（岩土工程专业论文）太原东山黄土静力与动力性质研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位敝y 6 3 0 0 6g 太原东山黄土静力与动力性质研究 摘要 本文通过变含水量条件下的室内试验，对太原东山黄土 的静力与动力性质进行了研究。在分析了静动三轴、湿陷试 验的结果数据后，发现随着含水量的增加，东山黄土的静本 构关系从软化型变为硬化型，动本构关系从直线型变为双曲 线型，曲线形态都越来越平滑。黄土的静动强度都将随着含 水量的增加而减小，变化趋势均符合指数函数。静动摩擦角 随含水量的增加变化都不大，且两者非常接近，可近似认为 黄土的摩擦角是定值。静动凝聚力随含水量的增加而减小， 也符合指数函数。在低含水量条件下，动凝聚力要比静凝聚 力小，使得太原东山黄土的动强度低于静强度，但随着含水 量增加，动强度将逐渐接近静强度甚至超出。相同压力下， 东山黄土的湿陷量将随含水量的增加而减小；同一固结压力 条件下，同动应力所对应的振陷量将随着含水量的增加而 增加。振陷和湿陷系数可以通过含水量建立它们之间的关系。 太原理： 人学硕士研究生学位论文 本次研究结果充分说明，研究在不同含水量下黄土的动 静力性质是研究水对黄土影响的一个行之有效的办法。 关键词：湿陷性黄土，含水量，本构关系，动强度，静强度， 振陷 太原理工大学硕士研究生学位论文 s t u d yo ns t a t i ca n dd y n a m i c p r o p e r t l e so ft a i y u a nd o n g s h a nl o e s s a b s t r a c t t h i s p a p e r i sm a i nt o s t u d y t h es t a t i ca n d d y n a m i c p r o p e r t i e s o ft a i y u a nd o n g s h a nl o e s sb yt h el a b o r a t o r yt e s t s u n d e rd i f f e r e n tw a t e rc o n t e n t s a f t e ra n a l y z i n gt h er e s u l t so f s t a t i ca n dd y n a m i ct r i a x i a l t e s t s ，w e d i s c o v e rt h a tt h es t a t i c c o n s t i t u t i v e r e l a t i o nb e c o m e sh a r d e n i n gs h a p ef r o ms o f t e n i n g s h a p ea n dt h ed y n a m i cc o n s t i t u t i v er e l a t i o nb e c o m e sh y p e r b o l i c m o d e lf r o ml i n e a rm o d e la n dt h ec u r v e s h a p e s f o rb o t h c o n d i t i o n sb e c o m es m o o t hw i t ht h ei n c r e a s i n go fw a t e rc o n t e n t s t h es t a t i ca n d d y n a m i cs t r e n g t h sd e c r e a s e w i t ht h ew a t e rc o n t e n t i n c r e a s i n g ，a n d t h e i r r e l a t i o n s h i p t r e n d sa c c o r d e x p o n e n t i a l f u n c t i o n t h es t a t i ca n dd y n a m i cf r i c t i o na n g l e sv a r yl i t t l ew i t h t h ec h a n g eo fw a t e rc o n t e n t ，a n dt h e ya r ev e r ya d j a c e n t t h e i i i 太原理工火学硕士研究生学位论文 f r i c t i o na n g l eo fl o e s si sac o n s t a n tp a r a m e t e r t h es t a t i ca n d d y n a m i c c o h e s i o n sd e c r e a s ew i t ht h e i n c r e a s i n g o fw a t e r c o n t e n t ，a n dt h e ya c c o r de x p o n e n t i a lf u n c t i o na l s o a tl o w e r w a t e rc o n t e n t ，t h ed y n a m i cc o h e s i o ni ss m a l l e rt h a nt h es t a t i c o n e s ，i nt u r n ，t h ed y n a m i cs t r e n g t ho ft a i y u a n d o n g s h a n l o e s s i sl o w e rt h a nt h es t a t i cs t r e n g t h b u tw i t ht h ei n c r e a s i n go fw a t e r c o n t e n t ，d y n a m i cs t r e n g t hw i l lb ec l o s et os t a t i cs t r e n g t he v e n e x c e e d t h e c o l l a p s es e t t l e m e n to f d o n g s h a n l o e s sd e c r e a s e sa n d t h es e i s m i cs u b s i d e n c ea c c o r d i n gt ot h es a m ed y n a m i cs t r e s s i n c r e a s e sw i t ht h e i n c r e a s i n g o fw a t e rc o n t e n tw h e nt h e c o n s o l i d a t i o n p r e s s u r e i ss a m e t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n c o e f f i c i e n t so f c o l l a p s i b i l i t ya n ds e i s m i cs u b s i d e n c ec a r lb es e tu p t h r o u g h w a t e rc o n t e n t t h er e s u l t so ft h i ss t u d yd e m o n s t r a t et h a tw a t e rc o n t e n ti sa m a i na f f e c t i n gf a c t o ro ns t a t i ca n dd y n a m i cp r o p e r t i e so fl o e s s t h e r e f o r e ，t h ei n f l u e n c eo fw a t e ro nl o e s sc a nb ee x p o s e db y s t u d y i n g i t sp r o p e r t i e su n d e rd i f f e r e n tw a t e rc o n t e n t s k e y w o r d s ：c o l l a p s i b l e l o e s s ，c o n s t i t u t i v er e l a t i o n ，d y n a m i c s t r e n g t h ，s t a t i cs t r e n g t h ，s e i s m i c s u b s i d e n c e i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 我国黄土分布概况 一绪论 ( 1 ) 黄土的定义。 黄土是一种第四纪沉积物，既有一系列内部物质成分和外部形态的 特征，不同于同时期的其它沉积物。同时，在地理分布上也不同于其它 沉积物，而是分布于一定的自然地理区域中，有一定的规律性。地质学 界早在十九世纪中叶即对黄土进行了较深入的研究。一般认为：黄土具 有以下全部特征，当缺少其中一项或几项特征的称为黄土状土，这些特 征是： 颜色以黄色，褐黄色为主，有时呈灰黄色； 颗粒组成以粉粒( o 0 5 o 0 0 5 m m ) 为主，含量一般在6 0 以上， 几乎没有粒径大于o 2 5 m m 的颗粒； 孔隙比较大，一般在1 0 左右： 富含碳酸钙盐类； 垂直节理发育： 一般有肉眼可见的大孔隙。 ( 2 ) 黄土的分布概况 黄土分布很广，面积达1 3 0 0 万平方公里，约占陆地总面积的9 3 。 世界上黄土主要分布于中纬度干旱、半干旱地区，广泛分布于大陆内部， 温带荒漠和半荒漠地区的外缘，或分布于第四纪冰川地区的外缘。 我国黄土覆盖面积约为6 3 万平方公里，占世界黄土分布面积的 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 9 左右；主要分布在北纬3 4 4 1 0 之间的大陆内部，南部以秦岭 伏牛山为界，北部与沙漠外缘相接，东至太行山，西到乌鞘岭一带。虽 然在此范围以外还有黄土状粘性土的零星分布，但典型黄土主要集中在 黄河中游的甘肃、宁夏、陕西、山西、河南和河北等六省。三面环山一 面沙漠的有利地形、典型的大陆性干旱气候条件和季节性尘暴是我国黄 土在堆积范围、厚度和地层的完整性得到充分发展的原因”3 。 ( 3 ) 太原黄土的分布概况 根据以往资料”川显示，太原市湿陷性黄土主要分布在汾河两岸 高阶地至黄土台地，以第四纪全新世新近堆积黄土( q 4 2 ) 、第四纪全新世 ( q 4 2 ) 和晚更新世( q 3 ) 黄土为主，且绝大部分地区属非自重湿陷性黄土。 太原地区的湿陷性黄土呈黄色褐色，含砂质较多，局部地带含少量小 砾石，可塑一硬塑状态，大孔隙结构，虫孔也较为发育，具白色钙质菌 丝及植物根系，干燥，中等压缩性，个别具有高压缩性，土质均匀，厚 度2 1 2 m ，最厚可达1 5 m 。如东山黄土厚1 4 1 5 m 。以粉土颗粒为主， 平均含量大于5 0 ，含盐量较大，特别是碳酸盐尤为突出。 2 黄土的静力学性质 ( 1 ) 黄土的本构关系 刘祖典卿等先后提出了六种不同情况下黄土( 即黄土湿陷变形以及 原状黄土、饱和黄土、挤密黄土、击实黄土、高围压下黄土) 的应力一 应交关系曲线。认为原状黄土的应力应变曲线基本上呈三种类型：脆性 破坏型，塑性破坏型，近似理想塑性破坏型：并用幂函数，双曲线，点 斜直线，指数函数等数学模型分别模拟了这几条曲线。 近年来非饱和土理论的研究推动了黄土的本构关系的发展。杨代泉 2 太原理 i 大学硕士研究生学位论文 等 6 】在双应力变量理论的基础上通过深入研究建立了非饱和土广义非 线性本构理论，该理论能够描述非饱和土的五个最基本的特性，即非线 性、剪胀剪缩性、湿陷湿胀性、流交性和温度效应。运用该理论，通过 数值分析可追踪水分的入渗过程和地基土的变形过程。 西安理工大学的刘祖典教授等人”3 提出用弹塑理论描述黄土的变 形，其屈服函数为：f ( o ) ，w h ) = 0 并取硬化参数h = “。，后者为湿陷 体应变的累加量。通过具体的计算分析，这一本构模型能反映非饱和黄 土的湿化变形。 兰州大学苗天德教授”3 提出湿陷变形系由于黄土微观结构失稳造 成的，利用突变理论建立了湿陷性黄土的微观结构失稳模型，并按照现 代连续介质力学方法推导出了湿陷性黄土的本构关系。这一研究对黄土 的湿陷变形的研究具有一定的指导意义。 胡再强埘利用充分扰动饱和粘土的孔隙比与有效应力状态之间存 在唯一关系的稳定状态原理，用屈服函数和损伤函数共同模拟原状结构 性黄土的变形，建立了能够反映黄土结构性和湿陷性的数学模型一砌块 体结构模型。 ( 2 ) 黄土的抗剪强度 1 ) 黄土抗剪强度的组成“ 非饱和黄土的抗剪强度主要由摩擦强度和凝聚强度两部分组成。摩 擦强度是土体抗剪强度的重要组成部分，由土颗粒接触面或颗粒与胶结 物质接触面上的摩擦产生，大小为土所受的外加有效正应力与内摩擦系 数的乘积，反映指标为土的内摩擦角舻。凝聚强度是非饱和黄土抗剪强 度、结构强度、抗拉强度的主要组成部分，形成凝聚强度c 的因素如下： c = c 1 + c 2 + c 3 c ，一由水膜的物理化学作用、粘土矿物颗粒的粘结和颗粒问的分子引力 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 形成的原始凝聚力； c 2 一黄土在生成过程中，聚集在粗颗粒接触点处的胶体颗粒、腐殖质胶 体和可溶盐等胶结物质形成的加固凝聚力： c 3 一非饱和土的基质吸力和毛细压力形成的强度，该强度与外力无关， 在常规剪切试验中，表现出与一般凝聚力相似的性状，应属凝聚强 度的一部分，称为吸附凝聚力。 原始凝聚力主要取决于土的颗粒组成、矿物成分、扩散层中的离子 成分和密实程度。当粘粒含量多，粘土矿物多，土越密实，则原始凝聚 力就越大；反之，则小。加固凝聚力是由化学胶结作用所形成，如黄土 在其形成过程中或形成以后，土中碳酸钙、石膏、硫酸镁、氯化钙等盐 类溶液，由于水分蒸发而产生胶凝作用，以薄膜形式包裹在土粒表面， 对土粒起着胶结作用。土生成年代越久，加固凝聚力一般也越强。天然 含水量低的黄土，由于存在架空结构，密度低，因而原始凝聚力较小， 而加固凝聚力较大。非饱和黄土的加固凝聚力与吸附凝聚力均随土体含 水量的增大而减小，直至土体接近饱和时完全消失，是不稳定不可靠的。 2 ) 黄土抗剪强度的影响因素 含水量与抗剪强度的关系 含水量对黄土抗剪强度的影响最大，随着含水量的增加，黄土的抗 剪强度降低。当黄土的天然含水量低于塑限时，水分变化对强度影响大， 当天然含水量超过塑限时，抗剪强度降低幅度小：而超过饱和含水量时， 抗剪强度变化不大。 干密度与抗剪强度关系 土的含水量相同时，密实程度越大，抗剪强度则越大。 湿陷过程中与饱和后的抗剪强度比较“1 在浸水过程中土的抗剪强度比同种土在相同压力下处于饱和状态 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 时要低1 0 - - , 1 5 ，这是由于浸水土样处在湿陷压密过程中，而饱和试样 在剪切时压密过程已基本结束。显然，黄土在某一应力状态下受水浸湿 后，湿陷处于发展过程中的强度最低，也即地基在湿陷变形过程中的稳 定性最小。 黄土的各向异性对抗剪强度的影响 由于黄土存在有垂直节理和大孔构造，因而不同的剪切方向得出的 抗剪强度有较大差别。试验表明，当剪切面平行于大孔方向时，强度最 低。另外天然含水量低的黄土受各向异性影响的程度比饱和黄土为大。 设计时应考虑黄土强度各向异性的影响。 ( 3 ) 黄土的结构强度 1 ) 结构强度的形成” 结构强度是土结构在生成过程中形成的一种胶结性的联结强度， 是结构性土特有的，伴随土体结构的生成而生成，随土体结构的破坏而 消失。黄土是在干旱半干旱条件下形成的，季节性的短期雨水把松散的 干燥粉砂颗粒粘结起来，而长期的干旱使土中水分逐渐蒸发，土孔隙中 的毛细作用使少量的水分连同溶于其中的盐类都集中在粗粉砂的接触 点处，可溶盐逐渐浓缩沉淀成为胶结物，与附于粗粉粒表面的胶体颗粒、 腐殖质胶体共同增强了土颗粒间抵抗滑移的能力，防止了土体的自重压 密，形成了以粗粉粒为主体骨架的架空结构。集合于粗粉粒接触点处的 各种胶结物质和水分子形成了胶结性的联结，该联结强度( 加固凝聚力) 与原始凝聚力、吸附凝聚力和摩擦强度共同保持着黄土的天然结构，当 黄土的天然结构在外力作用下发生破坏时，土粒间的接触点破坏，粗粉 粒接触点处的各种胶结物质和水分子形成的胶结强度逐渐丧失，吸附凝 聚力亦有部分丧失。因此，非饱和黄土的结构强度来源于加固凝聚力， 以及吸附凝聚力的增量，其大小为非饱和黄土的天然结构破坏后所丧失 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 的强度，可用原状黄土与相应的重塑黄土的应力差表示“。 2 ) 黄土结构强度的影响因素 同一种非饱和黄土在密度不变的条件下，结构强度主要受含水量 影响，随初始含水量的增大而连续降低，而且在低含水量下的降低幅度 远大于在高含水量下的。非饱和黄土的结构强度与初始含水量之间有幂 函数关系“。 黄土的结构强度是黄土的自身特性，其大小对不同固结应力比的 试验是相同的“。 3 ) 结构强度对黄土力学性质的影响 6 太原理 ：大学硕士研究生学位论文 失，黄土的结构有了显著改变“。 ( 3 ) 黄土的变形特征 黄土的变形可分为两种，一种是由于力的作用产生变形，即加荷变 形：另一种是水的作用产生变形，即增湿变形“。 1 ) 加荷变形( 压缩变形) 压缩变形是指黄土在天然含水量条件下受外荷作用所产生的变形， 土体在应力作用下被压密，孔隙减小，体积缩小产生变形。黄土的结构 性使得其e l g p 曲线分为三部分，初始段：结构强度发挥段，变形小； 直线段：结构强度被破坏，变形大；上翘段：结构强度基本消失，变形 又减小而趋压密。黄土的压缩变形对含水量非常敏感，随含水量的增大 而增大。 2 ) 增湿变形 增湿变形是指黄土在压力作用下变形达稳定后因含水量增加产生 的附加变形。通常所说的湿陷变形是其饱和浸水的特例。增湿变形特性 ( 即变形的非线性和遇水软化性) 可以用增湿变形模型( z s m 体) 描 述，通过试验可得出增湿软化非线性本构关系“。 湿陷性黄土的变形e ( 黄土在力与水共同作用下的总变形，可认 为是加荷变形和增湿变形之和“”) 可以表示为应力水平0 ，一0a 和含水 量w 的函数，即占= ，p ，w ) ，把力与水的作用及相应的变形发展过程用 空间曲线来描述，这种曲线称为应力增湿路径。力和水作用次序的各种 不同组合，可以得出不同的应力增湿路径，它们在0 一e w 空间中组 成了一个集合曲面“。 3 ) 湿陷变形 天然黄土在一定压力下充分浸水后结构迅速破坏而发生显著附加 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 下沉的现象称为湿陷“。它是黄土区别于其它类土的一个非常重要特 性，它受黄土的微结构、物质成分、孔隙比、含水量、压力等多方面的 影响。我们通常用湿陷系数、湿陷起始压力和湿陷起始含水量反映黄土 的湿陷变形特征，其中以湿陷系数最为重要。 湿陷系数是单位厚度土样在荷载作用下受水浸湿产生的湿陷量，用 6 ，表示。湿陷系数反映了黄土对水的敏感程度，湿陷系数越大，表示 土受水浸湿后的湿陷量越大，因而对建筑物的危害也越大：反之，则小。 湿陷系数用下式计算： 6 ：! 二墅 3 h o 式中：h ，一土样在压力p 作用下，下沉稳定后的高度； h 。上述加压稳定后的土样，在浸水作用下，下沉稳定后的高 度； h d - 一土样的原始高度。 天然含水量对湿陷系数的影响最大，干密度次之。湿陷系数随含水 量的增加而减小，它们之间近似呈直线关系。对于同一类黄土来说，干 密度和饱和度越小，湿陷系数越大，反之，n 4 , 。土的孔隙比越大湿陷 性越强，湿陷系数越大“”。 湿陷起始压力是指黄土在受水浸湿后开始产生湿陷时的相应压力， 从实质上说，应相当于土受水浸湿后的残余结构强度。一般取65 _ 0 0 1 5 所对应的压力作为湿陷起始压力值。 湿陷起始压力随粘粒含量的增大而增大，随孔隙比减小而增大，随 天然含水量的增大而增大，随湿陷系数的增大而减小，随土的埋深增大 而增大。 湿陷起始含水量是指荷载作用下的黄土受水浸湿时开始出现湿陷 8 太原理：l 大学硕士研究生学位论文 现象的最低含水量。对于同一种土，它并不是一常数，随压力的增大而 减小。起始含水量主要受下列因素的影响： 土的粘性、结构强度以及受水浸湿时强度降低的程度； 土在外荷或自重作用下的应力状态，作用在土上的压力越大，起 始含水量就越小。 湿陷性黄土除有湿陷起始压力外，还有湿陷终止压力，只有压力 超过湿陷起始压力而又不大于湿陷终止压力时饱和浸水才能产生显著 的湿陷变形，此压力区问段称为湿陷压力区间“”。 4 ) 黄土的湿陷原因和机理 黄土发生湿陷的原因很复杂，国内外对这个问题有着各种各样的解 释”。 毛细管假说：这种假说认为毛细压力是黄土中形成细粉粒粘结和 絮凝粘粒粘结的重要因素，毛细管产生的表面张力消失是黄土湿陷的原 因。 溶盐假说：黄土中存在大量的可溶盐，当黄土的含水量较小时， 易溶盐处于微晶体状态，附着在颗粒表面，起着一定的胶结作用。这种 胶结作用是黄土加固凝聚力的一部分，受水侵湿后，易溶盐溶解，这部 分强度就丧失了，因而产生湿陷。 水膜楔入说：低含水量黄土在细颗粒( 主要是粘粒) 表面上包裹 着的结合水膜一般很薄，溶解在其中的阴、阳离子的静电引力较强，将 表面带负电荷的粘粒连接起来，形成一定的凝聚强度。当水进入土中时， 结合膜变厚，象楔子一样将牢固连接的颗粒分开，使土粒表面产生膨胀， 体积增大，引力减弱，凝聚强度降低，因而产生湿陷。 欠压密理论：特殊的形成过程使得黄土是具有加固凝聚力的欠压 密土，一旦水浸入一定深度，加固凝聚力消失，就产生湿陷。 9 太原理1 ：大学硕士研究生学位论文 结构学说：黄土湿陷最根本的原因是黄土具有比较特殊的粒状架 空体系，这个体系首先在堆积过程中形成非正常配位的架空体系，其次 颗粒间的连接强度是在干旱、半干旱条件下形成的。其连接强度主要来 源于上覆土层的压密和少量含溶解离子的水在粒间接触处所形成的毛 细管力、双电层净势能、粒问摩擦系数以及少量胶凝物质的分子粘结力。 如果土中水量增加，毛细张力引起的法向应力将迅速减小甚至消失，有 效法向应力也会因孔隙水压增加而减少；双电层离子溶度降低，排斥能 将占优势；粒问摩擦系数降低，胶凝物质问由于水膜楔入而距离拉大， 分子粘结力变小，粒间连接强度减小，黄土结构破坏而发生湿陷。加荷 后，连接点发生滑移，在整个结构体系失去稳定之前，这些连接点的破 坏和移动只产生少量变形。继续加荷到变形明显加大，此时黄土结构中 的架空孔隙部分被破坏，部分颗粒填充到架空孔隙的空腔中。如果进一 步加荷就使所有的架空孔隙都被破坏，导致黄土结构的彻底重建，变形 又变小。 黄土的湿陷现象是一个复杂的物理、化学变化过程，湿陷的原因和 机理不是目前已提出的哪一个假说所能完全解释清楚的，它受到多方面 的制约和影响。但总的来说可以归纳为内因和外因两个方面。内因主要 是由于土本身的物质成分( 指颗粒组成、矿物成分和化学成分) 及其微 观结构，外因则是水和压力的作用。 3 黄土的动力性质 ( 1 ) 黄土动力试验方法 黄土动力特性研究的基本方法目前采用类似砂土的方法，室内多为 动三轴试验，也常用共振柱来测模量等参数，现场一般为波速试验。 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 在室内动三轴试验中根据激振方式的不同可分为两类，一类是将地 震概化为一个等效的等幅正弦波施加到试样上，以西安理工大学啪卜协” 为代表：另一类是向试样上直接施加模拟地震波形的不规则波激振，甚 至施加随机波，以兰州地震研究所h ”3 为代表。这两种方法所得的成 果在动力变化规律上基本相同，仅仅在量上微有不同，相对来说，正弦 波荷载试验的结果偏于保守。虽然不规则波与实际情况更加吻合，但是 从方便和实用角度来看，在黄土动力性质研究的动三轴试验中采用等效 正弦波荷载的方法仍将广泛使用。 ( 2 ) 黄土的动本构关系 1 ) 应力应变曲线。”。” 黄土的动本构关系基本符合粘性土的双曲线模型即： 以：l ( 1 一1 ) 吼。a + “b 占d 【l 1 ) 式中：od _ 一作用在土样上的轴向动应力； sd - 一可恢复的轴向动应变； a ，b - 一试验常数，与土性及固结状态，振动频率有关。 随着含水量的增大动应力应变曲线越见平滑。 当含水量小于缩限时，应力应变关系更趋于直线关系“。 2 ) 动模量 黄土的动弹性模量可由下式表达 易2 t 丁 “_ 2 e no d m 式中：e d - - - 动割线压缩模量； o 。一一作用在土样上的轴向动应力； 太原理工大学硕士研究生学位论文 er 一可恢复的轴向动应交； e o 初始动弹性模量； o 。一最大轴向动应力。 黄土的初始动剪切模量受含水量，固结压力，应力历史及结构性指 标的综合影响。可根据其变化规律和哈丁公式。”啪1 得到类似于下式的经 验公式2 1 ： 毛= 卅7 5 c - 0 9 5 _ ； 0 掣 ( 1 - 3 ) 式中：s ，e o - - - - 分别为试样的饱和度及孔隙比； 0 ，k 一分别为作用在试样上的平均有效固结压力和固结比， 对原状土样，可按实际压力采用； a g - - - 试验常数，由于黄土欠压密性，其值一般比哈丁公式推荐 值低。 3 ) 动阻尼比 黄土的动阻尼比分布比较离散，但大多集中在o 1 0 o 3 0 的范围内。 目前黄土阻尼特性难以得到较好的规律可能是因为黄土的结构性的影 响和应变测定方法的缺陷。一般说来，阻尼比随应变值的增加而增加， 随固结压力的增加而减小，而对含水量反映不明显。 4 ) 原状黄土动本构关系的其他影响因素 振动频率对原状黄土动本构关系的主要影响为：不同振动频率条件 下，原状黄土的动本构关系均服从双曲线模型，但试验常数a 、b 均随 振动频率的增大而略有减小。随振动频率的增大，对应于同一动应变 。，动弹性模量e d 略有增加，而黄土的阻尼比 明显增大。 随机地震荷载和等幅正弦荷载作用下的动应力应变关系是相同的， 都为双曲线关系：动模量试验曲线和阻尼比曲线也具有相同的变化趋势 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 曲1 。但变化速率不同，两种荷载作用下的动模量、阻尼比和模型参数均 有不同程度差异，随机荷载作用下的弹性模量小于等幅正弦荷载下的弹 性模量；而阻尼比和模型参数a 、b 值均大于等幅正弦荷载下的相应值。 通过现场调查的结果比较来看，如果从偏于安全角度考虑仍可以采用正 弦波荷载试验的结果。另外还发现在不同的随机地震荷载时程作用下的 模型参数和剪切模量也不相同。 强夯黄土尽管具有接近缩限的较低含水量，但因其原始结构被高能 量的夯击能所破坏，其动应力动应变关系并不象干型原状黄土那样具 有直线关系，而在动荷频率f = l 15 h z 时仍可用双曲线描述。“。饱和黄 土本构关系亦是双曲线型。 ( 3 ) 黄土的动强度及液化 1 ) 黄土的动强度 我们把不同湿度下原状黄土的动强度定义为，周期荷载使土试样在 预定振次下发生破坏所需的动应力。当含水量小于缩限时，动强度为抗 拉强度所控制，属脆性断裂破坏，固结应力比的影响不大。含水量大于 缩限时，动强度由抗剪强度所控制，属塑性压剪破坏，破坏宜以累积变 形开始迅速增大时的屈服应变为标准啪1 。 在同一固结压力下破坏动应力随含水量的增加而减小，且在含水量 小时减小的明显，含水量较大时减小的不明显，其界限含水量为塑限含 水量。 固结压力对不同地区黄土破坏动应力的影响在塑限前将因各地黄 土密度、结构性及应力历史的不同而不同。而在含水量大于塑限含水量 以后，固结压力基本消除了原生结构强度及先期固结压力等对破坏动应 力的影响，这时破坏动应力随固结压力的增大而减小1 。 2 ) 黄土的液化 1 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 液化标准和必要条件 由于黄土在成分、结构上与砂土、粉土有一定差异，动孔压一般达 不到有效围压，仅为有效围压的7 0 9 0 左右，相对液化时的残余应 变可达3 5 。因此，王兰民。建议饱和黄土初始液化的孔压标准应 制定为u d ，0 o = 0 7 ；而破坏应变为3 。 黄土液化产生的充分必要条件包括场地条件、物性指标条件和地震 动强度条件。前两者为内因，后者为外因触发条件。其中，场地条件包 括两个，一是有地形较为平坦的上更新世以来的完整黄土地层：二是有 较浅的潜水面或其他水源渗透。物性指标条件为含水量高于塑限。对一 定深度的饱和黄土层，地震动强度条件主要为峰值地面加速度等。 黄土液化的主要影响因素 黄土液化的主要影响因素为含水量、粉粒含量和地震加速度等。含 水量升高，液化程度加剧；粉粒含量越高，触发液化所需的地震动峰值 地面加速度越小。孔隙比也是重要影响因素之一。黄土孔隙微结构是影 响黄土液化的主要因素之一。其中，中大孔隙含量对黄土液化势有显著 影响，当中大孔隙含量小于1 5 时，没有明显的液化势，大于2 5 时， 具有显著的液化势。而各类孔隙含量在液化前后发生显著变化：中、大 孔隙减少，而微小孔隙含量大幅度增加。 黄土液化的机理 在一定强度的动荷载作用下，处于饱和状态的黄土中的中溶盐的大 量溶解，使中、大孔隙结构强度降低而崩溃，粉粒物质散离，落向这些 孔隙中。在此过程中孔隙体积减小，孔隙水来不及排出而导致孔压上升， 作用于土骨架的有效应力急剧降低，土的强度大幅度丧失，应变急剧增 大。 1 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 4 ) 黄土的震陷和动变形 1 ) 黄土震陷的定义m 1 黄土震陷是指在地震作用下黄土结构产生崩溃性破坏而形成的地 面或建筑物的附加下沉，它与土的残余变形密切相关。黄土震陷有两个 含义：一是土体在动荷载作用下附加沉降；二是由于土体有较高的含水 量或浸水后，土体本身有湿陷性，在动荷载作用下，产生震动湿陷。 2 ) 震陷的影响因素“” 黄土的震陷是由残余变形表示的。黄土震陷的大小除与地震动应 力大小有关外，还与土的物理性质有关。在同一动应力作用下，震陷随 土的含水量的增大而增大( 当含水量小于缩限时，可不考虑振陷) ，随 土的密度的增大而减小，随土的孔隙比的增大而增大，震陷随固结应力 增大而减小。黄土的震陷还与随机地震荷载的卓越周期、峰值和持续时 间有关。 3 ) 产生震陷的原因o “ 黄土骨架颗粒的形态、排列方式和连接形式等显微结构特征对黄土 的震陷起着决定性作用。黄土的震陷性主要是由其独特的弱胶结、大中 孔隙微结构所造成的。实验结果表明，以粒状架空结构为主的黄土震陷 性明显；而以粒状镶嵌、粒状胶结为主的黄土，震陷性较低。黄土震陷 产生的机理在于地震力剪切作用下架空孔隙结构破坏，土体在重力和压 力作用下，变得密而致。 4 ) 震陷量m 1 震陷量的大小是评价震陷是否对工程形成灾害的依据。震陷量除取 决于震陷系数的大小外，还与土层的厚度有关。预测震陷量的大小可利 用震陷曲线，采用计算沉降量的分层总和法即可得到。不同地震荷载作 用下黄土的震陷量随地震动加速度( 或烈度) 的增高而增大，但增长趋势 1 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 不同，而且随土深度的增加而增加。一般来说，对于相同的场地土，随 机地震荷载作用下的震陷量预测结果比等幅正弦荷载作用下的小。但如 果把由本区地震危险性分析和地震小区划分作出的地震动时程直接输 入动三轴得到的预测结果更接近实际。 4 黄土的微观结构1 聃1 d 劬 从上文中可以看出，黄土的力学特性是有其特殊的微结构产生的。 那么，黄土的微观结构是怎样的呢? 下面我们来简单介绍一下。 构成黄土空间结构体系的支柱是骨架颗粒。骨架颗粒可分为粒状和 凝块状两类，粒状颗粒包括带棱角的和磨圆的碎屑矿物、外包粘粒的粗 颗粒和全由粘胶微细碎屑碳酸盐胶结成的集粒。凝块是由柔性集粒进一 步软化合并而成，是黄土中钙的进一步淋溶和粘土化的结果。 骨架颗粒的连接形式可分为点接触和面胶结。点接触一般发生在刚 性集粒或碎屑颗粒之间，颗粒直接接触，接触面很小，颗粒间除包裹集 粒的粘粒膜、盐晶膜外，只有很少的盐品和粘胶微粒附在接触处，连接 强度主要是接触形成的原始凝聚力和盐晶膜形成的加固凝聚力。由于接 触面积小，连接点处平均应力大，在水浸入时，发生离子代换，水膜楔 入微隙等，削弱了连结点强度，因而在较小压力下，颗粒间连结就遭破 坏。胶结是指颗粒问接触面积较大，接触处有较厚的粘土膜或集聚相当 多的粘土片，同时也夹有盐晶薄膜的连接，这种连结具有较大的强度， 被水浸湿后，其残余强度比点接触要高。 按照孔隙半径的大小，黄土中的孔隙被分为微孔隙、小孔隙、大孔 隙和特大孔隙( 如表1 一l 所示) 。”。特大孔隙和大孔隙主要是黄土中次 生的根洞、虫孔、鼠穴、节理和裂隙以及溶蚀孔洞，一般认为这些孔隙 1 6 太原理 大学硕士研究生学位论文 是相当稳定的。土中的孔隙还可根据骨架颗粒排列方式分为架空孔隙、 镶嵌孔隙和粒内孔隙。粒内孔隙存在于起骨架作用的集粒内部，镶嵌孔 隙是骨架颗粒相互穿插交错，在比较紧密的状态下形成的粒间孔隙。架 空孔隙是由骨架颗粒松散堆积造成的，这种架空排列为菲正常配位排 列，是不稳定的。 表1 1 黄土中孔隙的分类 table1 1c l a s s i f i c a t i o no f p o r e si nl o e s s 1 分类 【 徽孔隙 i 小孔隙 i 火孔隙 l特大孔隙i i 孔隙半径( m ) l r 5 l5 一 r s 5 0i 5 0 一 阻尼的测定方法“” 土的阻尼也常用动三轴仪进行测定，首先试样在相当于原位侧压力 的各向均等压力下固结，然后在不排水条件下逐级加振动载荷，每级振 动相同次数，从应力和变形纪录中取同一时刻的应力和变形，绘成图2 2 ( b ) 所示应力应变曲线，并由此曲线计算出阻尼比系数。计算公式为： 1 1 ：毒尝 ( 2 2 ) 4 a 其中：a 一滞回曲线面积，表示加荷与卸荷损失的能量； a 一滞回曲线顶点至原点连线与横轴形成的直角三角形o a d 的 面积，表示加荷或卸荷的应变能。 中线 ( a ) 图2 _ 2阻尼系数的确定方法l ( b ) f i g 2 _ 2d e t e r m i n i n g m e t h o d o f d a m p i n g f a c t o r 2 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 3 ) 动强度的测定 动强度的确定，一般取三个相同的土试样，在同一压力下固结，然 后分别施加大小不等的动应力，绘出该动应力作用下总应变与振动次数 的关系，图2 3 ( a ) 。从中绘出动应力与振动次数的关系，图2 3 ( b ) ， 由图2 3 ( b ) 在相同振动次数下用插入法确定规定应变所需的动应力， 由此绘出一个摩尔圆。改变固结应力大小，用同样方法绘出另外两个摩 尔圆。有这三个摩尔圆就能确定动剪强度参数c d ，印“，图2 3 ( c ) 。 ( a ) i g n ( b ) ( c ) 图2 3 动抗剪强度的确定方法1 f 遮2 3m e t h o do f d e t e r m i n i n gd y n a m i c s h e a rs t r e n g t h 还有一种逐级加载法。先在预定的压力固结土样，然后分6 8 级 由小到大的逐级加载，每级载荷的大小保持不变，但各级周期和振动次 数不一定要求相等，总的振动次数控制在一定数值( 如2 0 0 次以内) ， 使其大体与预期的地震在一次主震时包含了的大小脉冲在内的总振动 次数相适应，过程如图2 4 。当参数c 和d 确定后，由下式求出动强 度： o 。= 三l( 2 3 ) c + d e t 式中e ，为总应变幅。 2 1 太原理工火学硕士研究生学位论文 岛加t m 证d ( a ) ( b ) 图2 4 逐级加裁法确定动强度 f i g 2 4d e t e r m i n i n g m e t h o d o f d y n a m i cs t r e n g t hb ys t e p b y - s t e pl o a d i n g 王兰民等人在研 究随机地震荷载作 用下黄土动强度的 研究方法时，对随机 荷载下动强度试验 的加荷方案进行了 说明。1 。该试验中所 采用的加荷方案m 1 如图2 5 所示。其 步骤为：首先将试样 ” ， 一一7 纠，b 瓢l f 。 ? 1 缨 胛 v w y ( 1 )( 2 ) 。 轴向应变 图2 5 王兰民的加荷方案 f i g ，2 _ _ 5 t h ew a n l a n m i n g sl o a d i n gp r o g r a m l 2 6 在预定的压力下排水固结，待固结变形稳定后，对试样施加一个较小的 随机地震荷载序列，在这一阶段的加荷过程中，试验由变形到产生一定 幅值的残余应变( 如图2 5 中的b 点) 。再把同一时程但幅度变大的 荷载加到同一试样上。试样进一步变形到图2 5 中b ”点所指的残余应 变。依次下去，同一随机荷载的几个序列被施加到同一试样上，而每 序列荷载的幅值都逐渐增大。如果把轴向应力和残余应变的峰值点连接 太原理工大学硕士研究生学位论文 起来，就获得一条如图2 5 中c ，c ”和c ”所示的虚曲线。这条曲线 即代表了在一套给定固结压力和随机地震荷载条件下土的动应力 残余应变关系。 ( 4 ) 动变形的测定 黄土的动变形采用单级加载的方法。一般在同一应力状态下( 围压、 固结比一定) 最少取四个试件，固结稳定后，分别对每个试件施加不同 大小但相同振次的动应力，记录残余变形量。用平滑的曲线连接着四个 点就为动应变曲线( 振陷曲线) 。简便方法分两级加载：固结变形稳定 后，分两级加动应力，每级振次相同。第一缴动应力很小，使其不产生 残余变形或者产生很小的残余变形；在保持密度不变的情况下施加第二 级动应力，使它产生残余变形，以后各级为压缩曲线。 ( 5 ) 本次试验所采用的方法 在参考了以上试验方法的基础上，本试验对不同含水量的原状黄土 试样采用逐级加动荷载的方法。具体做法是，先让试件( 直径3 9 1 c m ， 高8 c m ) 固结，待固结变形稳定后，在不排水条件下，逐级由小到大旅 加固定振次和固定频率的等效正弦波动荷载，直到试样破坏，记录试验 进行的全过程。这样得出的试验结果既可以对动本构又可以对动强度和 动变形进行分析。 2 动力试验参数的确定 ( 1 ) 频率： 地震是实际工程中重要的动荷载形式，一般为随机波。从实测地震 时程曲线分析其频谱特性，可以得出其卓越频率一般在1 4 7 2 5 h z 左 右，而基频一般在l h z 左右。据地震危险性分析，长周期的低频振动比 太原理工大学硕士研究生学位论文 短周期的高频振动对建筑物的影响更大。因此，动荷载的加载频率选择 低频，本试验中取加载频率为f = - l h z 。 ( 2 ) 破坏振次： 试验中普遍采用的是正弦波形的循环应力，由此与实际产生的差异， 在测试土的动强度时，地基动力特性测试规范( g b t5 0 2 6 9 - - - 9 7 ) “” 提出了等效破坏振次的概念来代替实际动荷载的循环作用次数，等效破 坏振次与地震震级有关。近年来，我国地震部门广泛用以下经验公式来 表示震中烈度0 0 ) 与震级