（岩土工程专业论文）饱和粉土质砂应变软化特性的试验研究.pdf

摘要 本文通过对净砂( s ) 、三种不同粉土含量的粉土质砂( f s l ：含1 0 粉土， f s 2 ：含2 0 粉土与f s 3 ：含3 0 粉土) 以及粉土( f ) 进行的一系列三轴固结不排 水试验( c u ) ，研究了围压、孔隙比以及粉土含量( f c ) _ 对饱和粉土质砂应变软化特 性( 不稳定性) 的影响；引入等效粗粒间孔隙比( e 。) ，运用临界状态理论以及粗 粒间状态参数( 叩静) ，分析了粉土质砂的应变软化规律。本文研究的主要结论如 下： ( 1 ) 五种土料都有应变软化( 不稳定性) 的现象。脆性指数( i 。) 以及不稳 定线( i l ) 的应力比( q p ) 。分别为反映应变软化程度和何时发生应变软化的参 数。固结后的孔隙比( e ) 和围压则是影响这五种土料是否出现应变软化的重要 因素； ( 2 ) 对于同一种土料，在e 基本相同的条件下，i 。随围压的增大而增大，即 应变软化的程度随着围压的增加而增加；( q p ) ，。随围压的增大而减小，即若将 i l 与临态线( c s l ) 之间的区域称为潜在不稳定区域，则不稳定区域随围压的增 大而增大。同时，对于同一种土料，围压相同时，i 。随e 的增大而增大，( q p 7 ) 。 也随e 增大而减小，即不稳定区域随e 的增大而增大； ( 3 ) 在围压和e 相同的条件下，粉土含量小于3 0 时，粉土质砂的( q p7 ) ，。 随粉土含量的增加而减小，即粉土质砂的不稳定区域随着粉土含量的增加而增 大；i 。随着粉土含量的增加而增大，即粉土质砂的应变软化程度随着粉土含量的 增加而增加； ( 4 ) 假定粉土质砂的整体受力骨架结构中存在部分较小的粉土颗粒只填充于 较大的砂土颗粒形成的粒间孔隙比中，而不承受土骨架的外力，因此引用e 。代 替e 来描述它的力学特性。当粉土含量小于3 0 时，使用e 。表达粉土质砂的临 界状态时，粉土质砂( f s l 和f s 2 ) 与净砂( s ) 将在e , e - - l np 空间拥有基本相 同的临界状态线( c s l ) ； ( 5 ) 在临态理论的基础下，引入t p 。分析粉土含量小于3 0 的粉土质砂( f s l 和f s 2 ) 的应变软化规律。( q p ) 。与叩。为一线性关系，( q p ) 。随叩。的增加而 减小，即不稳定区域随i p 。的增加而增大。i 。与1 j j 驴的关系为一分段函数，当叩。 小于某极限值时，i 。为零；而当叩。大于该极限值时，i 。随1 l j 。增加而增加，即应 变软化程度随着t p 。的增加而增加。 关键词：固结不排水三轴剪切试验；粉土质砂；不稳定线；应变软化；脆性指数； 等效粗粒间孔隙比：粗粒间状态参数；临界状态理论； a bs t r a c t i nt h i ss t u d y , as e r i e so fi s o t r o p i c a l l yc o n s o l i d a t e du n d r a i n e dt r i a x i a lt e s t s ( c u ) w e r ec o n d u c t e do nac l e a ns a n d ( s ) ，s i l t ys a n d sw i t ht h r e ed i f f e r e n ts i l tc o n t e n t s ( f si ： w i t h1 0 s i l tc o n t e n t ，f s 2 ：w i t h2 0 s i l tc o n t e n ta n df s 3 ：w i t h3 0 s i l tc o n t e n t ) a n d as i l t ( f ) t oi n v e s t i g a t et h ee f f e c t so fv o i dr a t i o ，c o n f i n i n gp r e s s u r ea n ds i l tc o n t e n to n t h es t r a i n - s o f t e n i n gb e h a v i o u r ( i n s t a b i l i t y ) o fs a t u r a t e ds i l t ys a n d s t h ef o r e m e n t i o n e d b e h a v i o u rw a si n t e r p r e t e db yt h ei n t e r g r a n u l a rs t a t ep a r a m e t e r , w h i c hi sd e r i v e df r o m t h ef r a m e w o r ko ft h ee q u i v a l e n ti n t e r g r a n u l a rv o i dr a t i oa n dt h ec r i t i c a ls t a t et h e o r y t h em a j o rf i n d i n g so ft h i ss t u d ya r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) 触lt h ef i v et e s t e dm a t e r i a l se x h i b i tt h es t r a i n - s o f t e n i n gb e h a v i o u r ( i n s t a b i l i t y ) t h eb r i t t l ei n d e xi ba n dt h es t r e s sr a t i oo fi n s t a b l i l t yl i n e ( i l ) ，( q p ha r eu s e dt o q u a n t i f yt h ed e g r e eo fs t r a i n - s o f t e n i n ga n d d e f i n et h eb o u n d a r yo fs t r e s ss t a t e sb e y o n d w h i c hs t r a i n s o f t e n i n gb e h a v i o u rm a yo c c u r ，r e s p e c t i v e l y t h ev o i dr a t i o ( a f t e r c o n s o l i d a t i o n ) a n dt h ec o n f i n i n gp r e s s u r ea r e t h ek e yf a c t o r sw h i c ha f f e c tt h e i r s t r a i n s o f t e n i n gb e h a v i o u r ( f o rt h es a l l l et e s t e dm a t e r i a lc o n s o l i d a t e dt ot h es a m ev o i dr a t i o ，i bi n c r e a s e s w i t hc o n f i n i n gp r e s s u r e ( q p hd e c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n gc o n f i n i n gp r e s s u r e ，i e t h e a r e ao ft h ez o n eo fi n s t a b i l i t y “e t h ea r e ab e t w e e ni la n dc r i t i c a ls t a t el i n e ) i n c r e a s e s w i t hc o n f i n i n gp r e s s u r e f o rt h es a m et e s t e dm a t e r i a lc o n s o l i d a t e dt ot h es a m e c o n f i n i n gp r e s s u r e ，i bi n c r e a s e sw i t hv o i dr a t i o ( q p 江d e c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n gv o i d r a t i o ，i e t h ea r e ao ft h ez o n eo fi n s t a b i l i t yi n c r e a s e sw i t hv o i dr a t i o ( 3 ) f o rs i l t ys a n d sp o s s e s s s i l tc o n t e n t ss m a l l e rt h a n3 0 w h i c ha r es u b j e c t e dt o t h es a m ec o n f i n i n gp r e s s u r ea n dv o i dr a t i o ，( q p hd e c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n gs i l t c o n t e n t ，i e t h ea r e ao ft h ez o n eo fi n s t a b i l i t yi n c r e a s e sw i t hs i l tc o n t e n t i bi n c r e a s e s w i t hs i l tc o n t e n t ( 4 ) i ti sa s s u m e dt h a ts o m ep o r t i o n so fs i l to n l yf i l lt h ev o i db e t w e e nl a r g es a n d p a r t i c l e sw h i c hd on o tt a k ep a r ti nt h el o a db e a r i n go ft h eg l o b a ls o i ls k e l e t o n ，t h u si t i sp o s t u l a t e dt ou s et h ee q u i v a l e n ti n t e r g r a n u l a rv o i dr a t i o ( e g c ) t or e p l a c et h ev o i d r a t i ot od e s c r i b et h es t r a i n - s o f t e n i n gb e h a v i o u ro ft h es i l t ys a n d s i fe g ei su s e dt o i n t e r p r e tt h ec r i t i c a ls t a t e so ft h es i l t ys a n d sw h i c hp o s s e s ss i l tc o n t e n t ss m a l l e rt h a n 3 0 ，t h ec r i t i c a l s t a t e so fs i l t ys a n d s ( f s1a n df s 2 ) a n dc l e a ns a n d ( s ) w i l lb e r e p r e s e n t e db y t h es a m ec r i t i c a ls t a t el i n e ( c s l ) i n e g e l i lp p l a n e i i rrpi、liplrll，!ii l-，i-r、l：；i i ( 5 ) t h ei n t e r g r a n u l a rs t a t ep a r a m e t e r 仰g e ) w h i c hi sd e r i v e df r o mt h ef r a m e w o r k o ft h ee q u i v a l e n ti n t e r g r a n u l a rv o i dr a t i oa n dt h ec r i t i c a ls t a t et h e o r yw a su s e dt o i n t e r p r e tt h es t r a i n s o f t e n i n gb e h a v i o u ro ft h es i l t ys a n d sw h i c hp o s s e s ss i l tc o n t e n t s s m a l l e rt h a n3 0 ( f s la n dv - s 2 ) ( q p ) 几d e c r e a s e sl i n e a r l yw i t hi n c r e a s i n g1 l j g e i b e q u a l st oz e r ow h e n 叩g ei sl e s st h a ni t t h r e s h o l dv a l u eb e y o n dw h i c hi bi n c r e a s e sw i t h 叩g e k e yw o r d s ：i s o t r o p i c a l l yc o n s o l i d a t e du n d r a i n e dt r i a x i a lt e s t s ；s i l t ys a n d ；i n s t a b i l i t y l i n e ；s t r a i n - s o f t e n i n g ；b r i t t l e n e s si n d e x ；e q u i v a l e n ti n t e r g r a n u l a r v o i d r a t i o ； i n t e r g r a n u l a rs t a t ep a r a m e t e r ；c r i t i c a ls t a t et h e o r y i i i 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本研 究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实， 本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：绉銎墅2 0 0 6 年月i - 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。 论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 毖鹅坠 2 0 0 6 年6 月p 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本文的研究意义 经过长期对静态液化或地震诱发液化引起灾害的分析，人们发现粉土质砂是 发生静态液化或地震诱发液化的最常见的一种土【1 1 。近百年来，在国内外发生的 多次灾害中，有很多粉土质砂堤坝、土坡、地基因液化而发生破坏的实例，均造 成了巨大的损失，实例如表1 i i 2 】所示。以上所说的静态液化是指在不排水条件 下剪切时，孔压增长导致土体丧失全部抗剪强度的现象，此时其残余强度为零； 若残余强度不为零，则称这种现象为应变软化，因而也可以将液化认为是应变软 化的一种现象f 3 1 。因此，研究粉土质砂在不排水条件下剪切的应变软化特性具有 极其重要的意义。 表1 1 静液化的实例( y a m a m u r o l a d e ，( 1 9 9 9 ) t 2 j ) t a n ei c a s e so fs t a t i cl i q u e f a c t i o n s i t e t y p eo ff a i l u r e p r e d o m i n a n ts o i lt y p e r e f e r e n c e 近年来，人们在实践中逐渐认识到了粉土含量对粉土质砂应变软化的重要影 响，从而开展了对这方面的研究。而之前前人关于粉土质砂应变软化的研究起先 都是假定在同密度同围压下的粉土质砂和净砂两者剪切特性相同，然后将净砂的 结果应用于粉土质砂。研究表明：同密度同围压下粉土质砂与净砂两者剪切特性 相同的假定是不正确的。但是关于粉土含量对粉土质砂应变软化的影响仍然存在 着两种截然不同的观点： ( 1 ) p i t m a n 等人【4 】认为粉土的存在抑制了粉土质砂应变软化的潜力，即粉 河海大学硕士学位论文 土含量越高，粉土质砂应变软化的潜力越小； ( 2 ) y a m a m u r o 等人【5 】贝i j 认为粉土的存在增加了粉土质砂应变软化的潜力， 即粉土含量越高，粉土质砂应变软化的潜力越大； 造成这种现象的原因可能是因为试验初始条件的不同以及对粉土颗粒和砂土颗 粒混合物孔隙比的不同认识。通过进一步的研究，t h e v a n a y a g a me t a 1 【6 j 针对粉土 质砂这种粗细颗粒混合结构提出了用一个更为合理的密度参数等效粗粒间孔隙 比( e 辨) 来代替常用的固结后孔隙比( e ) ，因为该参数考虑了部分粉土颗粒在整 个的粉土质砂骨架中只有填充作用而没有承受外力。通过使用e 聆，粉土含量小 于某极限值的粉土质砂将拥有和净砂基本相同的临态线。但是他们并没有分析粉 土质砂和砂的应变软化规律，如在什么条件下会发生应变软化，应变软化的程度 又如何等等。 在实际工程中，我们遇到的大多数天然土或人工填土( 如基础、水力填土、 防水土坝等) 也都含有一定数量的粉土且通常级配良好【1 ，4 1 。在我国，沿江、沿 海一带广泛分布着粉土质砂，而且在这些场地上还修建着大量的工程等，其中不 少还是生命线工程，如防水路堤，土坝等。这些工程场地主要由粉土及细砂构成， 且工程的填土层也是由粉土质砂吹填而成，如果这些粉土质砂地基出现应变软化 现象，将危及工程的整体安全【7 9 1 。因此研究粉土质砂的应变软化规律对与粉土 质砂有关的工程建设具有非常重要的理论和现实意义。 同时，考虑到影响粉土质砂应变软化的因素主要有：孔隙比、应力水平、粉 土含量等。因此，本文将通过对砂、粉土质砂以及粉土所做的一系列固结不排水 三轴剪切试验，对粉土质砂的基本剪切特性进行分析，研究围压、孔隙比以及粉 土含量( f c ) 对饱和粉土质砂应变软化特性( 不稳定性) 的影响，引用e 。与临态理 论分析粉土质砂的不排水应变软化规律，为理论研究和实际应用提供参考。 1 2 国内外在饱和砂土液化方面的研究现状 如前所述，对粉土质砂应变软化的研究起先是在砂土液化的基础上进行的， 因此要先对砂土液化的理论、现状以及应用要有一个较好的了解。 1 2 1 饱和砂土液化 目前，液化有多种定义。1 9 7 8 年，美国岩土工程学会土动力学委员会在经 过广泛地讨论后，给出液化( l i q u e f a c t i o n ) 定义为：任何物质转化为液体的行为或 2 第一章绪论 过程。其关于液化的定义比较笼统，泛指土体表现出的各种类似液体性态的现象。 就无粘性土而言，这种由固态到液态的转化，是孔压增加，有效应力减小的结果 【1 0 】。该定义在土工工程界有广泛的影响。1 9 8 5 年，日本土力学与基础工程学会 在其编写的土力学与基础工程词典中也给出了液化的定义：“饱和砂土由于 孔隙压力的升高而引起剪切强度丧失和有效应力降低，这种状态称为液化”，这 种定义是一种关于饱和砂土液化的广义定义。但这种饱和砂土液化的定义与我国 岩土工程界普遍流行的看法并不完全一致【1 0 l 。鲁晓兵【1 1 】对饱和砂土的液化则作 了如下描述：饱和砂土的液化是在固定静载之外的外载作用下，抵抗有效应力的 能力( 即砂土的强度) 下降甚至丧失的一种过程。 在1 9 9 6 年以前的文献中，液化( l i q u e f a c t i o n ) - - 词原指饱和松砂在应变与冲 击荷载作用下所导致的土体流动滑移破坏t e l 。自从s e e d l l 2 1 在文献中使用液化一词 描述砂土试样在动力三轴试验中的反应以后，液化一词己隐含了两种含意，即初 始液化( i n i t i a ll i q u e f a c t i o n ，即在简谐循环荷载作用下，饱和砂土孔隙中的残余 孔隙压力初次等于所施加的围压时的状态，即峰值循环孔压与围压的比值初次达 到1 0 0 的条件或状态。) 与现场液化。与s e e d 的观点不同，c a s a g r a n d e 1 3 j 认为 现场液化过程与动三轴试验中饱和砂样的液化过程是不同的，应该加以区分。为 防止这种混淆，c a s a g r a n d e l l 3 】和c a s t r o 1 4 】把饱和砂土液化分为两类。第一类为实 际液化( a c t u a ll i q u e f a c t i o n ) ，即在外载荷作用下，松散饱和砂土的强度极大地降 低，累积孔隙水压力达到围压值，从而导致土体破坏；第二类为循环液化( c y c l i c l i q u e f a c t i o n ) 或循环活动性( c y c l i cm o b i l i t y ) ，即在外载荷作用下，具有膨胀趋势 的较密实的砂样中孔隙水压力在每一循环中瞬时达到围压值的结果【l 0 1 。 以上关于饱和砂土液化的定义从不同角度和方面对液化这一现象进行了描 述。初始液化是s e e d 在动三轴不排水试验中所观测到的现象，并可用来描述现 场饱和砂土的液化情况。值得注意的是，实际液化并不要求在达到初始液化之后 才发生，只要当触发应力大于既有强度时就可能发生，并且在很多实际液化发生 时其抗剪强度并不等于零；同时，初始液化也并不意味着实际液化或流动破坏【2 。 例如中密或较密实的砂土，初始液化后一般不会发生实际液化；另外中密或密实 砂土试样，当孔压上升到接近或等于围压时，会产生某种程度的软化，相应地也 会产生显著的残余循环应变量，但试样仍具有较高的强度【1 0 】，并不像有些人认为 3 河海大学硕士学位论文 的那样，其有效应力等于零时，强度也等于零；其变形也不会无限制地增加。产 生这种情况的原因是孔压是变化的而非恒值【1 4 1 ，因而不会出现实际液化而只会出 现循环液化。 按照广义液化的定义，饱和砂土液化后的结果可分为两类：( 1 ) 失稳产生流 动滑移破坏；( 2 ) 1 4 t 于软化产生一定量的变形。近些年来，美国和日本普遍接受 的液化定义可以包括上述两类液化后果。但初始液化的概念却不能描述液化将引 起哪种结果。另外，这两类结果的影响范围和严重性也是不同的。在一次地震后 的地质现场中，实际液化发生的范围与液化变形发生的范围相比要小得多，但其 破坏程度却严重得多。而因液化而产生的变形可以在种类非常广泛的土层范围和 场地条件下发生，并且它的结果可以在几乎没有什么影响到严重的沉陷破坏的范 围内变化【3 】o 1 2 2 饱和砂土不排水剪切时的典型特性 图1 1 围压相同时饱和砂土三种典型的不排水特性【4 】 ( a ) 有效应力路径；( b ) 应力应变关系 图1 1 中，q = o 。一0 3 为剪应力，p7 = ( d 。+ 2 0 7 。) 3 为平均有效应力，。为轴 向应变。t y p e1 展示的是显著应变软化特性，试样在达到一峰值后，强度显著 降低直至一稳定的残余强度，产生这种现象的一般为松砂；t y p e2 展示的是有 限应变软化特性，试样在达到一峰值后，强度稍微降低，而后强度随着应变的增 加逐渐增加，产生这种现象的一般为中密砂；t y p e3 展示的是应变硬化特性， 强度随应变的增加逐渐达到稳定状态，产生这种现象的一般为密砂。其中，t y p e l 和t y p e2 分别会导致液化( l i q u e f a c t i o n ) 和有限液化( l i m i t e dl i q u e f a c t i o n ) 。 由此可见，图1 1 主要考虑了密度对砂土不排水剪切特性的影响。 4 第章绪论 图1 2 围压不同时砂土的三种典型不排水特性1 1 】 图1 2 中，p = ( 0 7 。+ 2 0 3 ) 3 为平均有效应力，q - - o 。一醌为剪应力。三条有 效应力路径分别代表了初始密度相同而围压不同时砂在不排水条件下的三种典 型特性，也反映了围压对其特性的影响。低围压下，砂土在阶段变化( p h a s e t r a n s f o r m a t i o n ) 之前孔压增量虽为正但较小，而阶段变化之后孔压增量变为负值 且逐渐增大。较高围压下，砂土展示了较大的压缩趋势，即在阶段变化之前孔压 增量为正值且较大。很高围压下，砂土展示更大的压缩趋势，砂样发生应变软化， 此种情况孔压增量一直为正值且逐渐增加。由此可知，围压对砂土的不排水剪切 特性也有很大的影响。 1 3 国内外在饱和粉土质砂应变软化方面的研究现状 从前面的叙述中可知，人们在实践中逐渐认识到了粉土存在对砂土的应变软 化有很大的影响，并由此展开了这方面的研究。 y a m a m u r o 等【1 5 】对粉土含量较高的粉土质砂进行了排水和不排水三轴压缩 实验、不排水循环三轴剪切实验、以及排水和不排水稳定性实验等。结果表明， 尽管粉土含量较高的粉土质砂和粉土含量较低的粉土质砂的性质有一些相似，但 粉土含量较高的粉土质砂的体积收缩性更强。由单向不排水实验得到了一些与粉 土含量较低的粉土质砂相反的结论，如静态液化在低围压下发生，而高围压下有 更大的剪胀趋势。对同一初始密度，用临态概念分析则可以得到唯一的临态线。 他们的工作丰富了人们关于粉土质砂应变软化的知识，但还有许多有争议的地 方，如粉土含量对应变软化的影响。 p o l i t o 等【1 6 】用循环三轴实验研究了砂中非塑性细颗粒土( 粉土) 对液化阻力的 影响，粉土的含量从0 1 0 0 。结果表明，如果粉土被包围在砂土骨架中( 粉 5 ，；t 河海大学硕士学位论文 土含量少1 ，该土的液化阻力由土的相对密度决定且与粉土含量无关：如果砂颗 粒被包围在粉土中( 粉土含量多) ，液化阻力也由相对密度控制，但是在相同的密 度条件下，液化阻力较前一种情况低，且与砂的含量和类型无关。 t h e v a n a y a g a m 等【1 弘1 9 】的研究表明，粉土质砂与净砂( c l e a ns a n d ) 的物理特性 有较大的差别，主要是由于微结构的改变引起的，这种改变在粉土含量超过一定 值时，才会发生作用。在低围压下，当孔隙比相同时，粉土含量的增加使土的强 度增加；在高围压下，当孔隙比相同时，粉土含量的增加使土的强度降低。 1 4 临界状态( 稳态强度理论) 的研究现状 稳态强度是砂土液化研究中的重要课题。目前人们已普遍接受的是p o u l o s 2 川 的观点，即稳态强度就是土体在稳态变形条件下可以动用的强度。p o u l o s 在研究 静态液化时所定义的稳定变形状态为：散粒集合体在常体积、常法向有效应力、 常剪应力及恒定变形速率条件下发生持续不断的剪切变形即塑性流动；仅当所有 颗粒己经达到了稳态定向排列、颗粒充分破碎，以致发生连续变形所需要的剪应 力及变形速率维持常数时，变形稳定状态才能达到。 在砂土的不排水剪切试验中可以得到剪应力q 与轴向应变。之间的关系曲 线，如图1 3 所示。所谓稳态强度就是在稳态变形条件下的抗剪强度，它只是孔 隙比的函数。已有学者通过试验研究认为稳态强度只与孔隙比有关1 2 ，不依赖于 土的结构或所用试验方法或加荷速率，由于在不排水条件下孔隙比只与剪前应力 状态有关，因此稳态强度应是剪前初始应力的函数。 1 9 6 9 年，c a s t r o 【2 2 】在其博士论文中给出了在大应变不排水三轴试验的孔隙比 与有效围压的关系。这种关系是稳态变形状态的反映，即饱和砂土在不排水应力 控制下的三轴试验过程中，流动结构( f l o ws t r u c t u r e ) 被触发了，处于稳态变形状 态。所谓稳态变形即指常体积、常竖向应力、常有效应力、常剪应力和常速度条 件下的变形。这种稳态仅在所有的土颗粒达到了统计上的稳定状态条件才会存 在，即所有土颗粒破碎。饱和松砂的不排水剪切、粘土的排水剪切以及饱和软粘 土的不排水剪切都可以得到稳态变形曲线。稳态变形并非静止的条件，它只会在 剪切过程中发生。通常在较大的应变( 1 5 - 2 5 ) 时，初始结构的影响才会完全 消失，才能得到稳态的流动结构和稳态变形。稳态变形应当是持续较长的一段变 形，而不是短暂的变形阶段。如图1 3 所示。 第一章绪论 孽 图1 3 松砂的典型应力应变曲线 而在这种稳态变形状态下的孔隙比与有效围压的关系曲线称为稳态线 ( s t e a d ys t a t el i n e ) ，见图1 4 。后来p o u l o s 等1 2 0 】用稳态线的概念来判断砂土的实 际液化能否发生。稳态线( 见图1 1 ) 把不同的有效应力作用下的砂土分为两个区 域，即潜在流动液化区和无流动液化区。稳态线是这两个区域的交界线。从上节 可知，只有松砂才可能发生孔压升高和流动滑移破坏。紧密砂只可能发生循环变 形或循环液化，而不可能发生流动滑移破坏。因而通常认为，当砂土处于稳态线 的上方才有可能发生流滑破坏。 e o 0 3 。 图1 4 稳态线示意图 c a s a g r a n d e ( 1 9 7 5 ) 【1 3 】通过对坝部分破坏的研究以及在其早年提出临界孔隙 比的基础上，进一步重申了砂土液化时存在“流动结构”( f l o ws t m c t u r c ) ，并认 为砂土的这种结构仅在流动时出现。他通过对以前测定临界孔隙比试验方法的改 动，提出了在固结不排水三轴试验中采用轴向“死荷增量”( d e a d l o a d i n c r e m e n t s ) 的加荷方法，这样就出现了流动现象。图1 5 中a 、b 、c 3 条线都 是三轴固结不排水剪的试验结果，d 线是固结排水试验的成果。c a s a g r a n d e 认为 河海大学硕士学位论文 a 线出现了流动结构；c 线虽然开始有“液化 现象，但随着轴向应变。的增加 继而表现为剪胀的性质；b 线称为“有限液化 。根据以上试验成果，c a s a g r a n d e 这样定义了“流动结构 ，即当饱和砂土液化并发生实际流动滑移时，它必然与 静力状态的结构不同，流动中每一颗粒相对周围其他颗粒不断地滚动，由此产生 最小的摩擦抗力，并假定流动结构通过链式作用而扩散；它只有在流动过程 中才存在；当流动停止时，颗粒将重新排列，并返回到静力状态的结构，在超 静孔压消散后，饱和砂土将比流动液化前的静力结构紧密一些。 of 图1 5 固结不排水三轴试验中的不同性状 p o u l o s 2 3 1 ( 1 9 8 1 ) 给k i 了稳态变形的定义：“任何颗粒物体的稳态变形是在常体 积、常有效应力、常剪切应力、常速度的一种连续变形状态”。当稳态连续变形 停止了，稳态变形也就不存在了。因而它也是一种流动状态或破坏状态。p o u l o s 还强调指出，稳态变形是颗粒体在剪切应力作用下完全破坏了其初始结构后才能 取得：通常在较大应变时，初始结构的影响才能完全消失，才可能产生稳态流动 结构和稳态变形。稳态强度就是稳态变形条件下的抗剪切能力。稳态变形应该是 持续较长的一段变形，而不是短暂的稳态变形阶段，例如准稳态等。 为了进行比较，在此给出由r o s c o e 等l 冽( 1 9 5 8 ) 给出的临界状态( 它是具有较 大影响的临界状态土力学的基石) 的定义。它定义为：“临界状态是土体在常应力 和常孔隙比下的连续变形”。在土力学中，常孔隙比即意味着常体积。 比较稳态变形与临界状态的定义，除了常变形速度以外，几乎没有什么区别， 但p o u l o s ( 1 9 8 1 ) 指出：( 1 ) 在临界状态中没有指明流动结构状态是否发生，而流动 结构习态是稳态变形产生的充要条件；( 2 ) 临界状态仅是土体的初始结构的早期 破坏阶段，而稳态时已经彻底消灭了初始结构。但事实上，临界状态的概念是在 流动结构的概念出现以前提出来的，因而不可能提到流动结构，另外它也没有涉 8 第一章绪论 及到土体的初始结构的概念。所以有人把稳态变形与临界状态等同看待【2 5 1 。但也 应该看到临界状态的概念可以更加广泛，描述的现象也可以更多，例如它可以包 括峰值状态和准稳态以及稳态等。 考虑到在不排水试验中，临界状态和稳定状态实为同一状态。而本文所作也 全为不排水试验，为统一起见，本文一律用临界状态( c r i t i c a ls t a t e ) 来表示最终 的稳定状态，此时的强度用临态强度表示，而在这种稳态变形状态下的孔隙比与 平均有效应力的关系曲线称为临态线( c r i t i c a ls t a t el i n e ) 。y a m a m u r o & l a d e ( 1 9 9 8 ) 1 】就用临态理论分析了粉土质砂的应变软化特性。 1 5 本文的主要工作 本论文的目的是通过一系列的固结不排水三轴剪切试验( c u ) ，研究围压、 孔隙比以及粉土含量( f c ) 对饱和粉土质砂应变软化特性( 不稳定性) 的影响。尔后 引入等效粗粒间孔隙比( e 。) ，运用临界状态理论以及粗粒间状态参数( 1 l j 。) ， 分析粉土质砂在不排水剪切条件下的应变软化规律。因此，本文将主要进行以下 几方面的工作： ( 1 )对五种不同的土料：净砂( s ) 、三种不同粉土含量的粉土质砂( f s l ： 含1 0 粉土，f s 2 ：含2 0 粉土，f s 3 ：含3 0 粉土) 以及粉土( f ) 分别做不同围 压与不同初始相对密度下的固结不排水三轴剪切试验； ( 2 )根据试验结果，分析围压、孔隙比以及粉土含量( f c ) 对饱和粉土质 砂应变软化特性( 不稳定性) 的影响； ( 3 ) 引入e 刚看其是否比原来的密度参数( 孔隙比e 或相对密度d r ) 能 更合理的反映粉土含量对粉土质砂应变软化特性的影响； ( 4 ) 基于临界状态理论，引入1 j j 。量化粉土质砂的应变软化规律：建立不 稳定线的应力比( ( q p ) 。) 与叩。以及脆性指数( i b ) 与叩。的关系。 9 河海大学硕士学位论文 第二章室内试验方法及方案 2 1 土的物理性质指标试验 本文试验的主要研究对象是粉土质砂，是配制土，由砂和粉土的干质量按比 例配置而成。本节将主要对砂和粉土进行的一系列常规室内试验方法做简单的说 明，如颗粒分析试验、比重试验、液塑限试验以及相对密度试验等。以上试验方 法均参考土工试验技术手册f 2 6 】及土工试验方法标准 2 7 1 进行。试验数据 详见附录a 。 2 1 1 比重试验 考虑到砂、粉土的最大直径都小于5 m m ，故用比重瓶法测定两者比重。 将比重瓶烘干，称烘干试样1 5 9 左右装入比重瓶，称试样和瓶的总质量，准 确至0 0 0 1 9 ；向比重瓶内注入半瓶纯水，摇动比重瓶，并放在砂浴上煮沸，煮 沸时间为一小时；煮沸后调节砂浴的温度使比重瓶内的悬液不得溢出；将煮沸经 冷却的纯水注入装有试样悬液的比重瓶；注满后塞紧瓶塞，让多余的水从瓶塞毛 细管中溢出；再将比重瓶置于恒温水槽至温度恒定，且瓶内上部悬液澄清；取出 比重瓶，擦干瓶外壁，称比重瓶、水和试样的总质量，准确至0 0 0 1 9 ；测定瓶 内水的温度，准确至0 5 c ； 土粒的比重g 。按下式计算： g 。= j 生一g f r ( 2 1 ) m b w 十i d 。i i l 嘶 式中： m d 一试样的质量； m b 。一比重瓶、水总质量； m 。一比重瓶、水、试样总质量； g i t - t 时纯水的比重； 试验数据详见附录a 1 。 2 1 2 颗粒分析试验 本文所用试验砂的粒径范围为o 0 7 5 m m 2 m m ，故用筛析法对其进行颗粒分 1 0 第二章室内试验方法及方案 析试验。 对于砂，称取试样干质量3 0 0 9 ( 精确至0 1 9 ) ，倒入孔径依次为2 0 、1 0 、 o 5 、0 2 5 、0 0 7 5 m m 的一组筛子中，尔后放入振筛机振动1 5 m i n ，在按由上而下 的顺序将各筛取下，称各级筛上及底盘内试样的质量( 精确至o 1 9 ) ，再由公式 ( 2 2 ) 计算小于某粒经的试样质量占试样总质量的百分比： x = 当1 0 0 ( 2 2 ) m b 式中：x 一小于某粒经的试样质量占试样总质量的百分比； n a 一小于某粒经的试样质量； m b 一试样的总质量； 试验数据详见附录a 2 。 建筑地基基础设计规范g b j 8 9 9 中将粉土定义为塑性指数i p s l 0 ，粒径大 于0 0 7 5 m m 的颗粒含量不超过全重5 0 的土。本文所用粉土的最大粒径为 0 0 7 5 m m ，故用密度计法对其进行颗分试验。 本文选用甲种密度计进行试验。称取试样干质量3 0 9 ，倒入5 0 0 m l 锥形瓶， 注入纯水浸泡过夜，然后至于煮沸设备上煮沸4 0 分钟，冷却后将其全部移入 1 0 0 0 m l 量筒中，并加入分散剂4 六偏磷酸纳1 0m l ，再注纯水至1 0 0 0 m l ；将 搅拌器放入量筒中，沿悬液深度上下搅拌l m i n ，取出搅拌器，立即开动秒表， 将密度计放入悬液中，测计1 5 、1 、2 、5 、1 5 、3 0 、6 0 、1 2 0 、1 4 4 0 r a i n 时的密 度计读数，密度计读数以弯液面上缘为准，并精确至0 5 ；测定此时悬液的温度， 并准确至0 5 ； 小于某粒经的试样质量占试样总质量的百分比按下式计算： x ：1 0 _ _ _ 0 0 c g ( r + m t + n c 。) ( 2 3 ) m d 式中：x 一小于某粒经的试样质量占试样总质量的百分比；1 1 1 d 一试样干质量； c 。一土粒比重校正值；m t 一悬液温度校正值；n 一弯液面校正值； c 。一分散剂校正值；r 一密度计的读数； 试样颗粒粒径按下式计算： 河海大学硕士学位论文 d =( 2 4 ) 式中：d 一试样颗粒粒径( m m ) ；1 1 一水的动力粘制系数( k p a s 1 0 击) ； g w t t 时水的比重；p w t - - 4 。c 时纯水的密度( g c m 3 ) ； g 一重力加速度； 试验数据详见附录a 3 。 2 1 3 界限含水率试验 液、塑限是衡量粉土特性的重要指标。本文通过液塑限联合测定法来测定。 称取风干试样2 0 0 9 ，将其放在橡皮板上用纯水将土样调成均匀膏状，放入 调土皿，浸润过夜；将制备的试样充分调拌均匀，填入试样杯中，填满后刮平表 面；将试样杯放在联合测定仪的升降座上，在圆锥上抹一薄层凡士林，接通电源， 使电磁铁吸住圆锥；调节零点，调整升降座、使圆锥尖接触试样表面，指示灯亮 时圆锥在自重下沉入试样，经5 s 后测读圆锥下沉深度；取试样杯中圆锥附近的 试样1 5 9 左右，测定其含水率； 按照同样的方法测定第二点，第三点，而后以含水率为横坐标，圆锥入土深 度为纵坐标在双对数坐标上绘制关系曲线；由关系曲线可查得下沉深度为1 7 m m 所对应的含水率为液限，查得下沉深度为2 m m 所对应的含水率为塑限； 塑性指数( i p ) 按下式计算： i p = 吼哟p ( 2 5 ) 式中：0 3 l 一液限( ) ；( i 】p 一塑限( ) ； 2 1 4 相对密度试验 试样的最大、最小干密度是制备试样时的参考。本文通过相对密度试验测定 了砂、粉土以及各粉土含量下试样的最大、最小干密度，也就知道了对应的最小、 最大孔隙比。最小干密度试验采用的是漏斗法和量筒法；最大干密度试验采用振 动锤击法。 2 1 4 1 最小干密度、最大孔隙比 将锥形塞杆自长颈漏斗下口穿入，并向上提起，使锥底堵住漏斗管口，一并 放入1 0 0 0 m l 的量筒内，使其下端与量筒底接触；称取烘干的试样7 0 0 9 ，均匀 1 2 第二章室内试验方法及方案 缓慢地倒入漏斗中，将漏斗和锥形塞杆同时提高，移动塞杆，使锥体略离开管口， 使试样缓慢且均匀分布地落入量筒中；试样全部落入量筒后，取出漏斗和 锥形塞，用砂面拂平器将砂面拂平，测记试样的体积，估读至5 m l ；用手掌堵 住量筒口，将量筒倒转并缓慢地转回到原来位置，重复数次，记下试样在量筒内 所占体积的最大值，估读至5 m l ； 由此，按下式可得到试样的最小干密度： 2 百m d ( 2 6 ) 其最大孔隙比也可由下式得到， e 一：盟旦1 ( 2 7 ) p m i n 2 1 4 2 最大干密度、最小孔隙比 取试样2 0 0 0 9 ，拌均，分3 次倒入金属圆筒进行振击，每层试样约为圆筒体 积的1 3 ，试样倒入筒后用振动叉往返敲打圆筒两侧，并在同一时间内用击锤锤 击试样表面，直至试样体积不变为止，如此重复第二层和第三层；取下护筒，刮 平试样，称圆筒和试样的总质量，计算出试样的质量； 由此，按下式可得到试样的最大干密度： 2 寺 ( 2 8 ) 其最小孔隙比也可由下式得到， e 丽。：旦盘1 ( 2 9 ) p m “ 2 1 4 3 相对密度 试样的相对密度也可由下式得到： d , - ! 堂：呈q ( 2 1 0 ) e m “e m i “ 2 2 三轴剪切试验 2 2 1 试验仪器 三轴试验仪是c a s a g r a n