（岩土工程专业论文）饱和软粘土不排水循环特性试验研究.pdf

中文摘要 动荷载作用下饱和软粘土的特性是设计和分析不同岩土结构时需要考虑问 题，在我国沿海地区及部分内陆城市广泛分布着深厚的软粘土层，随着经济的迅 猛发展，这些地区大量建筑物的兴建引发了许多岩土工程新的问题，为保证这些 建筑物的稳定和安全，减少工程事故的发生，研究饱和软粘土在循环荷载作用下 的性状有十分重要的意义。 本文首先采用真空预压原理制备重塑饱和软粘土，探寻在制备过程中一些改 善制备土样均匀性的方法。 其次通过应力控制的循环三轴试验，研究重塑饱和软粘土在不固结不排水条 件下的循环特性。试验采用一个围压，在不同的静应力与循环应力共同作用下， 重塑饱和软粘土的循环强度和循环累积应变随静应力、循环应力、振次之间的变 化规律，并建立了其关系式。然后通过比较重塑和原状饱和软粘土的u u 循环特 性，得出相对于原状饱和软粘土，重塑软粘土u u 静强度明显降低，降低幅度大 约在5 0 以上，此外还得出循环荷载作用下饱和软粘土中将产生孔压而引起土体 强度的软化，原状土随振次的变化幅度明显，而重塑土随振次相对变化幅度不是 那么显著。 最后在模拟实际土层k 。固结状态的前提下对重塑饱和软粘土进行循环三轴 实验，试验采用三个不同围压，研究循环强度和循环累积变形随围压、静应力、 循环应力、振次之间的变化规律。得出对于任意选取的1 2 个循环破坏振次，破 坏时的粘聚力随循环破坏振次的增加逐渐减小，破坏时的内摩擦角随循环破坏振 次的增加也逐渐减小，进一步分析研究发现可以用c o u l o m b m o h r 准则来描述固 结不排水条件下饱和软粘土的循环破坏。并通过对循环累积变形的研究得出对于 破坏振次小于2 0 0 0 时围压对循环累积变形是存在影响的，而对于2 0 0 0 以上没有 破坏的情况可以不考虑围压对循环累积变形的影响。 关键词：饱和软粘土真空预压循环三轴试验循环强度循环累积应变 a b s t r a c t 1 1 1 ep r o p e r t i e so fs a t u r a t e dc l a yu n d e rc y c l i cl o a d i n ga r ev e r yi m p o r t a n tp r o b l e m t h a ts h o u l db ec a r e f u l yc o n s i d e r e dw h e np e o p l ed e s i g na n da n a l y z ed i f f e r e n t g e o t e c h n i c a ls 仃1 l c t l h e s w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fe c o n o m y t h e r ea r em a n yn e w p r o b l e m si nc o a s t a lc i t i e sa n di n l a n dc i t i e sw h e r e1 0 t so fs 1 n l r e sw e r eb u i l to nd e e p s o r el a y s t og u a r a n t e et h e s eb u i l d i n g s s a f e t ya v o i d i n ga c c i d e n t s ，i ti sm e a n i n g f u lt o s t u d yp r o p e r t i e so fs a t u r a t e ds o rc l a y su n d e rr e p e a t e dl o a d i n g t l l i sa r t i c l ef i r s tu s e st h ep r i n c i p l eo fv a c u u mp r e l o a d i n gt op r e p a r et h es a t u r a t e d s o f tc l a y , s e e k i n gt op r e p a r et h ep r o c e s so fp r e p a r a t i o no fs o i ls a m p l e st oi m p r o v e u n i f o r m i t yo fm e a n s f u r t h e r , t h r o u g hc y c l i ct r i a x i a lt e s t sc o n t r o lo ft h ec y c l eo fs t r e s st e s t ，r e s e a r c h i n g t h ec y c l i cp r o p e r t i e so fd i s t u r b e ds o f tc l a y su n d e rt h eu uc o n d i t i o n 1 1 1 ec y c l i c t r i a x i a lt e s t sw e r ec o n d u c t e du n d e ro n ec o n f i n i n gp r e s s u r e ，c y c l i cs t r e n g t ha n dt h e c y c l i ca c c u m u l a t i v es t r a i nv e r s u st h en u m b e ro fc y c l e s 、s t a t i cs t r e s s e sa n dc y c l i c s t r e s s e sw e r ed e t e r m i n e du n d e rd i f f e r e n tc o m b i n e ds t a t i ca n dc y c l i cs t r e s s e s ，a n d e s t a b l i s hi t sr e l a t i o n s h i p t h e nb yc o m p a r i n gt h eu uc y c l i cp r o p e r t i e so fd i s t u r b e d a n du n d i s t u r b e ds a t u r a t e ds o f tc l a y , w ec a l ld r a wt h ec o n c l u s i o no fc o m p a r i n gw i t h t h eu n d i s t u r b e ds a t u r a t e ds o f tc l a y t h eu us t a t i cs t r e n g t ho fd i s t u r b e ds a t u r a t e ds o f t c l a yw a ss i g n i f i c a n t l yr e d u c e ，t h er a t eo fr e d u c i n ga b o u t5 0p e r c e n ta b o v e ，i tw a sa l s o c a nd r a wt h a tt h e r ew i l lp r o d u c eap o r ep r e s s u r ei ns a t u r a t e ds o f tc l a yu n d e rc y c l i c l o a d i n gw h i c hw i l ls o f tt h es o i ls t r e n g t h , a n dt h er a t eo fu n d i s t u r b e ds a t u r a t e ds o f t c l a yc h a n g eo b v i o u s l yv e r s u s ；h en u m b e ro fc y c l e sw h i l et h er a t e o fd i s t u r b e d s a t u r a t e ds o f tc l a yi sn o ts i g n i f i c a n t f i n a l l y , u n d e rt h ep r e m i s eo fs i m u l a t i n gt h ek oc o n s o l i d a t i o n , c y c l i ct r i a x i a l t e s t sw e r ec o n d u c t e du s i n gd i s t u r b e ds a t u r a t e ds o f tc l a ys a m p l e su n d e rt h r e ed i f f e r e n t c o n f i n i n gp r e s s u r e s ，s t u d y i n gc y c l i cs t r e n g t ha n dt h ec y c l i ca c c u m u l a t i v es t r a i nv e r s u s c o n f m i n gp r e s s u r e s 、t h en u m b e ro fc y c l e s 、s t a t i cs t r e s s e sa n dc y c l i cs t r e s s e s a n dc a n d r a wt h a tb ya r b i t a r ys e l e c t i o no f1 2c y c l eo fd e s t r u c t i o n , t h ec o h e s i v ef o r c ew i l l g r a d u a l l yd e c r e a s e dw i t ht h en u m b e ro fc y c l e si n c r e a s e ，w h i l et h ei n t e r n a lf r i c t i o n a n g l ea l s os h o wt h es a m ef 色a t l l r e s t h r o u g hf u r t h e rr e s e a r c hw ec a nf o u n dt h a tt h e c o u l o m b - m o l a rc r i t e r i ac a nb eu s e dt od e s c r i b et h ec y c l eo fd e s t r u c t i o no fs a t u r a t e d s o f tc l a yu n d e rc uc o n d i t i o n b yt h er e s e a r c ho fc y c l i ca c c u m u l a t i v es t r a i n ，w h e nt h e c y c l eo fd e s t r u c t i o nl e s st h a n2 0 0 0 ，w ec a nd r a wt h a tt h ec o n f i n i n gp r e s s u r e sh a v ea e f f e c to dc y c l i ca c c u m u l a t i v es t r a i n , w h i l et h ec y c l eo fd e s t r u c t i o nm o r et h a n2 0 0 0 ，i t c a l ln o tc o n s i d e rt h ee f f e c to f c o n f i n i n gp r e s s u r e so nc y c l i ca c c u m u l a t i v es t r a i n k e yw o r d s ：s a t u r a t e dc l a y , v a c u u mp r e l o a d i n g ，c y c l i ct r i a x i a lt e s t s ，c y c l i cs t r e n g t h , c y c l i ca c c u m u l a t i v es t r a i n 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，也不包含为获得苤盗盘鲎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。 学位论文作者签名： 秀奄 签字日期：2 3 年月p 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤壅盘鲎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。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：谬髫 导师签名： 签字日期：抛8 年6 月f d 日 签字日期：2 日 第一章绪论 第一章绪论 软土在我国的沿海、沿江地区有广泛分布，与港口、机场、城市、道路和隧 道等工程建设关系密切。由于其在漫长的地质演变过程中，受应力历史，应力条 件，排水条件和结构特性的综合影响，软土成了一种多相分散系，并具有多孔性， 导致了其力学特性的区域性和复杂性。同时，软土的含水量高，压缩性大，灵敏 度高，渗透系数小，抗剪强度低，工程性质较差【l 】。因此，在工程建设中，软土 的力学特性是大家首要面对的问题。 1 1 粘土的循环特性研究的背景和意义 随着经济的迅猛发展，软粘土地区高层建筑、高速公路、近海平台的大量修 建。动荷载作用下饱和软粘土的特性是设计和分析许多建筑结构时需要考虑的问 题，如地震荷载作用下土体结构的稳定和变形分析、深厚软粘土层的地震响应、 建筑物下部地基与结构的相互作用研究等等。很多情况下由于粘土的动荷载特性 不清楚，导致了许多重大的灾难。如1 9 8 5 年9 月的墨西哥地震；1 9 6 4 年阿拉斯加 大地震中第四大街的滑移；1 9 6 4 年n ii g a t a 地震后的大滑坡；以及c a m i l l e 咫风过 程中密西西比河三角洲的海底大滑坡等掣2 。 座落在软粘土地基上的建筑设施在动力荷载作用下产生沉降，迄今观测到的 大体可分为三类：( 1 ) 地震荷载作用下，建筑物在瞬间内突发性超量沉陷以及不 均匀沉降导致建筑物显著倾斜。如1 9 7 6 年唐山地震中，天津塘沽新港地区饱和软 粘土地基上的一些建筑物震陷，震陷量达n 3 0 c m 左右【3 1 ；1 9 5 7 年和1 9 8 5 年墨西哥 大地震以及1 9 5 7 年日本宫城冲地震，都导致软土地区发生严重的震陷。( 2 ) 大量 修建在软粘土地基上的飞机跑道、机场停机坪、过江隧道以及公路和铁路的路基 在相应的交通荷载作用下发生不均匀沉降。日本道路协会曾对交通荷载引起的基 础沉降作过一些实际观测，发现在道路路堤和路面荷载引起的沉降基础上，增加 了交通以后的新沉降。这种新沉降是由交通荷载引起的( 4 】。( 3 ) 大脉冲的爆炸荷载 引起突发性沉陷及不均匀沉降，这种沉降具有明显的速率效应。 动荷载中的地震荷载是一种短期的循环荷载，在地震期间，粘土层可视为处 于不排水状态，而各类交通荷载是一种长期的循环荷载，此时，粘土层可视为部 分排水。饱和软粘土在动荷载作用下引起的残余变形可以分为两部分：动荷载作 第一章绪论 用下土体中的不排水残余应变引起的瞬时变形和土体中孔隙水压力消散引起的 再固结变形。正确估算建筑物在循环荷载作用下的沉降，对实际工程具有重要的 意义【5 1 。 此外近几年来，移动式海洋平台在油田开发中得到了广泛的应用，桶型基础 作为一种新型移动式海洋平台基础，在近海边际油田的开发中有着广阔的应用前 景。而近海浅滩地区分布着大量的软粘土，如何评价软土地基上桶型基础的循环 承载力，尚没有很好的借鉴。海洋环境下一次风暴作用的时间可长达十几小时甚 至几天，期间孔压的累积会引起砂质海床的液化，或者使海洋软土地基在循环荷 载作用下弱化。弱化后的海洋软土地基会使桶型基础承载力有明显下降，循环荷 载的作用也可能使桶型基础底部区域的负压降低，从而导致桶型基础底部反向承 载力降低。同时由于循环荷载作用造成软土地基累积变形，使基础可能由于过大 的变形累积的结果而导致基础失稳破坏 6 1 。 综上所述，在很多工程建设中，由于缺乏对软粘土的循环特性的研究，导致 了许多重大的灾害，因此对于软粘土在循环荷载下的动力特性研究就显得尤为重 要，本文拟对在循环荷载作用下饱和软粘土在不同条件下的动力特性进行试验研 究，探讨饱和软粘土在不固结不排水与固结不排水循环荷载下的变形和强度的变 化规律，得到的一些结论对进一步研究重力式基础下软土地基循环承载力有重要 参考意义。 1 2 粘土的循环特性的研究现状 饱和软粘土循环动力特性的研究主要包括循环本构关系、循环强度和循环 累积变形方面。下面就国内外对于饱和软粘土在循环荷载作用下的动力特性研究 情况做一个简要综述。 1 2 1 关于循环荷载下饱和软粘土本构模型的研究现状 研究循环荷载作用下土体的性状，关键在于有一个能反映土体实际变化情 况的应力一应变模型即本构模型。由于循环荷载作用下粘土的孔压有明显的滞后 效应，因而较难用有效应力与应变关系来反映，现有模型往往是建立在总应力路 径下的应力一应变模型。 目前己经提出的总应力路径下的非线性动本构模型大致可分为3 大类，包括 非线性全量理论，弹塑性理论及内时理论。 非线性全量动本构理论有等效线性模型和曼辛( m a s i n g ) 型非线性模型。等 效线性模型把土视为粘弹性材料，它不建立具体的应力一应变关系，而采用随剪 一 第一章绪论 二 应变幅和有效应力状态变化的等效弹性模量和等效阻尼比表示。曼辛型非线性 模型则针对不同的加载条件直接给出动应力一应变关系式，通常在给出初始加载 条件下的动应力一应变关系式( 骨干曲线方程) 之后，利用曼辛2 倍规则得出卸荷和 再加荷条件下的动应力一应变关系式( 两者构成滞回曲线方程) 【7 】。 非线性模型中较经典的是r - o 模型和h g 模型，它们的应力与应变关系曲线 分别如图1 7 1 和图l 2 所示。r o 模型是建立了剪应力和剪应变之间的关系；h d 模型是根据双曲线型的应力一应变关系提出的，h d 模型、r 0 模型、双线性模型 及有些组合曲线模型均属于曼辛型的非线性模型，由这类模型也可以求出上述的 等效弹性模量和等效阻尼比。为了使这类动本构模型更接近实际测定的动应力一 应变曲线，王志良等引分别对曼辛规则进行了修正和扩充，使其适用于描述不规 jw 黝? 幽r i c ) y _夕 ， 该一 1 - 1- r - ，l i ， 膨 一l h 图1 1r a m b e r g o s g o o d 模型的应力 与应变关系曲线 印 。7绎 二彩翮震 1 呷衄 r ，t r t 毯兹矽 1 i i 1 一 l 鲤 l i ，l - 蕾， l i i 1 1 l i i y ， 燧 l l ， l 夕：c ， 髫璧毫 i 一” 图1 2h a r d i n d m e v i c h 模型的应力 与应变关系曲线 非线性全量模型在土动力学中应用很多，能较合理地确定土体在地震时的加 速度、剪应力和剪应变。但这类模型不能考虑影响土动力变形特性的一些较重要 的因素，例如： ( i ) 非线性模型在加荷与卸荷时模量相同，因而不能计算土体在循环荷载作 用下发生的残余变形。 ( 2 ) 不能考虑应力路径的影响。应力路径不同，土体的加荷、卸荷的滞回圈 所消耗的能量也不同，土体的模量与应力路径有很大关系。 。一。 一 ， 一 ， 点 第一章绪论 ( 3 ) 不能考虑土体的各向异性。土体所固有的各向异性反映了过去的应力历 史对土性质的影响，而非线性模型不能反映这种影响。 基于上述各点，根据屈服条件、流动法则和硬化规律所建立的弹塑性模型能 较真实的反映动荷载下土体的应力一应变关系，然而弹塑性模型还只是当前探讨 的课题，它对土的动应力一应变关系虽只可以作为初步的估算方法，但它却有很 明显的发展前途。 土的弹塑性模型建立在弹性理论和塑性增量理论基础之上。它将土的应变分 解为可恢复的弹性应变和不可恢复的塑性应变，并分别用弹性理论和塑性增量理 论计算。它包括破坏准则和屈服准则、硬化规律、流动法则三部分内容，对这三 部分内容的假定不同，就形成了许多不同的本构模型理论，其中硬化规律中的运 动硬化，是塑性理论用于循环加载情况的关键。 多屈服面模型见图1 3 采用了非等向硬化规律，它把等向硬化和运动硬化结 合起来。等向硬化的概念由边界面代表，边界面是土在初始加载过程中所受最大 加载应力所对应的屈服面。由多重屈服面计算得到的应力一应变曲线与试验曲线 相比较，初次加荷曲线很符合，但卸载曲线不一定能符合。这种方法用于有限元 计算的困难就是要跟踪每一个单元中所有各圆位置的移动，而这一困难可以用边 界面模型来解决。 r f ， 矛_ 一 ， 叱笪 一 ， 峄 磊_ 。v ， 、 、 图1 3 多重屈服面模型图1 4 边界面模型 国内对边界面模型研究较晚见图l - 4 ，郑大同( 1 9 8 3 ) 【9 】以1 w a n ( 伊万) 模型为基 础，用一种特殊的塑性元件代替1 w a n 模型的库仑滑块，提出了一个新的物理模型 来描述循环荷载下土体非线性本构关系；谢一环等【l 川( 1 9 8 6 ) 提出了适用于复杂加 载的本构模型，并给出了它的近似解析积分方法；要明伦掣川( 1 9 9 4 ) 根据p r e v o s t 模型的基本原理，将动模量弱化公式应用于软土的动变形计算；王建华等【1 2 】 ( 1 9 9 6 ) 根据非等向硬化模量场理论建立了增量的弹塑性模型，描述了土体的等向 弱化和蠕变； 第一章绪论 目前已发展的各种弹塑性动本构模型，与非线性全量理论相比，理论基础坚 实，适用条件广泛，能够较好地模拟粘土的各向异性，这类模型最大的优点是可 以计算出土体的永久变形。但这类模型要么是针对排水条件，要么是针对不排水 条件提出的，没有计及部分排水条件下非恒定动力渗流对土动本构关系的影响， 且这类模型均是与速率无关的，而且大部分模型中参数较多且确定方法不统一， 甚至有的参数物理概念不明确，不能反映土体的一些特性。因此尚需在现有研究 基础上使弹塑性动本构理论逐步加以发展和完善。 1 2 2 关于循环荷载下饱和软粘土的变形和强度研究现状 由于土的物理性状的多样性和动荷载的多样性，土的循环应力应变关系非常 复杂，许多学者用不同的方法，从不同的侧面对这个问题进行了研究。 1 由于粘土渗透性差，当循环荷载传递给地基时，地基土往往在上部结构重 力作用下尚未完成固结，通常利用不排水条件下的动力试验来研究粘土的循环强 度与初始静应力、动应力以及循环振次之间的变化规律。 文献 1 3 中将循环强度定义为一定循环次数下，土样达到破坏时静、动应力 的组合，循环强度的大小与循环荷载的振次、静荷载、循环荷载的大小以及作 用方式有密切的关系。同时，与土的物性指标以及固结状态和破坏标准的选取等 也有关。当土的物性指标确定后，在一定的破坏标准下，影响土循环强度的主要 因素有三个方面：a 循环荷载作用前土体的初始应力状态；b 循环荷载的大小以 及作用方式；c 循环荷载作用次数【1 4 j 由于地基土的循环强度不仅取决于循环荷载的大小，而且取决于循环荷载作 用前地基土单元初始静应力的大小，以及循环破坏次数。王建华【l5 】曾提出了一种 评价软土地基循环承载力的拟静力法。他首先定义土的循环衰减强度为在一定的 循环应力作用下经过一定的循环次数、土样破坏时所能承受的最大静应力。通过 循环三轴试验确定不同的循环振次下，土的循环衰减强度与等效静应力之间的关 系。进而，通过有限元数值计算由地基土单元中初始静应力的大小，就可以确定 一定的循环破坏次数下，地基土单元的循环衰减强度。将循环荷载对地基土的影 响等效为一种与地基土单元初始静应力有关的地基土静强度的弱化。 2 目前关于动荷载下土体变形的研究，主要集中在动荷载作用下引起的附加 振密变形，这种变形如果发生在己建成的建筑物地基中，将引起建筑物的附加振 陷，如发生在建筑物建造之前，则将引起土体的振动加密，达到地基加固的目的。 以及研究土粒特征、土体结构、初始密度、饱和度、超固结比、初始应力状态、 动荷载的强度、振次、频率、振动持续时间等因素对动变形的影响。 研究软粘土循环累积变形的方法有两种：一种是建立较为复杂的软粘土本 第一章绪论 构模型，来模拟循环过程的每一个循环，如王建华【1 6 采用基于运动硬化的套叠屈 服面模型和钟辉虹等【l r ，j 各向同性弹塑性边界面模型来模拟软粘土不排水条件下 受循环荷载作用的累积变形规律。这种方法对于计算循环次数达到十万、百万次 时，计算量很大，工程应用有较大难度。 另一种方法是经验拟合法，建立土体循环累积变形与土的初始固结特性、 静应力状态、动应力及循环次数的关系的拟合曲线。最常用的模型是m o n i s m i t h 1 8 】 提出的指数模型，得出软粘土的塑性累积应变与循环次数的关系，如下式： s p = a n 占( 1 1 ) 式中：郎为塑性累积应变，为循环荷载振次。上式能够说明循环荷载振次的影 响，对于其它各种影响因素的描述包含在系数彳和丑中。 l i 和s e l i g 1 9 1 考虑了土体的类型和物理状态的影响，引进土体的静强度参 数，通过室内试验的结果对指数模型进行改进。c h a i 和m i u r a 2 明又在l i 和s e l i g 的模型基础上，考虑到土体的初始静偏应力，提出了一种新的指数经验公式模型， 用来预测软粘土上低路堤在交通荷载作用下的沉降见式1 2 。 s p = 口粤) ”( 1 + 争) ”6 ( 1 - 2 ) q rq 式中：劬为动应力，q s 为初始静偏应力，g ，为静破坏偏应力。式( 卜3 ) 考虑了初 始静偏应力的影响，但对动静偏应力的耦合效应未能进行考虑。 刘振纹 2 1 1 用下式描述了软粘土不固结不排水条件下，循环累积应变的变化 规律： 郎：f e b 岳，i 弦e ，i ，) ( 1 - 3 ) 式中：f ，4 ，b 为待定的试验函数，对于无应力反向和有应力反向的情况，它们 有不同的函数表达式，反映静应力、循环应力、循环次数等对循环累积应 变的作用和影响。次数为循环。 3 围绕复杂的海洋荷载条件以及海洋土的特殊性，国内外学者进行了许多相 关的研究工作。从二十世纪八十年代末到九十年代初，挪威土工研究所的 a n d e r s e n 等对受到风浪等循环荷载作用时，地基土体的受力状况和基础稳定性进 行了研究。他首先采用假设潜在滑动面的分析方法，对地基土体的不同部位，按 第一章绪论 照所假设的受力条件，采用二维极限平衡法，在受力计算时，将圆形基础转化为 等效矩形面积，并且需要将三维问题简化为二维问题进行求解。首先在固结不排 水条件下进行大量的土动力试验，根据滑动面上不同位置的受力情况，采用了循 环单剪、循环三轴压缩和循环三轴拉伸三种试验方法来模拟2 2 1 ，见图1 5 。 m 铽 图1 - 5 假设滑动面上不同部位的受力情况 国内对于饱和软粘土的循环特性研究工作很多 2 3 】- 2 8 】，浙江大学周建，龚晓 南【2 9 】曾对饱和软粘土在循环荷载作用下的动力特性做过研究，他们通过应力控制 的循环三轴试验对循环荷载作用下影响饱和软粘土特性的因素，如循环应力比、 加载周数、加载频率、超固结比等进行了研究，得到了有益的结论，并给出描述 孔压、循环累计应变与循环应力比与加荷周期的具体表达式，便于实际工程应用。 但本研究工作没有考虑初始静应力和围压对累积变形的影响。同济大学黄茂松， 李进军【3 0 】也曾对循环荷载作用下饱和软粘土的动力特性做过研究，分析了影响软 粘土塑性累积变形的主要因素：循环荷载的作用次数，初始静偏应力和循环加载 动偏应力。基于临界状态力学理论，引入了相对偏应力水平参数，考虑初始静应 力、循环动应力和不排水极限强度的相互影响，研究了不同静、循环动应力组合 应力历史影响下饱和软粘土的不排水循环累积变形特性，但该研究工作没有考虑 围压对循环累积变形的影响。 国内对于饱和软粘土的循环特性大多是在不固结不排水的条件下进行的，研 究结论对于评价软土地基的短期稳定性有一定的研究意义，而对于在其它条件下 的研究情况很少，且一些学者对于软粘土在固结不排水条件下的动力特性研究， 第一章绪论 固结过程都是在等压固结状态下进行的，这对于模拟实际地基土层k 。状态下的 固结存在一些偏差。 1 3 主要研究工作 基于目前循环荷载作用下饱和软粘土特性的研究现状，本文的研究主要从以 下几个方面展开： 1 重塑和原状饱和软粘土的u u 循环特性试验比较 文献 1 4 曾通过不固结不排水循环三轴试验，在三个围压下，系统研究天津 滩海地区的原状饱和软粘土u u 循环特性，研究了每个围压下粘土在不同的动 静应力共同作用下，循环强度和循环累积应变随静应力、循环应力、循环次数的 变化规律。对试验结果从循环强度和循环累积应变两个方面进行了分析，得出结 论认为，不固结不排水条件下试验土样的循环累积应变s 。随循环次数的变化关 系只与土样受到的静应力比和动应力比以及循环振次有关，围压的影响可以略 去。 试验用上述原状土样通过真空预压原理制备重塑饱和软粘土试样，在与上述 相同的试验方法下采用一个围压通过不固结不排水循环三轴试验，研究在不固结 不排水条件下重塑饱和软粘土循环累积应变的发展变化规律和循环强度随静应 力与循环应力随循环破坏次数的变化规律，并得到其关系式。 并通过两次的试验结果分析和比较重塑和原状饱和软粘土的u u 循环特性。 2 重塑饱和软粘土的c u 循环特性试验研究 试验土样是采用塘沽地区原状土通过真空预压法制备的重塑饱和软粘土，在 模拟实际土层k 。固结状态的前提下采用三个不同围压下即：2 5 k p a ，5 0 k p a 和 1 0 0 k p a ，分别进行了不同循环应力和静应力组合下的循环三轴试验，研究在每个 围压下粘土在不同的动静应力共同作用下，循环强度和循环累积应变随静应力、 循环应力的变化规律，对试验结果从循环强度和循环累积应变两个方面进行了分 析。 研究在k 。固结不排水条件下饱和软粘土循环强度和循环累积变形随初始静 应力、循环应力、破坏振次、围压这些因素之间的关系，建立循环累积变形与这 些因素的具体表达式。并进一步研究当循环破坏振次一定时，在不同静、动应力 组合下，试验应力状态确定的饱和软粘土在固结不排水条件下循环破坏遵循什么 屈服破坏准则。 第二章真空预压法制备试验重塑饱和软粘土 第二章真空预压法制备试验重塑饱和软粘土 软土的特点是含水率很高、孔隙比大、压缩性高、强度低、透水性差，由于 压缩性高、透水性差，软土层在建筑物荷载的作用下会产生很大的沉降和沉降差， 而且沉降的过程会延续很长的时间，有可能影响建筑物的正常使用，因此需对其 进行处理，处理的目的有两个：一是提高天然地基的承载能力，使其达到设计要 求；二是预先消除在使用荷载下所产生的变形，使建筑物在使用期间不致产生不 利的沉降或者沉降差【3 1 1 。 真空预压法是一种新型的地基处理方法，由于真空预压在加固软基方面具有 施工工期短，加固效果好，经济效益明显等特点目前己被广泛采用【3 2 1 。真空预压 法最早是瑞典皇家地质学院杰尔曼教授( w k j e l l m a n ) 于1 9 5 2 年提出的，随后有关 国家相继进行了探索和研究。真空预压法是在软土地基中设置排水体系，在上面 覆盖不透气的密封膜，通过对排水体系进行长时间不断的抽气抽水、在地基中形 成负压区，由于内外压差的作用使软粘土达到排水固结的目的【3 3 】。我国于5 0 年 代末6 0 年代初开始对该法进行研究，目前已广泛应用于加固淤泥质土、淤泥、 素填土和冲填土等软弱地基。本文运用真空预压法原理，通过控制土样含水量 指标，制备重塑饱和软粘土。 2 1 真空预压原理制备重塑土样 为了得到本文试验所用的土样，共进行了大小三次真空预压制备土样过程， 从一开始制备的土样均匀性较差到后来通过改进方法，最终得到了均匀性较好的 饱和软粘土，在这三次的制各过程中取得了一些宝贵的经验，下面就真空预压原 理制备重塑饱和软粘土过程做一简要综述。 采用真空预压法制备试验土样，自行研制的真空预压装置见图2 1 。试验装 置由三部分组成，即真空泵，真空水罐和土样制备箱。 真空泵主要作用是用来抽气以制造要求达到的真空度。自行研制的真空水罐 是一个密封罐，通过开关可以方便控制进气、排水和进水。其中，进气孔与大气 相连，进水孔与土样制备箱的出水孔相连。真空水罐上端装有真空压力表，以便 随时观测土样制备箱内部的真空度。真空水罐一端与真空泵相连，另一端连接于 土样制备箱。一方面可以起到控制水罐和土样制备箱内部真空度的作用；另一方 第二章真空预压法制备试验重塑饱和软粘土 面可以汇集从土样制备箱中滤出的水分。 制备重塑与原状饱和软粘土的u u 循环特性比较试验时土样制备箱尺寸采 用6 6 0 m m 4 6 0 m m 3 5 0 m m ；制备重塑饱和软粘土的c u 循环特性试验时土样制 备箱尺寸采用7 0 0 m m 4 5 0 m m x 5 0 0 m m ；详见图2 2 。在土样制备箱的下面铺设 排水管道，通过出水孔并连接水管与真空水罐相连，将土样中滤出的水分汇聚到 真空水泵中。然后是反滤层，反滤层为平均粒径2 m m 的粗砂，反滤层厚度为 5 0 m m 。反滤层的上面是土工布，用土工布将土样完全包裹起来，其作用是在土 样与其下粗砂反滤层之间形成渗流通道，以便土样中水分能均匀渗流。然后在制 备箱上面用柔性膜把土样密封，作用是在抽真空时产生足够的负压与大气压形成 压力差，土样中水分在压力差的作用下被排出。 气管f 二压力麦 图2 1 自行研制的真空预压装置 塑料膜蜜封 塑渥一 王查 粗砂 出水口一 土样制备箱 水旦 挂丞筻道一 图2 - 2 土样制备箱详图 第二章真空预压法制备试验重塑饱和软粘土 2 2 土样含水量与排出水量之间的关系 土样含水量定义为土中水的质量与土粒质量之比 3 5 1 。假设加水充分搅拌后的 泥浆总质量为a ( k g ) ，泥浆含水量为( ) ，则泥浆中干土质量为s ( 蚝) ，水 的质量为彳s ( k g ) 。 设制备的重塑土样的含水量为耽( ) ，排出的水质量为z ( k g )，则： w t ：a - s - z 1 s 整理式( 2 - 1 ) 可得排出水量： ( 2 - 1 ) z = s ( w l w 2 ) ( 蚝)( 2 - 2 ) 根据式( 2 2 ) 可以在测得排出水量的前提下控制所需制备的软粘土含水量。 2 3 制备结果总结 取一定量的干土样，加足量的水充分搅拌成泥浆后倒入土样制备箱中，然后 上面铺设一层塑料薄膜，在塑料薄膜和土样制备箱缝隙处抹上淤泥，使土样密封 以便达到抽真空的真空度，然后在不低于9 0 真空度下开始对密封土样不间断进 行真空预压，在密封室内外压差的作用下，土内水分不断地被排出，实践表明， 当土中的含水量逐渐减小到一定程度时，需要关闭真空泵，让土层静止1 2 小时 以上再进行真空预压才能获得比较好的均匀预压效果。 在制备过程中随时监控排出水量和制备箱的气密性，并记录排出的水量，当 土样中渗出水量按照式( 2 2 ) 为你控制的含水量时，停止抽气抽水，试验完毕。待 静置一段时间后，打开密封的柔性膜，倒出制备的软粘土块，然后用钢丝切成小 块的土试样，并用保鲜膜密封起来，放入密封罐内等待试验。 由于在第一次制备的过程中土样制备箱中没有采用任何的的增加渗透通道 的措施，导致了第一次制备的土样周围含水量低中间含水量高，土样均匀性较差， 就象“夹心鸡蛋”一样，这说明是由于在制备过程中排水不畅导致的结果，后来 总结经验改进了方法，为了使制备的土样尽可能的均匀，采用铁丝网绑扎成网状 构造把制备的泥浆分割成上下两层，每层四小块，以此来增加其渗透路径见图 2 3 ，实验结果达到了预期的效果，制备的土样均匀性较以前有了明显改善。 第二章真空预压法制备试验重塑饱和软粘土 图2 - 3 绑扎成网状构造的铁丝网 重塑u u 试验时共制备试验土样近4 0 个，重塑c u 试验时共制备试验土样 近1 2 0 个。结果说明通过真空预压原理制备重塑饱和软粘土试样，预测的含水量 和实际的含水量差值在4 。重塑土样的平均含水量见附录1 - 2 ，这些结果显示 重塑饱和软粘土均匀性良好满足试验要求。井通过试验，测定了该重塑土样的 平均容重、液塑限物性指标。 第三章重塑和原状饱和软粘土的u u 循环特性比较 第三章重塑与原状饱和软粘土的u u 循环特性比较 本章采用一个围压对重塑饱和软粘土进行不固结不排水循环三轴试验，试验 研究重塑饱和软粘土的u u 循环特性。在已有原状饱和软粘土的u u 循环特性研 究成果的基础上，通过两次的试验结果分析和比较重塑和原状饱和软粘土的叫 循环特性。 3 1 试验方案 3 1 1 试验仪器 试验在h x 1 0 0 型多功能伺服控制动静三轴仪上进行，仪器由静压、排水控 制、试验控制、压力室、参数测试几部分组成。配套系统有：真空抽气系统、计 算机辅助系统。此台仪器可以进行无侧限压缩试验、三轴试验、固结试验。压力 由气压装置施加，加荷过程由伺服阀反馈控制，采用应力控制方式。整个试验过 程由微机控制，试验方案输入后，试验数据( 轴向应变、轴向应力、孔压、时间) 可由计算机自动采集储存，同时试验过程中可用h o n e y n e l l 1 4 0 0 型热敏记录仪同 步监控数据曲线，供试验结果分析和处理。 3 1 2 试验土样 试验土样采用天津塘沽滩海地区的原状饱和软粘土制备的重塑饱和软粘土， 该土样的基本物性指标见附录l 。试验所用试样按土工试验规程进行制备， 采用旋转切削方法把制备的土样切削成直径为3 9 1 m m ，高为8 0 0 r a m 的试样。 3 1 3 试验步骤 参考土工试验规程( s l 2 3 7 1 9 9 9 ) t 3 6 1 ，在应力控制条件下进行不固结不排 水静三轴试验( u u 动静三轴试验) 。试验步骤如下： ( 1 ) 将试验土样安置在三轴压力室内，然后给土样施加围压仃，以模拟实际 土层受到的上覆压力，本次试验采用一个围压即1 0 0 k p a ，同时测量试验土样的 孔隙水压力系数b 。试验结果表明，全部土样的b 0 9 5 ，本次试验制备的重塑 土样确实为饱和软粘土。 第三章重塑和原状饱和软粘土的u u 循环特性比较 ( 2 ) 首先进行静三轴试验，在应力控制条件下，采用逐级加荷方式当土样轴 向应变超过1 5 时，停止加载，绘制土样轴向应力应变曲线，依据应力应变曲线 取轴向应变达到1 5 的标准为试验土样的不固结不排水静压缩强度( u u 强度) 6 f o ( 3 ) 然后进行循环三轴试验，首先沿土样轴向施加静应力仃，用以模拟循环 荷载作用前地基土单元受到的初始静偏应力，用施加给土样的轴向静应力仃，与 静压缩强度盯，之比盯，肛，( 以下称静应力比) 表示给试验土样施加的静应力大小， 为试验中准确施加静应力以及循环应力提供方便。 ( 4 ) 当静应力作用下的静应变稳定后，再沿土样轴向施加0 ，1 h z 正弦形式的 等幅循环应力，用以模拟由于循环荷载的作用，在土层中产生的附加循环应 力增量。同理，用循环应力比仃d 厨，表示循环应力的大小。当土样轴向静应变 与循环累积应变之和大于1 0 时停止试验。 已有的一些研究表明【1 4 1 ，当循环破坏次数大于1 0 0 0 次时，引起破坏的循环 应力变化趋势逐渐趋于平缓。因此，试验中的最大循环破坏次数控制在2 0 0 0 次 以内。 在同一周围压力下，为了考察不同静应力比对土样循环累积变形的影响，选 取不同的静应力比进行试验，它们分别是盯，肛，= 0 1 5 ，0 3 ，0 5 ，0 7 。在同一 个静应力比下，再选取多个不同的循环应力比进行试验，以考察相同静应力下循 环应力的大小对土样循环累积变形的影响。 3 2 重塑饱和软粘土的u u 静强度及应力应变曲线的归一化特性 参照文献 1 4 ，以静压缩强度仃，为规一化参数，对u u 试验得到的应力应变 曲线进行规一化处理，结果见图3 2 。从图中可以看到，试验土样的u u 静应力 应变曲线对仃，有较好的规一化特性。 这样，在进行循环三轴试验时，依据规一化应力应变曲线，可以通过静应力 与静应变的对应关系预测土的静强度仃，从而精确的施加一定应力比的静应力 1 3 ，和循环应力1 7 。图3 2 中的实线是依据规一化后试验结果作出的静应力应变 曲线。 第三章重塑和原状饱和软粘土的u u 循环特性比较 含 生 、_ 一 奄 b ! o 童 口 b 二一 e 图3 11 0 0 k p a 围压时的u u 静三轴试验应力应变关系 图3 - 21 0 0 k p a 围压时的u u 规一化静应力应变曲线 3 3 循环应力比随循环破坏次数的变化关系 在同一周围压力下，选取不同的静应力比进行试验，它们分别是 口，卢，= o 1 5 ，o 3 ，o 5 ，o 7 。在同一个静应力比下，再选取多个不同的循环应力 比进行试验，以考察相同静应力下循环应力的大小对土样循环累积变形的影响。 依据试验结果，图3 3 一图3 - 6 给出了围压为1 0 0 k p a 时，循环累积应变s p 随 静应力比、循环应力比以及循环振次