（岩土工程专业论文）剪切波速对饱和松散砂（粉）土结构性及抗液化强度影响的研究.pdf

中文摘要 在饱和砂( 粉) 土的震动液化研究中，剪切波速对土的抗液化强度和结构性 影响的研究是一个尚未解决的问题。针对这种情况，本文进行了以下几个方面的 工作： 1 、利用剪切波速与振动三轴联合试验装置，对饱和松散砂( 粉) 土进行了 剪切波速对抗液化强度影响的试验研究。其中包括：原状与重塑土的振动液化变 形特性、剪切波速相同时原状与重塑土抗液化强度的一致性等。试验结果发现： 原状与重塑饱和松散粉土的振动变形都具有突变性：剪切波速相同时，原状与重 塑土的抗液化强度之间具有良好的一致性，并且这种一致性不因液化判别标准的 变化而改变。 2 、研究了剪切波速与饱和松散土体结构性之间的关系。对饱和松散粉土， 采用干容重和剪切波速两种不同的控制方法制备重塑土样时，发现用剪切波速比 容重控制更接近原状土样的强度，这表明容重不足以反映土体的原状结构性，而 剪切波速能更好的反映这种结构性；另外，对饱和松散砂土，当该具有不同结构 性的土样达到相同的剪切波速时，其抗液化强度之间具有很好的一致性。但饱和 松散粉土却不具有这样的性质。 3 、采用正交数值分析方法对依据剪切波速与振动三轴液化联合试验结果建 立的评价原位土层液化可能性的关系式进行了多因素优化组合。结果表明，优化 后的关系式对实际地震条件下原位土层液化势的预测正确率达到8 1 6 ，比原关 系式预测正确率提高了1 1 5 。 关键词：砂土液化土的剪切波速抗液化强度土的结构性 a b s t r a c t i ti sa l li m p o r t a n tp r o b l e mt or e s e a r c ht h ee f f e c to fs h e a r - w a v ev e l o e i t yo n l i q u e f a c t i o nr e s i s t a n c ea n ds t r u c t u r eo f s a t u r a t e ds a n d s ( s i l t s ) f o re v a l u a t i n gs a t u r a t e d s a n d sl i q u e f a c t i o nr e s i s t a n c e t h e r e f o r e ，f o l l o w i n gr e s e a r c h e sh a sb e e nd o n ei nt h i s p a p e l 1 t h ee f f e c to ft h es h e a rw a v ev e l o c i t yo nt h ec y c l i cl i q u e f a c t i o nr e s i s t a n c eo f s a t u r a t e dl o o s es a n d s ( s i l t s ) h a sb e e ns t u d i e du s i n gan e wc y c l i ct r i a x i a ls y s t e mw i t h m e a s u r e m e n t so fs h e a rw a v ev e l o c i t y t h ec y c l i cs t r a i nw i t ht h en u m b e ro fc y c l e si sa n a l y z e d f o rt h es a t u r a t e dl o o s eu n d i s m d x = da n dr e m o l d e ds a ts a m p l e s 1 l 砖c o r r e l a t i o nb e t w e e nt h e i r c y c l i cl i q u e f a c t i o nr e s i s t a n c e si sf u r t h e rs t u d i e d r e s u l t ss h o wt h a tc y c l i cs t r a i n so fs a t u r a t e d l o o s eu n d i s t u r b e da n dr e m o l d e ds i l t sa l ec o n s i s t e n ta n dt h e i rc y c l i cl i q u e f a c t i o nr e s i s t a n c e s a r es a m ei ft h e i rs h e a rw a v ev e l o c i t i e sa l es a m e t h ec o n s i s t e n c yd o e sn o td e p e n do n t h ec y c l i cs t r a i nc r i t e r i o nd e t e r m i n i n gt h en u m b e ro fc y c l e st ol i q u e f a c t i o n 2 t h ec o r r e l a t i o nb e t w e e nt h es h e a r - w a v ev e l o c i t ya n dt h es t r u c t u r eo ft h e s a t u r a t e dl o o s es i l t ( s a n d ) h a sa l s ob e e nr e s e a r c h e d t h ed r yu n i tw e i g h ta n dt h e s h e a r - w a v ev e l o c i t yw e r eu s e dt or e m o l ds i l ts a m p l e sr e s p e c t i v e l y i fs a m p l e sw e r e r e m o l d e da c c o r d i n gt ot h ed r yu n i tw e i g h to fu n d i s t u r b e ds a m p l e s ，t h el i q u e f a c t i o n r e s i s t a n c eo fr e m o l d e ds a m p l e si sl o w e rt h a nt h a to fu n d i s t u r b e ds a m p l e s i ft h es h e a r w a v ev e l o c i t yo fr e m o l d e ds a m p l e sw a sr e g u l a t e dt ot h a to fu n d i s t u r b e ds a m p l e s ，t h e l i q u e f a c t i o nr e s i s t a n c eo fr e m o l d e ds a m p l e si sc l o s et ot h a to fu n d i s t u r b e ds a m p l e s i f s h e a rw a v ev e l o c i t i e so fl o o s es a n ds a m p l e sw i t hd i f f e r e n ts t r u c t u r e sw e r er e g u l a t e dt o t h es a m e ，t h e i rc y c f i cl i q u e f a c t i o nr e s i s t a n c e sw e r et h es a m e t h e r e f o r e ，t h es h e a r w a v ev e l o c i t yo fl o o s es o i l si sa l li m p o r t a n tc o n t r o l l i n gp a r a m e t e rd e s c r i b i n gt h e d i f f e r e n c eo fs t r u c t u r e s 3 t h eo r t h o g o n a la n a l y s i sm e t h o dw a su s e dt oo p t i m i z et h er e l a t i o np r e d i c t i n g t h ef i q u e f a c t i o nr e s i s t a n c eo fi ns i t us t r a t a , w h i c hw a sd e v e l o p e db a s e do nc y c l i c t r i a x i a le x p e r i m e n t a lr e s u l t sw i t hm e a s u r e m e n t so f s h e a r w a v ev e l o c i t y 1 1 1 er e s u l ts h o w s t h a tt h ep r e d i c t i v ea c c u r a c yo ft h er e v i s e dr e l a t i o nr e a c h st o8 1 6 a n di n c r e a s e s1 1 5 c o m p a r i n g w i t ht h eu n r e v i s e dr e l a t i o n k e yw o r d s ：s a t u r a t e dl o o s es a n dl i q u e f a c t i o n ，s h e a rw a v ev e l o c i t yo fs o i l s ，c y c l i c l i q u e f a c t i o nr e s i s t a n c e ，s o i ls t r u c t u r e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘生盘茔或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者魏起叶 签字吼诫年胁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在鹪密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：为“年 导师签名： 签字日期：7 吒 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 地震引起的液化给人们生命财产带来巨大的损失。1 9 6 4 年日本新泻地震、 美国阿拉斯加地震和1 9 7 6 年中国唐山地震时砂性土层液化引起的灾害性破坏， 促使人们对砂性土地震液化问题进行深人的研究。砂土液化的危害【1 - 3 1 主要有： ( 1 ) 液化造成的喷砂冒水和浅层土承载力的丧失往往发生在地震动停止以 后，地基失稳与房间倒塌也常出现在震动过后。 ( 2 ) 对工业与民用建筑而言，液化造成的震害以产生建筑物产生倾斜、沉 降和不均匀沉降为主，最终使建筑倒塌者为数极少，即使倒下也常发生在主震过 后。但对水坝、尾矿坝、桥梁、铁路而言，液化可造成垮坝、塌桥的危险。 ( 3 ) 液化层上的土层会产生大面积流动，由于液化后土的内摩擦角很小，甚 至在粗细粒界面上会形成水夹层，因此只要在沿着液化层的晃面上作用有不大的 水平分力就会产生土体的大面积滑动。 因此，深入研究砂土的液化问题具有重大的现实意义，国内外研究人员进行了很 多工作。砂土液化问题的研究主要集中在：砂土能否液化，如果能够，它能否造 成危害以及危害的程度如何等几个方面，其中砂土液化的判别是首先要解决的问 题。王建华等【8 l 曾对较密实的饱和砂土进行了原状与重塑土的联合三轴对比液化 试验研究并得出：当剪切波速一致时，原状土与重塑土的抗液化强度具有很强的 相关性。且不同的液化判别标准对这种相关性有很大影响。即，当判别液化的应 变标准不大于6 时，具有相同剪切波速的原状和重塑土样的抗液化强度之间具 有良好的对应关系；而当应变判别标准超过7 时，具有相同初始剪切波速的原 状和重塑土样抗液化强度之间的相关性显著降低。但迄今为止。在松教土体剪切 波速对其抗液化强度以及结构性的影响方面尚无进一步的研究。并且，当液化破 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 坏标准变化时，饱和砂土的剪切波速与其抗液化强度间对应关系是否仍存在也从 未被研究过。因此，本论文研究的目的就是要在前人研究的基础上，进一步研究 剪切波速对饱和松散土体的抗液化强度和结构性是否存在影响以及如何影响土 体的抗液化强度和结构性。 1 2 目前常用的液化判别方法 在往返荷载作用下或其他动荷载作用下，饱和砂土受到动剪应力作用，在排 水条件下，土颗粒调整，原有骨架结构逐渐破坏，表现为土体残余变形的累积和 土体变密，土颗粒沿剪切面方向定向排列；当不排水时，土体剪切变形使土颗粒 重新排列定向，原有骨架松驰，土体趋于变密，因为不排水，孔隙水压力上升， 从而导致土骨架刚度下降( 软化作用) ，即在同样动应力下，产生较大的动变形。 同时由于动变形增大，又使土颗粒原有结构较大程度受到破坏，较大范围，较大 幅度得到调整，产生较大的孔隙水压力及残余变形。土骨架刚度进一步下降，变 形进一步加大，残余孔隙水压力、残余变形进一步累积，以致达极限平衡，土休 趋于破坏和失稳，饱和砂土的孔隙水压力会升高从而有效应力降低，其抗剪强度 或对剪切变形的抵抗能力会发生降低或完全丧失，通常把这种现象叫做饱和砂土 振动液化。 砂土是否液化的判别过程要经过初判和复判两个阶段。初判阶段要回答的问 题是所研究的砂土是否可能发生液化。我国有关规范初判基本采用四个指标，即： 粘粒含量百分率、地质年代、地下水位深度和上覆非液化土层厚度。对于初判的 深度范围是一个非常复杂的问题，它不仅受地震条件的控制，而且受场地条件的 影响。陈国兴等【4 2 l 建议取2 0 m 。岩土工程堪察规范中考虑到现有宏观震害调 查资料，地震液化主要发生在浅层，深度超过1 5 m 的实例极少，因此规定为1 5 m 。 对于初判为可液化的土，需进一步进行判别。如何准确的评判液化，目前尚 无精确而成熟的方法。目前判别地震液化所采用的两类方法均是经验性的。 1 2 1s e e d i d r i s s “简化方法” 以s e e d 和i d r e s s 等所提出的地震应力方法，通过比较预期地震所产生的现 场实际动剪应力与通过三轴或扭剪试验所获得的抗液化强度，以此评判场地土的 2 天津大学硕士学位论文第一章绪论 液化势。s e e d i d r i s s “简化方法”嘲是s e e d 于1 9 7 1 年提出的一个判别具有水平 地面的自由场地液化的方法，也是目前国内外应用最广泛的方法，属于试验 分析判别饱和砂土液化的方法。在这个方法中许多影响饱和砂土液化的因素得到 适当的考虑。其关键是确定出地震时水平地面下饱和砂土单元承受的地震剪应力 ( 比) 和使饱和砂土单元发生液化所需要的剪应力( 比) 或抗液化剪应力( 比) ，然后将 二者进行对比以判定在该地震烈度下该砂土单元是否会发生液化。 ( a ) 确定地震作用下土层的等效平均剪应力。 t - 0 崩屹等h ( 1 1 ) 其中：f f 一地震作用时土层的等效平均剪应力( 1 p a ) ；珞一随深度变化的应力 折减系数，按表1 - 1 确定；口。一地面最大加速度，单位m s 2 。按照地震 响应分析结果确定。如果没有地震响应分析结果，可参照表1 2 确定：y 一土层的容重，地下水位以上的土层取为天然容重，地下水位以下的土 层取为饱和容重，对于海洋环境条件下，按饱和容重计算，多层土应分 层计算，单位k n m 3 ；d a 一土层的深度，单位m ；g 一重力加速度，单 位m s 2 。 ( b ) 确定土层的抗液化剪应力。 一吼胤白 m 乃 其中：t 一土层的抗液化剪应力，单位k p a ；c ，一应力校正系数，如果利用振动 单剪试验确定土层的抗液化剪应力，则c - - 1 ；如果利用振动三轴试验确定 土层的抗液化剪应力，则按表1 - 3 确定c ，；玩一土层受到的上覆有效压力， 单位k p a ；( 毒) 丽一由室内振动三轴液化试验或振动单剪试验确定的、与 等效应力循环次数对应的抗液化应力比( 即液化阻力比) ；一与地震震 级等效的应力循环次数，按表1 - 4 确定；一动剪应力，对于振动三轴试 天津大学硕士学位论文第一章绪论 验一詈，其中为振动三轴试验中的动应力。c r c - 对于振动三轴试验， 吼为施加给土样的固结压力；对于振动单剪试验吼为土样受到的初始竖 向有效应力。q 试验土样的相对密度：d r 现场土层的相对密度。 ( c ) 判别是否发生液化 比较t 和。当t 大于t 时，土层可能发生液化；当t 小于t 时，土层不会 发生液化。 这类方法存在现场取样困难和取样中存在应力释放以及试验中应力状态不 能够代表现场实际应力条件等缺陷。并且，由于砂土极易松散，而高质量的取样 方法( 比如冻结法) 代价较高难于进入实用，实践中一般用常规取样方法取得的土 样甚至重塑土样进行液化试验确定抗液化应力比。 1 2 2 建筑抗震设计规范中的液化判别方法 建筑抗震设计规范中的液化判别方法 9 1 ，基于以往地震震害调查资料通 过统计分析建立了液化触发条件与场地标贯击数或锥头阻力等之间的经验关系， 以此评判场地的液化势。在现行规范中规定采用的方法有临界标准贯入击数法 6 p t - s t a n d a r dp e n e t r a t i o nt e s t ) 和静力触探实验( c p t - c o n ep e n e t r a t i o nt e s t s ) 。 标准贯入试验击数的判别方法中规定：当土层的标准贯入击数符合下式时， 应判定为液化土。 k j 0( 1 3 ) 式中：。一未经杆长修正的土层标准贯入击数；。一判别液化的临界标准贯 入击数，按下式计算： ( a ) 在地面下1 5 m 深度范围内： 心- 0 【0 9 + 0 1 ( 圳棚压心州) ( 1 - 4 ) 4 天津大学硕士学位论文第一章绪论 ( b ) 在地面下1 5 m 2 0 m 深度范围内： 虬i o ( 2 4 - o 1 d , ) 后，( 1 5 小2 0 ) ( 1 5 ) 式中：o 一液化判别标准贯入击数基准值，应根据地区类别，按表1 - 5 确定；或 一饱和土标准贯入点深度( m ) ；d 。一地下水位深度( m ) ，在海洋环境下， 可取丸为o ；以一粘粒含量百分数，当小于3 或为砂土时，均应取3 。 静力触探判别方法中规定：静力触探试验判别适用于饱和砂土和饱和粉土的 液化判别。当满足下面的公式时应判为液化土。 p j 或q c ( 1 6 ) p 。- p 5 0 口。口p 口p ( 1 - 7 ) g 蝌i 吼0 0 0 口p 口p ( 1 - 8 ) 口，= 1 - 0 0 6 5 。一2 )( 1 9 ) 口，= 1 - 0 0 5 魄一2 ) ( 1 1 0 ) 式中：、鼋。分别为饱和土静力触探液化比贯入阻力临界值及锥尖阻力l i 每界 值；见。、吼。分别为饱和土液化判别比贯入阻力基准值和液化判别锥尖阻力 基准值；、口。分别为地下水埋深和上覆非液化土层厚度修正系数；d ，、 d ，分别为地下水位深度和上覆非液化土层厚度；口，为与静力触探摩阻力比 有关的土性修正系数。 这类方法在各国抗震规范中得到广泛推荐，但是这类方法的精度取决于样本 容量及其精度，往往存在误判。同时，它不能反映上覆土层特性对砂土层产生液 化与否的作用，也不能反映地震持续时间对砂土层液化的影响。砂土液化的发生 不仅与地震的烈度( 地面最大水平加速度) 有关，还与动力作用的次数( 震级) 有关， 而在s p t 方法中这些因素无法得到体现。此外地震烈度反映的也不仅是地面最 大水平加速度，还与地面建筑物的性质有关。并且，c f t 方法限制了液化砂土埋 藏的条件，即当液化土层限制在一个范围内。 天津大学硕十学位论文 第一章绪论 1 3 以剪切波速为指标的液化判别方法研究现状 自d o r b ykp o w e l l 1 0 1 首先按应变法原理提出用剪切波速v 。预测砂土液化势 的方法以来，该类方法在国内外受到普遍关注，是当前抗震工程研究中的热点问 题之一。用剪切波速判别饱和砂土的振动液化具有物理意义明确、波速值离散性 小、预测可靠性高、可重复、经济性好、快速等优点。有些行业规范中已经开始 用剪切波速进行液化的判别。 用v 5 预测砂土液化强度的原理如下： 由s e e d 简化方法【5 l ，地震时地基下的等效地震剪应力为： t 。0 6 5 a h 一吼r a( 1 1 1 ) g 其中：a h 一为地表水平最大加速度；吼为竖向总应力：r s 为随深度的折减系数。 与此相应的土单元水平剪应变为： t r 。吉 g 也。 将( 1 - 7 ) 和( 1 - g ) 代入( 卜8 ) 得： 1 ，_ 0 6 5 a h g “- o v r d n 。可玎 l l 将式( 1 1 1 ) 代入式( 1 1 0 ) 得： 6 ( 1 1 2 ) ( 1 - 1 3 ) ( 1 1 4 ) ( 1 1 5 ) 天津大学硕士学位论文第一章绪论 设达到液化时剪应变和模量比分别为： 一，苦。代入( 1 - 1 2 ) 觏得： 圪一 ( 1 1 6 ) ( 1 1 7 ) 式( 1 1 3 ) 就是l 临界剪切波速的表达式。其中：以称为临界剪应变，l ； 1 为 、。一 临界剪应变时的模量比，k 。为i 临界剪切波速。 当实测的k 圪时，不液化；k t o 8 9 。剪切波速相 同时，饱和松散粉土的原状与重塑土的抗液化强度之间确实存在良好的一致性， 这就为利用剪切波速作为控制原状土样抗液化强度的关键参数提供了有力的支 持。并由此可以通过重塑土样的试验，确定原状土样的抗液化强度，实现对原位 饱和砂土抗液化强度的科学评价。 3 、在松散粉土的整个振动液化的过程中，原状与重塑土的变形性质通过试 验验证都具有较好的一致性。这里的研究表明，当应变破坏标准超过7 时，饱 天津大学硕士学位论文第二章饱和松散原状与重塑粉七抗液化强度的相关性 和粉土的剪切波速与抗液化强度之间仍然具有良好的对应关系。也就是说，对饱 和松散粉土，当剪切波速相同时，原状与重塑土样的抗液化强度之问具有很强的 一致对应关系，并且，这种对应关系不再受应变标准的限制。 2 4 小结 针对饱和松散的粉土，通过控制重塑土样剪切波速达到原状剪切波速值，进 而进行了与原状土样的液化对比试验，可以得到一下结论：饱和松散土体原状 与和重塑土的变形特性一致，在液化时变形都会出现突然增大的现象。当剪切 波速相同时，原状与重塑土的抗液化强度也一致。应变破坏标准的改变，不会 影响剪切波速与抗液化强度的相关性。 天津大学硕士学位论文第三章饱和砂( 粉) 土剪切波速对结构性的影响 第三章饱和砂( 粉) 土的剪切波速对结构性的影响 对于同一种土体，在相同应力条件下，剪切波速相同时，原状与重塑土样的 抗液化强度之间具有很强的相关性，从而可以通过室内试验确定原位层的抗液 化强度。但是，剪切波速如何反映土体结构性，以及剪切波速的变化会对土体结 构性有什么样的影响尚不能确定。干容重控制与波速控制制样对土体的结构性有 什么影响，其抗液化强度又有什么变化还需要进一步的研究。 要检验剪切波速能否反映土体结构性，须采用不同的方法和条件制备出具有 不同结构性的试验土样，通过调整使该具有不同结构性的土样剪切波速相同时， 比较其结构性、抗液化强度是否达到一致。当具有不同结构性的试验土样剪切波 速相同时，其抗液化强度也一致，则说明剪切波速的变化能够引起土体的结构性 或抗液化强度的改变。 基于以上分析，本章要研究的问题是： 分别采用制样干容重与剪切波速控制制备土样的对比试验研究； 如何制备出具有不同结构性的试验土样； 通过试验分析，具有不同结构性的土样，如果土样的剪切波速相同，其抗 液化强度是否唯一；剪切波速可否反映土体结构性的变化。 3 1 两种土样制备方法的对比试验研究 从前面使用的五组试验土样中随意选取两组，采用与原状土相同的干容重重 塑试验土样，并进行振动三轴联合试验。对同一组土，分别用干容重和波速控制 两种方法进行试验：干容重控制和波速控制。 3 1 1 制样干容重控制制备土样的试验结果 干容重控制，即在制备土样时采用与原状相同的干容重，然后进行振动三轴 联合试验，试验前不对剪切波速进行调整。 将试验得到的波速、应力比等数据结果列于表3 - 1 中。数据结果处理时按照 天津大学硕士学位论文第三章饱和砂( 粉) 土剪切波速对结构性的影响 峰值一峰值轴向应变达到5 确定试验土样的液化破坏振次，确定抗液化强度曲 线。试验结果如图3 - 1 所示，图中标出的为拟合曲线土样对应的平均剪切波速 k ( m s ) 。 表3 - 1 干容重控制制样的试验结果 试验 q 试样 破坏振次 初始剪切波速 编号 f k p a ) 编号 ( 5 ) 振动应力比 ( m s ) l5o 1 8 02 1 0 4 21 30 1 4 82 1 3 5 34 1 0 1 0 62 0 6 7 41 5 0 48 20 1 1 32 1 0 0 51 1 30 1 0 62 1 2 3 62 50 1 2 22 0 8 1 图3 - 1 制样干容重控制时试验对比 3 1 2 剪切波速控制制样的试验结果 波速控制是指在制备土样时采用与原状土样相同的干容重，并且进行振动液 化试验前调整其波速到原状值。 同样，将试验得到的波速、应力比等数据结果列于表3 2 中。数据结果处理 时仍按照峰值一峰值轴向应变达到5 确定试验土样的液化破坏振次，确定抗液 化强度曲线。试验结果如图3 2 所示。图中标出的为拟合曲线土样对应的平均剪 切波速k ( m s ) 。 天津大学硕士学位论文第二章饱和砂( 粉) 土剪切波速对结构性的影响 表3 - 2 波速控制制样的试验结果 调整前 试验 啡 试样 破坏振次 振动应力比剪切波速 编号 ( k p a ) 编号( 5 ) ( m s ) 130 2 1 81 9 6 8 21 20 1 9 11 9 3 2 33 70 1 7 01 9 4 5 31 0 0 46 90 1 3 81 9 6 3 51 1 80 1 2 71 9 3 7 62 20 1 5 51 9 8 7 3 1 3 试验结果分析 图3 - 2 波速控制时试验对比 从表3 - 1 的试验数据中可以发现，仅以制样干容重控制重塑土样进行振动三 轴联合试验，其强度和波速值均明显低于相同容重下的原状土样。重塑试样的初 始剪切波速变化最大为3 2 ，其平均剪切波速比原状剪切波速低7 3 。这表明 具有相同容重的原状与重塑土样，其结构性并不相同。容重相同时重塑土样并没 有恢复到与原状土样一致的结构，因此容重并不能作为反映土体结构性的良好参 数。 从表3 2 的试验数据及试验对比图3 2 中可以发现，以波速控制进行振动三 轴联合试验，波速一致时重塑土样的强度与原状土样也非常接近。以波速控制的 试验，在波速调整前，重塑试样的初始剪切波速变化最大为2 8 ，其平均剪切 波速比原状剪切波速低7 o 。这表明具有相同容重的原状与重塑土样，当重塑 土样的波速恢复到原状时，两者的结构性也一致，即波速的改变引起了土体结构 天津大学硕士学位论文第三章饱和砂( 粉) 土剪切波速对结构性的影响 性的变化。从反映土体结构性来讲，波速是一个比容重更敏感的参数。 3 2 剪切波速对土体结构性影响的研究 控制初始剪切波速方法，可以控制土样的抗液化强度恢复到与原位土层的一 致。接下来的问题是需要阐明对于不同结构性的同种土样，如果剪切波速相同， 其抗液化强度是否仍然具有相互对应的关系。剪切波速能否反映土体结构性的变 化。 3 2 1 含水量对土体结构性的影响 基质吸力1 5 2 捌是孔隙气压力与孔隙水压力之差，在自然条件下，孔隙与大气 相连，孔隙气压力等于大气压力，所以基质吸力由孔隙水压力决定，并最终由含 水量决定。 基质吸力在控制非饱和土的力学性状方面起着十分重要的作用。非饱和土的 基质吸力随着含水量的变化而变化，含水量和基质吸力的关系称为土一水特征曲 线。土一水特征曲线( 图3 3 ) 是表示非饱和土的基质吸力与重量含水量、体积 含水量、饱和度或有效饱和度之间的关系曲线。 越 ，足 霜 谣 熏 饱和度多 图3 3 基质吸力与饱和度关系曲线 当含水量不同时，基质吸力不同，制备相同容重下的同种土样，所需的击实 功不同，导致土颗粒之间的排列方式以及其粘聚力会有很大差别，从而使得土样 的结构性也不同。 _芒长瞄峨埭 天津大学硕士学位论文第三章饱和砂( 粉) 土剪切波速对结构性的影响 3 2 2 饱和松散粉土结构性试验 首先要解决的问题是如何将同种土、在相同制样容重下制得具有不同结构性 的土样。如上所述，由于含水量的不同会对土体的初始结构性产生影响，而且含 水量在试验的过程中比较容易控制。因此，采用以下两种方法制备土样，每种方 法分别采用两个不同的含水量。一种方法为：将两种不同含水量制备的土样放在 干燥的环境中失水至同一含水量值后进行试验。另一种方法是将用两个不同含水 量制备的土样，不在干燥环境中失水，试样制备完后立刻进行试验。试验中采用 与原状相同的干容重制备土样，试验前不调整土样的初始剪切波速。试样制备方 法采用击实法： 试样尺寸为3 9 1 8 o e m ，击实器为三片瓦式。 ( 1 ) 首先将按照一定干容重称得的土重平均分为四份，先将一份倒入击实器 内，用落锤敲击，当敲击至高度为2 e r a 时即可； ( 2 ) 然后为使两层土更好的咬合，将表层土刮开，倒入第二份土再敲击； ( 3 ) 依次类推分别倒入四层i * u 备土样； ( 4 ) 将击实器松开，小心的将瓦片拆下即可。 在制样过程中应使每层土的高度均为2 c m ，这样才能够保证土样的均匀性。 这种制备方法在试样取出时，由于瓦片与士之间没有相互运动，因此可以减少容 器壁与试样表层之间的摩擦，更好的保证土体结构的一致性。 ( 一) 失水试验的结果 该试验中采用8 和1 6 两种含水量制备土样，放置在干燥环境中失水至含 水量为3 时开始试验。两组试验结果以及与原状的对比图见表3 3 和图3 - 4 。 拟和曲线旁标出的为该条拟和曲线土样对应的平均剪切波速i t , ( m s ) 。 表3 - 3 失水试验结果 试验 吼 含水量 土样编号 破坏振次 剪切波速 编号 ( 1 c p a ) ( 5 ) 振动应力比 ( m s ) 41 5 013 60 ，1 3 02 1 2 3 2 1 7 0 1 5 22 1 4 0 8 32 80 1 4 12 1 2 7 47 0 1 7 12 0 8 5 58 70 1 1 12 1 1 0 1 6 l1 20 1 5 12 1 1 1 2 3 3 o 1 1 92 0 6 8 天津大学硕士学位论文第三章饱和砂( 粉) 土剪切波速对结构性的影响 330 1 9 12 1 2 1 44 9 0 1 1 7 2 0 8 9 56 40 1 1 22 1 0 0 o 5 崔 篮 u 0 4 0 3 0 2 o 1 0 0 1 01 0 0 n f 1 0 0 0 图3 - 4 失水至w = 3 的试验对比 采用大小不同的两种含水量进行土样制备时，可以明显发现所需的击实功也 不相同。含水量为1 6 的土样，由于含水量较高使土颗粒之间形成了团状结构， 其击实功明显低于含水量为8 的土样。从表3 3 和图3 - 4 的试验结果中可以看 出，当失水至同一含水量值再进行试验时，含水量为1 6 时的剪切波速和强度 均要低于含水量为8 的值，但都不是很明显。 ( 二) 不失水试验的结果 该试验中试样含水量采用5 和1 0 两种，试验的结果见表3 - 4 和图3 5 。 拟和曲线旁标出的为该条拟和曲线土样对应的平均剪切波速k ( m s ) 。 表3 - 4 不失水试验结果 试验 吒 制样 试样 破坏振次 初始剪切波速 编号 ( 1 c p 曲 含水量 编号 ( 5 ) 振动应力比 ( m s ) 120 2 1 91 9 6 4 21 10 1 6 41 9 4 2 5 3 7 5 0 1 2 71 9 8 2 42 7 0 1 4 4 1 9 6 0 53 80 1 2 81 9 9 2 31 0 0 11 30 1 2 61 8 6 8 2 2 3 0 1 2 81 8 6 4 1 0 34 o 1 7 01 8 9 0 4 5 50 1 0 11 8 5 4 59 70 0 9 91 9 0 3 天律大学硕士学位论文第三章饱和砂( 粉) 土剪切波速对结构性的影响 0 5 国 g o 4 0 3 0 2 0 1 0 o 1 01 0 0 n f 1 0 0 0 图3 5 不失水试验对比 ( 三) 试验结果分析 在失水试验中，采用大小不同的两种含水量进行土样制备时，可以明显发现 所需的击实功也不相同。含水量为1 6 的士样，由于水过多土颗粒之间形成了 团状结构，其击实功明显低于含水量为8 的土样。从表3 3 和图3 - 4 的试验结 果中可以看出，当失水至同一含水量值再进行试验时，含水量为1 6 时的剪切 波速和强度均要低于含水量为8 的值，但都不是很明显。 同样，在不失水试验的过程中可以发现，采用大小不同的两种含水量制备土 样所需的击实功亦不同。当含水量比较大时，土颗粒的团状结构，使得团内土颗 粒之间结合较强，而团与团之间结合比较弱；当含水量较少时，土颗粒之间的粘 结比较均匀，不会出现特别明显的薄弱环节。从试验的结果来看，这种结构性的 差异使得两种含水量试验土样的剪切波速和强度值明显不同。同时，该试验结果 还迸一步说明制样干密度相同时，改变土样的含水量，会引起剪切波速的变化， 从而导致土体结构性与其抗液化强度的变化，因此说明容重不能很好的反映土体 的结构性，而剪切波速恰恰能够反映这种由含水量改变导致的结构性的不同。 3 2 3 饱和松散砂土结构性参数的研究 饱和粉土可以由含水量的不同引起土体结构性的不同，但对砂土而言是否也 存在这种现象还需要进一步研究，因此采用两种含砂粒较多的土分别进行试验。 按照土工试验规程对每一种土进行颗粒分析i 删，图2 1 给出了试验土样的颗 天津大学硕士学位论文第三章饱和砂( 粉) 土剪切波速对结构性的影响 粒级配曲线。如图3 - 6 的颗粒级配分布可以看出，这些试验土样属于粉砂质细砂。 r v 1 1 女n y f i n es a i l d 、1 。 n 0 2 s i l t y f i n es a n d 1 _ r g r a i ns i z e ( r a m ) 图3 - 6 试验土样的颗粒级配曲线 o mn g r a i ns i z e ( r a m ) 主要试验过程如下： ( 1 ) 对每种砂土分别采用3 和6 两种含水量，分别在儿- 1 5 1 k n l m 3 和 r d = 1 5 2 1 c n m 3 的干容重下制备试验土样，进行振动三轴联合试验一 ( 2 ) 采用含水量为3 ，并将干容重降低至- 1 3 7 k n m 3 制备试验土样，进 行进行振动三轴联合试验。 ( 3 ) 将= 1 3 7 倒v m 3 试验土样的剪切波速调整至儿= 1 5 1 ( 1 5 2 ) l o v m 3 的 剪切波速值进行振动三轴联合试验 ( 一) 不失水试验结果与分析 首先，每种土分别在同一容重下，两个不同含水量下制备土样，含水量采用 3 和6 。土样制备同粉土，采用击实法a 以应变破坏标准。一5 确定破坏 振次，做出抗液化曲线。试验结果见表3 5 和图3 7 所示。图中标出的为拟合曲 线土样对应的平均剪切波速k ( m s ) 。 表3 - 5 不失水试验结果 试验制样干容重 q 制样试样破坏振次 初始剪切波速 组号( k n i 一) ( i 【p a ) 含水量编号( 5 ) 振动应力比 ( m s ) 11 5 1 1 5 014 1 0 2 1 02 3 2 7 26 80 1 8 82 2 8 7 3 380 2 6 62 3 2 6 43o2 9 02 2 7 6 51 30 2 4 1 2 2 9 0 6 1 1 4 0 1 7 42 3 1 1 6 180 2 9 32 4 2 0 曲 o ，一鼍6一呻暑一研时4-茸ou-。a 8(冰&f。舻。 天津大学硕士学位论文第二章饱和砂( 粉) 土剪切波速对结构性的影响 22 7o 2 6 42 3 9 4 32 30 2 4 32 4 6 5 4 6 2 0 2 2 92 4 1 5 59 1 0 2 2 2 2 4 3 6 13 0 3 0 1 2 0 8 5 21 00 2 5 52 0 9 9 3 2 9 0 2 2 12 0 9 1 3 46 0 0 1 9 8 2 1 1 2 54 9 0 1 9 22 0 8 3 21 5 21 0 069 70 1 5 12 0 6 5 1 2 1 0 2 6 12 2 4 7 27 0 2 9 8 2 1 9 4 6 33 2 0 2 4 1 2 2 3 3 41 7o 2 5 72 1 8 1 57 50 2 1 12 2 3 2 酲 g o 5 o 4 o - 3 o 2 0 1 o o 1 01 0 0 n f 1 0 0 0 图3 7 不失水试验对比 由试验结果可知，对于饱和松散砂土而言，相同制样千容重的情况下、含水 量的不同引起了土体结构性和抗液化强度的不同。第一组中，w = 6 的平均初 天津大学硕士学位论文第二章饱和砂( 粉) 土剪切波速对结构性的影响 始剪切波速比w = 3 时低5 2 ；第二组低5 7 。因此从剪切波速上也可以反 映出这种结构性的变化，+ 这与粉土性质是相同的。 3 2 4 剪切波速对松散土体结构- 陛的影响 剪切波速能够反映由含水量不同导致的结构性的不同，但是反映程度尚不能 确定，也就是说，剪切波速不同时土体结构性、强度不同。但是，具有不同结构 性的土，当调整剪切波速达到一致时，其结构性、强度是否也恢复到一致尚需做 进一步的研究。为此，在以上试验的基础上降低制样干容重，调整剪切波速进行 试验。 ( 一) 剪切波速对松散砂土结构性影响 以应变破坏标准。一5 确定破坏振次，做出抗液化曲线。试验结果如表 3 - 6 和图3 8 所示。图中标出的为拟合曲线土样对应的平均剪切波速k ( m s ) 。 表3 - 6 改变干容重试验结果 试验制样干容重 以 制样试样破坏振次 振动应力比 初始剪切波速 组号 ( ( k n m 3 )化p 幻 含水量编号( 5 ) ( m s ) 1 70 2 1 6 2 1 2 5 21 2 1 0 1 2 92 1 0 3 ， 33 8 o 1 6 6 2 1 4 1 11 3 71 0 03 450 2 1 32 0 8 8 52 2o 1 7 72 1 2 1 65 40 1 5 02 1 2 5 11 1 o 1 9 51 9 3 7 26o z 2 01 9 1 4 390 2 1 31 9 6 1 21 3 7 1 5 03 44 20 1 5 61 9 4 2 56 90 1 3 9 1 9 2 8 61 1 50 1 1 11 9 0 3 天津大学硕士学位论文 第三章饱和砂( 粉) 土剪切波速对结构性的影响 0 5 暮。4 。3 o 2 。1 。 11 01 0 0 n f 1 0 0 0 1 01 0 0 n f 1 0 0 0 图3 - 8 改变容重、调整波速试验对比 从试验的结果可以看出同一含水量的同种士样，不同制样干容重下，第一组 土中，托- 1 3 7 k n m 3 的平均初始剪切波速比n - 1 5 1 k n m 3 时低8 o ；第二组 托一1 3 7 k n m 3 的平均初始剪切波速比n 一1 5 2 k n i m 3 低7 6 。将制样干容重降 低至1 3 7 后，调整剪切波速达到干容重为1 5 1 ( 1 5 2 ) k n m 3 的波速值时，二 者的动强度具有很强的一致性，表明士体结构性也具有了一致性。并且，剪切波 速的变化大小反映了土体结构性不同的程度。 ( 二) 剪切波速对松散粉土结构性影响 在原状干容重的基础上，降低5 制样，调整剪切波速使其达到原状波速值 时，可以发现其强度远远超过了原状强度值。因此对饱和松散的粉土而言，剪切 波速不能很好的反映土体结构性的变化。 帖 吣 吆 仰 醋出u 天津大学硕士学位论文第三章饱和砂( 粉) 土剪切波速对结构性的影响 3 3 小结 在本章中，首先探讨了两种土样制备方法的对比试验，发现相同制样干容重 的原状与重塑土样的波速和抗液化强度不同，原状样的波速和强度均比重塑土样 高。而调整该条件下重塑土样的波速使其达到原状剪切波速值时，其强度也与原 状值一致。这表明剪切波速比容重能更好的反映土体的结构性。 然后分别对粉土和砂土制备具有不同结构性的土样，发现相同制样干容重的 同种土，当含水量不同时其强