可以对砂土的液化过程进行分析研究.实验所用砂样来自洞庭湖区，制备后进行饱和固结不排水实验，其主要参数如表1、表2.表1砂土参数图1为典型的饱和砂土的孔压、轴向力与轴向应变的时程曲线Dr0.58，σ3σd10kPa,kc1.以下讨论没有特殊说明，均以该实验条件为准.2应力应变回滞环根据应力应变回滞环不同将液化过程划分为四个阶段，相应的应力应变回滞环变化如图2～图5所示.图1典型的试件液化实验曲线图20～15次振动轴向应力与轴向应变关系曲线图320～25次振动轴向应力与轴向应变关系曲线图425～30次振动轴向应力与轴向应变关系曲线图530～35次振动轴向应力与轴向应变关系曲线从图可以看出1在振动开始阶段图2，迟滞环呈不规则椭圆形.在拉应力处于峰值附近时，轴向应变出现大的变化，由压应变峰值迅速达到拉应变峰值，其他阶段的应变变化较缓，尤其是在压应力卸载与拉应力卸载阶段，轴向应变几乎不变，并且，振动次数之间的回滞环变化不大，可以认为，砂土还处于粘弹性阶段2随着振动次数的增加，曲线出现变化，在20～25次振动过程中，回滞环形状发生了少许变化，应变的幅值变大，同时，相邻振次之间的回滞环差异逐步变大，说明出现了残余的塑性应变，砂土已进入粘塑性阶段3随着振动次数的增加，应变的增幅大，在25～30次振动过程中，应变幅值由0.025增加到0.075，应变幅值增加值占整个液化过程应变增加的50回滞环的形状较初始阶段发生了明显的变化a回滞环不再是椭圆形，在轴向力为0处，应变出现了较大的突变，而在应力包括压应力与拉应力卸载时的应变绝对值并不减少，表现为基本维持不变或略有上升b在拉、压加荷阶段，应力应变曲线基本相互平行，说明两者的弹性模量相同c接近拉、压应力峰值阶段的应变也会出现相对较大的变化.在以上的现象中，试件在轴向卸荷的状态下轴向应变并有减少，这可能是由于两个原因，首先，是砂土中阻尼力的影响，使得应力与应变的相位并不一致，其次，在动力作用下，砂土发生塑性变形，该变形在荷载减少时并不恢复，当反向作用力大到能克服砂土颗粒间的摩阻力时，应变才开始向反方向发展.4当振动次数达到30～35次时，应力应变回滞环形状基本上与振动25～30次的形状保持不变，而应变幅值继续增加直至达到破坏，在轴向力为0附近，应变的剧烈变化，弹性模量小，说明砂土在高应变处结构并不稳定，当遇到反向荷载时，砂土的结构即发生剧烈的调整，在低应变处，结构调整逐渐稳定下来，表现为其弹性模量的增大.3应力路径与轴向应变液化过程中饱和砂土的轴向应变与砂土的应力状态紧密相关，所以通过研究砂土液化的应力路径可以了解饱和砂土轴向应变的发展过程.图6～图8给出了饱和砂土液化过程中应力路径的变化，图中在绘制应力路径时，发现在振动实验中，当孔隙水压增大到一定的程度，且轴向力为拉时，按照以往规定，σ′σdσ3u2计算时，有效应力会在一段时间内出现负值，即uσdσ3.研究表明，当有效应力是拉应力时，一部分拉应力可以被饱和砂土的阻尼力所抵消.同时，由于砂土处于该阶段的时间很短，在动力作用下的孔隙水压力对有效应力的影响是否符合式2，是否还值得考虑研究认为，为简便起见，在式2中求解有效正应力的孔压可取此时残余孔隙水压的一个折减值，则式2应改写为σ′σdσ3αug,ug为振动积累的残余孔隙水压力，其值可以取本次循环振动，轴向动应力为0时的孔隙水压力α为土性参数，其值的大小还需进一步研究，本文取为1.对于围压作用产生的有效应力，还是取为σ′σ3u.在振动过程中，砂土可能由于孔隙水压增大，处于瞬态的破坏状态，由于该阶段的时间持续很短，并不能使砂土出现破坏，但研究确实发现在这一阶段的应变变化相当大，从应力应变回滞环可看出，在拉应力峰值附近的应变变化是相当剧烈的，并且，随着振动次数的增加，孔压增加，这种状态在一个循环中所占的比重愈来愈大，于是该应变剧烈变化的区域是扩大的，砂土也逐渐达到破坏状态.图60～5次振动的应力路径图720～30次振动的应力路径从以上的图形可以看出1初始振动阶段，应力路径基本上是呈倾斜的直线变化，随着孔压的增加，应力路径逐步向原点靠拢，由于应力状态远离剪胀和破坏状态，对应的应力应变回滞环变化不大，应变发展较缓2进入剪胀阶段，在第25～30次振动过程中，应力路径的形状发生了较大的变化，该时段的轴向应力、孔压和应变的变化时程曲线如图9.在该阶段中，孔压上升比较快，并且，孔压曲线的波峰处出现较为稳定的凹槽，状态转换面可以孔隙水压力峰值出现第一个稳定凹槽时对应的应力状态确定，该凹槽的前一个峰值对应于轴向压力的峰值，而后一个峰值却与轴向拉应力的峰值相对应，同时，凹槽的槽底对应于压应变的峰值，而孔压的波谷对应于拉应变的峰值在这个阶段，应变的发展较快，说明砂土的结构已经开始发生变化，相互之间运动的阻力减少，颗粒之间开始产生剧烈相对运动，由于这些变化，引起应力应变回滞环发生变化，应变发展迅速，刚度降低.3稳定阶段，如图8所示，应力路径进入稳定阶段，前后几次循