（岩土工程专业论文）长江口软粘土地基在波浪循环荷载作用下的弱化分析.pdf

摘要 在2 0 0 2 年1 2 月初的寒潮大浪作用下，长江口北导堤已安装的部分半 圆型沉箱发生了严重的滑移和沉陷破坏。为了解在波浪周期荷载作用下地 基沉降的原因，试验室运用三轴试验技术通过不固结不排水试验比较振动前 后软粘土的强度状况，验证长江口软粘土在寒潮大浪作用下丧失承载力的主 要原因是软粘土在波浪循环荷载作用下强度会发生了弱化。 对长江口软粘土进行的静动三轴试验成果表明：静三轴不固结不排水 ( u u ) 试验得到土样的不排水平均强度为1 4 7 k p a ：但同一批土样在模拟波浪 荷载作用的动三轴u u 试验中，振后的不排水强度平均则为5 3 2 k p a ，仅为静三 轴u u 强度的o 3 6 倍。这一结果验证了此软粘土在波浪重复荷载作用下，确实 会发生强烈的强度降低( “软化”) 现象。 对软粘土的动静三轴对比试验表明，土样在自重应力下完成固结后的动 三轴c u 试验得到的模拟波浪重复荷载作用后的不排水强度平均为与静三轴c u 试验得到的不排水强度的比值为o 8 3 ，且振次从1 0 0 0 3 0 0 0 次，土样的应变都 小于4 5 ，未发生破坏，这说明土样在自重应力下固结后的抗软化能力可获大 幅度提高。 本文运用欧洲通用的岩土工程有限元软件p l a x i s 分析模拟了长江口 软粘土在固结前后受波浪循环荷载作用后的变形情况，验证了动三轴的试 验结果，为受波浪循环荷载作用下饱和软粘土的弱化提供科学的依据。 关键词：循环荷载强度弱化动三轴试验p l a x i s 程序 a b s t r a c t i ne a r l yd e c ，2 0 0 2 ，a t t a c k e db yac o l dw a v e ，m o s to fc a i s s o n s ，w h i c hh a d b e e nm o u n t e do nt h er o c kf o u n d a t i o ni nm i d d l en o r t hb a n ks e c t o ro fy a n g t z e e s t u a r yw a t e r w a y ，f o u n d e d f a i l u r e a p p e a r a n c es i n k i n ga n ds l i p p a g e a t d i f f e r e n td e g r e e f o rt h es a k eo ft h es e d i m e n t a t e df o u n d a t i o n ，t r i a x i a lt e s t s w e r ei m p l i e dt oc o m p a r ei n t e n s i t yb e f o r ea n da f t e ro s c i l l a t i o no fs o f tc l a yb y u n c o n s o l i d a t e d u n d r a i n e d ( u u ) t e s t s t h er e a s o n st h a ts o f tc l a yo fy a n g t z e e s t u a r yw a t e r w a yw a sd e g r a d e d u n d e rt h ew a v ec y c l i c l o a d i n gw e r e t e s t i f i e d t h eo u t c o m e so fc o m p a r e ds t a t i c d y n a m i ct r i a x i a lt e s t si n d i c a t et h e a v e r a g ei n t e n s i t yo fs o f tc l a yi s14 7 k p ai ns t a t i cu n c o n s o l i d a t e d u n d r a i n e d ( u u ) t r i a x i a lt e s t sa n dt h ea v e r a g ei n t e n s i t yi s5 3 2 k p aa f t e ro s c i l l a t i o no f s o f tc l a yi n d y n a m i ct d a x i a lt e s t s t h er a t i oo fi n t e n s i t yi s0 3 6 t h e o u t c o m e st e s t i f yt h ei n t e n s i t yo fs o f tc l a yw i l lo c c u rt ob es t r o n g l yd e g r a d e d ( s o f t e n i n g ) p h e n o m e n a t h eo u t c o m e so f c o m p a r e dd y n a m i c s t a t i ct r i a x i a lt e s t si n d i c a t et h er a t i o o fa v e r a g ei n t e n s i t yo ft h ec o n s o l i d a t e d - u n d r a i n e d ( c u ) s o rc l a yu n d e rt h e c o n s o l i d a t i o nl o a di s0 8 3a f t e ra n db e f o r eo s c i l l a t i o n t h es o i li sn o t d e s t r o y e db e c a u s et h es t r a i n i sl e s st h a n4 5 w h e nt h ec y c l i cl o a di s r e p e a t e df o r l0 0 0 - 3 0 0 0t i m e s i ti n d i c a t e st h e c a p a b i l i t yo fr e s i s t i n g d e g r a d a t i o ns h o u l d b eg r e a t l ye n h a n c e dw h e nt h ec o n s o l i d a t i o nd e g r e e r e a c h e s8 5 u n d e rt h ec o n s o l i d a t i o nl o a d i nt h i sp a p e r , p l a x i sp r o g r a mi sc a r r i e do u tt o s t u d ya n dc o m p a r e d e g r a d a t i o no ft h es a t u r a t e ds o f tc l a yb e f o r ea n da f t e rc o n s o l i d a t i o nu n d e r t h ew a v ec y c l i cl o a d i n ga n do u t c o m e so fd y n a m i ct r i a x i a lt e s t sa r et e s t i f i e d i tp r o v i d e ss c i e n t i f i ce v i d e n c e sf o rt h ed e g r a d a t i o no fs o f tc l a yu n d e rt h e w a v ec y c l i cl o a d i n g k e yw o r d ：c y c l i cl o a d i n g ；s t r e n g t hd e g r a d a t i o n ；d y n a m i ct r i a x i a lt e s t ； p l a x i sp r o g r a m ； 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，也不包含为获得叁生蠢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：7 乌彳 签字日期： 舛年 月7 ，日 j| 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鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨窒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。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 5 雪 签字日期：少呷年 月f 1 日 导师签名：1 1 l 厂漪吖乙 签字日期：聊年月如日 第一章绪论 第一章绪论 软粘土一般是指含水量高、孔隙比大、抗剪强度低、压缩性高、渗透性 低、灵敏度高的粘性土的泛称。这些土广泛分布于我国东南沿海及某些内陆 地区，如上海、天津、连云港、宁波、温州、福州和广州等沿海城市及昆明 和武汉等内陆地区。这些地区的许多工业及民用建筑、公路、铁路、港口码 头和水利等工程常常兴建在软粘土地基上，对这种地基采用的处理方法和处 理效果直接影响着工程造价和工程质量。因此，对软粘土特性的深入研究不 仅具有重要的学术价值，更具有重要的经济意义。 1 1 课题的提出 长江口深水航道北导堤n i i c 段是长江口二期工程中地质条件最差，水深和 波浪最大，表层土质非常软弱，施工条件最恶劣的堤段。二期治理工程采用了半 圆型沉箱一深层水泥拌和( c d m ) 地基加固方案，由于受到罕见的寒潮大浪和 风暴波浪荷载作用，部分半圆型结构发生了较大的沉降或位移。为了进一步了解 在波浪周期荷载作用下地基土的强度和变形特性，研究软土地基士建重力式结构 物在波浪荷载作用下地基的稳定性，试验室通过大量动三轴试验进行了波浪周期 荷载作用的模拟，进而对该地区的土体在动荷载作用后，强度的弱化及其弱化程 度和有效应力的变化情况有了较准确的了解。在进行工程设计时，须充分考虑波 浪荷载作用所引起的软粘土不排水强度的降低和变形模量减小的特点及现场多 种不利影响因素带来的不确定性。 1 2 动荷载作用下软粘土的研究现状 1 2 1 软粘土的弱化机理 物理化学特性对于了解软粘土的力学性状是十分重要的。由于粘性土颗 粒粒径非常细小，而比表面积却很大，这就会产生界面活性等胶体特性。界 面的活性影响着土颗粒和孔隙水的物理化学作用，界面活性越大，土颗粒和 孔隙水的物理化学作用就越活泼，土颗粒表面就会形成结合水层，同时，土 颗粒间相互作用的物理化学力也就越大，因而，土体的抗剪强度也就越高， 变形性状和稳定性也就越好。 研究水的不同状态以及水在土颗粒间的力具有特殊的意义。水的密度和 粘稠度随着其与粒子距离的增加而减小。比表面积越大，越会产生界面活性 等胶体特性，界面活性越大，土颗粒表面就越会形成吸着水层。同时，土颗 粒间相互的物理化学力也越大。因而，使细颗粒土的粘性、塑性力学性质变 第一章绪论 得很明显，并且形成非常复杂的絮状构造。粘土多数是灵敏粘土，其粘聚力 经过振动扰动后，土的强度随着时间逐渐降低。重塑后由于絮状构造被破坏， 剪切强度降低，故还具有灵敏性高的特点。此外，由于粒径小，透水性差， 因此排水所需的时间很长。 土体中特别是粘性土体中，水的状态是影响土体稳定性的重要因素，土 颗粒间不同状态水的研究对研究粘性士的力学性质有重要的意义。当含水量 非常低时，软粘土具有固体的性质，水是以结合水的形式存在，结合水间的 作用力很大，因而此类土的力学性质比较好，正如t e r z a g h i 于1 9 2 5 年指出， 结合水在土颗粒的表面是紧密的，其密度大大超过正常水的密度，它产生的 强大的结合力使得土体的力学性质比较稳定。水的密度和粘稠度随着其与粒 子距离的增加而减小。当含水量增大时，土颗粒中水的相互作用力就会减弱， 水的形态由结合水变为非结合水，这种水易于流动，使土体的力学性质发生 改变，成为土体不稳定的主要因素。随着含水量的变化，土体的抗剪强度也 会发生重大变化，如若含水量再继续增大，饱和粘土将变为糊状，同时从粘 塑性特性变成粘性的特性，最后变成悬浊液，形成具有如同液体的流动性， 土体强度大大降低，几乎完全失去承载力。 1 2 2 软粘土的振动特性研究现状 近年来，软粘土地基的加固理论及其施工技术获得了很大的发展，已积 累了大量的资料和丰富的经验，取得丰硕的成果，但在动荷作用下软土地基 的加固常会遇到一些问题，因此，软土地基在动荷载作用下的力学性状有待 进一步研究。 动荷载作用下岩土介质力学性质的研究由来已久。早期的研究主要集中 在爆炸冲击荷载、地震荷载、基础的振动等诸方面。如2 0 世纪3 0 年代前后 日本、德国、前苏联开展的机器基础振动设计方面的系统研究。c a s a g r a n d e 研究了加荷时间对土动力强度的影响，t a y l o r 和w h i t e m a n 则研究了应变速率 对强度的影响。关于砂土液化，c a s a g r a n d e 曾试图用临界孔隙比的概念解释 砂土的液化现象。后来l e e 和s e e d 以孔压值作为判断砂土是否发生液化的依 据，并提出其后被广泛引用的“初始液化”的概念。2 0 世纪7 0 年代，c a s a g r a n d e 重新调整了以前提出的“临界孔隙比”的概念和试验方法，提出“流动结构” 的概念。我国学者黄文熙、汪闻韶对土的动力强度和液化特性进行了系统而 深入的研究。 2 0 世纪7 0 年代，随着近海重力式石油平台的大量兴建，研究者们的注意 力转移到了在波浪等周期作用下砂土液化的可能性和液化强度等问题，如l e e 2 第一章绪论 得很明显，并且形成非常复杂的絮状构造。粘土多数是灵敏粘土，其粘聚力 经过振动扰动后，土的强度随着时间逐渐降低。重塑后由于絮状构造被破坏， 剪切强度降低，故还具有灵敏性高的特点。此外，由于粒径小，透水性差， 因此排水所需的时间很长。 土体中特别是粘性土体中，水的状态是影响土体稳定性的重要因素，土 颗粒间不同状态水的研究对研究粘性士的力学性质有重要的意义。当含水量 非常低时，软粘土具有固体的性质，水是以结合水的形式存在，结合水间的 作用力很大，因而此类土的力学性质比较好，正如+ f e r z a g h i 于1 9 2 5 年指出， 结合水在土颗粒的表面是紧密的，其密度大大超过正常水的密度，它产生的 强大的结合力使得土体的力学性质比较稳定。水的密度和粘稠度随着其与粒 子距离的增加而减小。当含水量增大时，土颗粒中水的相互作用力就会减弱， 水的形态由结合水变为非结合水，这种水易于流动，使士体的力学性质发生 改变，成为土体不稳定的主要因素。随着含水量的变化，土体的抗剪强度也 会发生重大变化，如若含水量再继续增大，饱和粘土将变为糊状，同时从粘 塑性特性变成粘性的特性，最后变成悬浊液，形成具有如同液体的流动性 土体强度大大降低，几乎完全失去承载力。 1 2 2 软粘土的振动特性研究现状 近年来，软粘土地基的加固理论及其施上技术获得了很大的发展，已积 累了大量的资料和丰富的经验，取得丰硕的成果，但在动荷作用l i _ i _ 软土地基 的加固常会遇到一些问题，因此，软土地基在动荷载作用f 的力学性状有待 进一步研究。 动荷载作用下岩土介质力学性质的研究由来已久。早期的研究主要集中 在爆炸冲击荷载、地震荷载、基础的振动等诸方面。如2 0 世纪3 0 年代前后 日本、德国、前苏联开展的机器基础振动设计方面的系统研究。c a s a g r a n d e 研究了加荷时间对土动力强度的影响，t a y l o r 和w h i t e m a n 则研究了应变速率 对强度的影响。关于砂土液化，c a s a g r a n d e 曾试图用临界孔隙比的概念解释 砂土的液化现象。后来l e e 和s e e d 以孔压值作为判断砂土是否发生液化的依 据，并提出其后被广泛引用的“初始液化”的概念。2 0 【 纪7 0 年代，c a s a g r a n d e 重新调整了以前提出的“临界孔隙比”的概念和试验方法，提出“流动结构” 的概念。我国学者黄文熙、汪闻韶对土的动力强度和液化特性进行了系统而 深入的研究。 2 0 世纪7 0 年代，随着近海重力式石油平台的大量兴建，研究者们的注意 力转移到了在波浪等周期作用下砂土液化的可能性利液化强度等问题，如l e e 力转移到了在波浪等周期作用下砂土液化的可能性利液化强度等问题，如l e e 2 第一章绪论 和s e e d 等人注意到了孔隙水压力消散的影响。另一方面，周期荷载作用下粘 性土性状的研究也取得较多的成果，a n d e r s e n 等人应北海重力式石油平台建设 的需要曾对德勒门( d r a m m e n ) 粘土进行了系统而广泛的研究，分析了诸如试 验方式、剪应力幅值、超固结比等因素的影响，而m a t s u i 的研究则较多地关 注了孔隙水压力的发展变化，分析了残余孔压与剪应变之间的相互关系以及循 环荷载作用历史对剪切特性的影响。b a l i g h 曾给出一个较为完善的循环荷载作 用下的固结理论。 经典土力学主要考虑了孔隙水压力发展对土体承载力的影响，认为地基 承载力的降低，土体失稳是荷载作用下孔隙水压力上升，有效应力减小的结 果，而没有考虑在长期振动作用下，土体内部各组成成分之间相互作用的力 学性状发生了变化。 长期振动作用下土体的弱化，仅用孔隙水压力的理论已不能得到完满地 解释。这种弱化作用应从两方面来分析，就宏观方面而言，土体强度的减小 是孔隙水压力增加，有效应力减小结果；就微观方面而言，土体强度的减小 是土体内部结构长期受振动荷载作用发生破坏的结果。 土的抗剪强度是由内摩阻力和粘聚力组成，前者在动剪应力的反复作用 下，使颗粒之间很容易因错动或滑动而形成剪切面，造成内摩阻力减小；后 者是由于加固粘聚力( 胶结力) 和原始粘聚力( 粘着水膜) 组成，土受振动 后，不仅胶结物受到破坏，而且粘着水膜中定向水分子的活动性增加，使部 分牢圆粘着水变成疏松粘羞水，部分疏松粘着水变成自由水，从而使土颗粒 之间通过粘着水膜形成的这部分粘聚力减小。由于内摩阻力和粘聚力的减小， 土体的抗剪强度又开始降低，当循环荷载作用到一定程度，土体就完全软化， 其上的建筑物就会发生塌陷和倾覆，土体失去承载力。 软粘土强度低、压缩性高、透水性小，因而在波浪荷载作用下软粘土的 固结是一个漫长的过程，在其上建造建筑物时，不得不对其进行加固处理。 长期振动作用一方面使土的剪切强度降低，另一方面使土中应力状态发 生变化，使地基产生附加的剪切变形。土的抗剪强度是由内摩阻力和粘聚力 组成，前者在动剪应力的反复作用下，使颗粒之间很容易因错动或滑动而形 成剪切面，造成内摩阻力减小；后者是由于加固粘聚力( 胶结力) 和原始粘 聚力( 粘着水膜) 组成，土受振动后，不仅胶结物受到破坏，而且粘这水膜 中定向水分子的活动性增加，使部分牢固粘着水变成疏松粘着水，部分疏松 粘着水变成自由水，从而使土颗粒之间通过粘着水膜形成的这部分粘聚力减 小，减小程度视振动大小而定。这就是粘性土在长期振动下抗剪强度降低的 主要原因。 第一章绪论 1 2 3 动荷载作用下软粘土动变形研究 从二十世纪八十年代末到九十年代初，a n d e r s e n 等对重力式基础受到风 浪等引起的动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。主 要内容为：首先对近海工程地基进行固结不排水条件下的动力试验，包括循 环单剪、循环三轴压缩和拉伸试验，以此来模拟地基土体不同部位的受力状 况，并把试验结果按照不同循环累积剪应变和循环剪应变的组合，表达为一 系列图表，据此进行地基土单元的受力分析计算。在进行地基土体的稳定性 分析计算时，采用了假设潜在滑动砸的分析方法，对地基土体的不同部位，按 照所假设的受力条件，进行不同累积剪应变心和剪应变凡组合下的试算迭 代，计算出滑动面上各点的材料系数( 定义剪切强度和所施加的剪应力之比 为材料系数) ，把材料系数最小时对应的潜在滑动面确定为破坏面，所对应的 受力状况为最不利的受力状况，见图i - i 滑动面上不同部位的受力情况见图 1 2 。 二= m c y 图1 - 1 承载力确定示意图 4 第一章绪论 丁 0 m 二： 图1 2 假设滑动面不同部位的受力情况 根据滑动面上不同的位置的受力情况，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。图中采用循环单剪试验，无初始剪 应力( “= 0 ) ，无静荷载引起的静剪应力( a r = 0 ) ，f 。，为水平循环剪应力； 采用循环三轴压缩试验，4 5 。面上有初始剪应力( “0 ) 和静剪应力( a r o ，) 循环荷载作用前的静剪应力和为f 。= + f 采用循环单剪试验， “= o ，i ；用循环三轴拉伸试验，4 5 。面上0 0 ， o ， o+r0。a=at a r l a = - - a n d e r s e n 还定义了循环剪切强度的概念，循环剪切强度f 。，为： f ，= b 。+ f 。，) ，其中：l ，b 分别为土单元破坏时的平均剪应力和循环剪 应力。 动变形包括循环作用下引起的土单元体积变形和剪切偏变形，对动变形 的研究主要集中在循环荷载作用造成的不可恢复的累积变形。砂土和软粘土 的在动力作用下的变形特点有显著的不同。在不排水条件下，饱和砂土的累 积变形主要为振动累积孔隙水压力消散造成土单元固结所致。对于软粘土， 由于其渗透性很差，振动累积孔隙水压力不容易消散，所以体积变形很小， 不可恢复的累积变形表现为动荷载作用引起的剪切偏变形，视为是循环累积 损伤的结果，是循环荷载作用下软粘土的一个基本性质。e e k e l e n 概括起来， 这方面的研究工作主要集中在以下几个方面； l 、通过对特定土性进行循环振动试验，对试验结果进行分析，作出累积 应变关系。由于软粘土的动力特性十分复杂，所以需要进行大量试验，工作 第一章绪论 量很大。 2 、采用模量软化的概念，将累积偏应变视为在静应力作用下，有效应力 降低而引起累积变形的增加。 3 、运用能量原理来研究循环累积应变与偏应变的变化关系。 4 、研究累积偏应变随静偏应力、循环剪应力和循环次数等因素的变化关 系。 以上是对单个土单元动变形的研究，通过上述方法得出的应变，反映的 是一种潜在的应变，可以理解为应变势。在计算整个土体的循环累积变形时， 还需要考虑各单元之间的应变协调和应力耦台，要将各土单元的循环累积应 变转换为引起整个土体变形的因素。主要采用两种方法计算整个土体的变形： 根据土体各单元的应力条件，采用不同的静模量，把土体的变形视为 土单元静模量软化的结果。 采用有限元的计算方法，将应变势转换为单元节点的等价节点力，然 后计算由于等价节点力引起的静变形。 1 2 4 循环强度与静应力及循环次数的变化关系 通常，将循环荷载作用下土的动强度理解为在给定循环次数下，达到一 定破坏标准时的循环应力大小。土的动强度的概念被许多学者所使用，但要 得到土的动强度曲线，往往需要经过大量的土样试验。在这里，按照以上给 出的应变破坏曲线以及循环累积应变关系式，可以通过计算直接得出相应的 动强度曲线。 土的动强度的研究首先从地震作用对地基土体的破坏研究开始，s e e d ( 1 9 6 6 ) 在研究地震作用下的强度时，通过不排水三轴试验，将试验结果整 理成压缩强度比0d 0f 与给定循环次数n f 的关系曲线，以及od 0f 与初始静 压力比o 。of 的关系曲线。在后来对饱和砂土液化问题的研究中，针对地震 作用力引起的不规则性，建立了不规则的应力时程与等幅值应力时程之间的 等效关系，来确定地震荷载作用下士的动强度。石原研而( 1 9 7 2 ) 进一步将 s e e d 提出的方法表示为总剪切强度与静抗剪强度之比( t 寸td ) f 与初始剪 应力比t 。t f 的关系曲线。 有的学者运用c o u l o m b m o r b 强度理论来确定动强度，这种方法要求至少 9 个相同的土样试件的动力试验，这对于原状土的动力试验很难实现。谢君斐 在对原状饱和土动力性质的试验中，针对一定强度的动荷载，采用逐级加荷 的方法，用较少的图样试件，建立动应力一应变关系曲线，并确定静强度指 标的方法来确定动强度。 p r o c t e r 等借用了“疲劳极限强度”的方法，研究土的动强度，结果表明， 6 第一章绪论 对于有限次循环荷载，饱和软粘土的不排水静强度要远大于疲劳极限强度。 也有学者避开研究复杂的土的动应力一动应变关系，从能量的角度出发 研究土的动力特性，n e m a t n a s s e r 等( 1 9 7 9 ) 首先运用能量的概念分析了砂 土的液化特性，( 1 9 9 2 ) 又通过三轴试验和共振柱试验，研究了海洋粘土的动 力特性，定义了消散能的概念，将消散能视为阻尼消散的能量和产生塑性变 形能量两部分。 1 3 课题的研究意义和本文的主要研究工作 本文首先运用寰内三轴试验技术通过不固结不排水( u u ) 试验比较振动 前后软粘土的强度状况，验证长江口软粘土在寒潮大浪作用下丧失承载力的 主要原因是软粘土在波浪循环荷载作用下强度会发生弱化。采用室内动三轴 试验技术和p l a x i s 程序软件分析研究饱和软粘土地基在波浪循环荷载前后 的强度弱化的问题，并定量的给出了弱化度的值( 土体振动后与振动前的比 值) ，对饱和软粘土的动力特性进行具体的研究。评价了在波浪循环荷载作用 下软粘土地基的静力稳定性，考察土体的不固结不排水( u u ) 和固结不排水 ( c u ) 后土体的力学特性，研究了此种情况下软粘土地基的循环稳定性和在 固结不排水( c u ) 条件下的动力特性。 粘性土的抗剪强度远较砂土复杂，它受众多因素的影响。其中与土体本 身性质和状态有关的因素有：土的颗粒组成和种类、结构、孔隙比、饱和度、 初始应力和应变历史等；与周围环境有关的因素有：排水条件、温度以及孔 隙水的性质等；与外荷有关的因素有加荷速率以及应力路径等。此外，在室 内强度试验中还与试样扰动、加荷方法、试验类型、试验仪器、试验资料的 整理方法( 如破坏取值标准的选择) 等有关。然而，对于饱和粘土，大多数 因素的影响可在土体单元受剪过程中引起的孔隙水压力( 或有效应力) 的差 异上反映出来，因为外荷引起的剪应力仅能由土骨架承担，而由土骨架传递 的法向应力为有效应力。因此，有效应力的差异也就反映了强度的差异。 就室内试验而言，对于给定试样，在试验中产生的孔隙水压力将随着剪切 前试样的圃结程度和剪切中的排水条件而异。因此，同一种土当用不同的方 法进行试验时，即便剪破面上的法向总应力相同，也会由于试验中产生的孔 隙水压力不同，因而有效应力不同，而有不同的强度。不过，当以总应力表 示强度时，不同试验方法引起的强度差异是通过不同的强度参数来反映的， 亦即在总应力强度参数中包含了孔隙水压力的影响；当以有效应力表示时， 这种强度差异可直接通过有效应力项来反映，而不同试验方法测得的有效强 度参数一般彼此是接近的，特别是当以( 盯? 盯：) 。作为取值标准时。 7 第一章绪论 饱和粘土试样的强度除受固结程度和排水条件的影响外，在一定程度上 还受它的应力历史的影响。正常固结试样和弱超固结试样在排水剪试验中体 积减小一减缩。因此，在不排水剪试验中试样将通过内部应力的自动调整， 即产生正孔隙水压力使有效周围压力减小来保持体积不变，因而，强度比c d 试验的低。 软粘土地基的处理是一个比较复杂的课题，虽然有许多处理方法，但波 浪长期循环荷载作用下，对弱化软粘土的分析属于空白，又鉴于长江口深水 航道中风浪大，施工困难等因素，因而对其土体的研究有重要的意义。同时 也为其它地区的饱和软粘土的分析和弱化程度提供可鉴戒的资料。 8 第二章软粘土弱化的结论 第二章软粘土弱化的结论 长江口是我国典型的软粘土区域，其饱和软粘土具有一定的代表性，本 文根据长江口二期工程的需要，对其饱和软粘土进行了大量的研究，得出了 对于工程具有重要参考价值的结论。 2 1 工程概况 长江口深水航道治理二期工程北导堤n i i c 段位于北槽航道北侧，北导堤 东段。此区域地层主要由第四纪全新统的新近海滨相和河流相交替沉积组成， 土层自上而下分别由淤泥、粉细砂、粘性土、淤泥质粘性土、淤泥、粘性土 夹砂、粉细砂等土体组成，多数堤段地质条件较差，且水深和波浪较大，表 层土质较软弱，是施工条件最恶劣的堤段。 工程主要堤段距横沙岛东滩现有的长江口深水航道治理工程施工基地约 5 0 k m ，各堤段所处位置的天然水深约在6 6 m 一8 3 m 之间。由于地处长江口 靠外侧，根据目前掌握的情况，工程施工水域风大、浪高、流急、泥沙活动 强烈，施工受自然条件影响较大。根据对长江口海域的风、浪、流、雾、灾 害性天气等进行的分析，按照风6 级、波浪0 8 m 、流速1 5 m s 的条件统 计，工程水域的可作业天数约1 4 0 天年。 波浪作用下结构与土和水体的相互作用是一个复杂的动态问题。因各海 底面的土层土质不同，波浪循环荷载对其影响也存在较大的差异，但波浪荷 载持续作用造成粘土地基强度降低或丧失，发生大变形或滑移，以致使上部 建筑物失稳或破坏的现象已得到证实。根据实际工程要求提供的试验条件， 本试验室为长江口深水航道治理二期工程整治建筑物n i i c 标段的地基土进行 大量的动三轴试验。 考虑到长江口北导堤n i i c 段的波浪较大，地基土壤物理力学指标较差， 二期工程实施表明在长江口n i i c 段不仅波浪大、土壤差，且由于在波浪力的 往复作用下，土壤的物理力学指标有可能发生进一步的降低，特别是表面几 米深度内的土层，即在设计中对表层的第一、二层主要考虑动力折减问题。 2 2 原软基处理方案 对北导堤n i i c 段，由于海底面表层为淤泥，当导堤或丁坝结构采用半圆 型沉箱方案时，必需对地基进行处理。由于本次设计的各堤段下卧土1 0 0 m 以下基本上就是n i i c 段分布最广的2 层的灰色淤泥质粘土。这层粘土的深 度有近3 0 0 m 深；同时考虑到由于表层土的物理力学指标原本就很差( n i i c 9 第二章软粘土弱化的结论 段表层基本上没有砂层) 。海底面高程为7 5 m 8 2 m ，采用半径为7 2 m 的半 圆型沉箱结构。 堤( 坝) 身下选用砂肋中心间距为1 0 m 的砂肋软体排，在n 6 n 8 丁坝 坝身两侧、n 1 0 丁坝把身两侧选用砂肋中心间距为0 5 m 的砂肋软体排，在导 堤两侧及n 1 0 丁坝坝身东侧均选用混凝土联锁块尺寸为4 0 0 4 0 0 x1 6 0 r a m 的 联锁块软体排，排布采用3 8 0 9 m 2 机织针刺无纺复合土工布：在空心方块结构 段，堤( 坝) 身下及堤( 坝) 身两侧均选用混凝土联锁块尺寸为4 0 0 x 4 0 0 x 1 6 0 m m 的联锁块软体排，以防抛填空心方块损坏软体排，超前护底亦选用混凝土联 锁块尺寸为4 0 0 x 4 0 0 x 1 6 0 m m 的联锁块软体排，排布均采用抗拉强度为 4 0 0 k n m 以上的高强度机织布与无纺布的复合土工布。 护底结构是河口导堤、丁坝等整治建筑物的重要组成部分，在一期上程 和二期工程其它区段护底结构主要采用混凝土联锁块软体排和砂肋软体排， 砂肋软体排主要用于导堤堤身下和导堤内侧、丁坝坝身下和坝身两侧，联锁 块软体排主要用于导堤外侧余排、丁坝坝头、导堤堤头、超前护底及其它冲 刷较严重的部位。 预制半圆型进行加固，轻型排水板固结，基床范围内地基平均沉降量 1 1 5 m ，护肩处地基平均沉降量o 8 3 m 。沉箱定倾高度1 9 3 m ，沉箱吃水3 9 6 m 。 最大沉降深度可达4 5 7 m 。c d m 方案的堤身结构均采用半圆型沉箱结构的典 型断面如图( 2 - 1 ) 所示： 1 0 羽。 第二章软粘土弱化的结论 謇 珏 篷状群啜”鬟溪警v飘追鎏瀑嘏漆端燕熬共_兮譬h鑫土辫b2z _ 蠢褒 匝忸酱呐秘十【工卜叫：畀r【o互l_j阻 垂僻藿警韩苫q。电域e一震霭if毒苎岛幕峙耋卜最懂奄崔f 蚶晤阜与ien震蚌_ji豢显暂枢卑f脊譬卑；墓茸卦“ i纂带xf乏斗盅一一篓球_rl#出幢争皿_i 第二章软粘土弱化的结论 2 3 北导堤破坏的原因 在寒潮大浪的作用下，已安装的半圆型沉箱发生了程度不同的向南侧的位 移和沉降，根据现场调查和分析得出：周期性作用的波浪荷载经沉箱、基床传递 给地基后，引起近表土层的软化，承载力降低，是地基发生破坏，沉箱表现出剧 烈沉陷的主要原因。 对于常规重力式抗浪结构，由于天然或经加固后的地基土具有较高的 静强度，波浪力经结构引起地基土中产生的动应力水平相对不高，极少发 生“软化”现象。所以现行规范中除对砂性土在地震荷载作用下的液化问 题作出了有关明确规定外，对波浪这种相对低频的动荷载作用下地基中软 粘土的强度降低问题并未作出规定，波浪荷载也均转化作静荷载处理。但 在长江口软士、大浪、堤身采用了轻型半圆型结构的特殊工况条件下，波 浪动荷载对地基土动强度的影响显著增强，导致本工程中结构出现了始料 不及的剧烈沉降。 根据现场波浪动荷载的加荷程序及试验技术要求，试验室运用了动三 轴进行了模拟波浪重复荷载作用下地基土的动静三轴试验，验证分析地基 破坏的原因。 2 4 软粘土弱化的试验结论 通过振动前静三轴不固结不排水( u u ) 静强度试验曲线和同一批土样在 模拟波浪荷载作用的动三轴u u 试验中振动后的静强度试验曲线的比较，可以 看出，土体的破坏是由其强度弱化引起的，而且能够较准确的了解土体在振 动后的弱化程度。 表2 1动三轴u u 试验中土性参数 抗剪切土的 天然( 三轴u u )类别 土样取士天然孔隙率饱和度 密度天然 内摩 深度含水率 s r 凝聚力按 孔隙比 擦角 编号 ( m )( )( )( ) c u u g b j 7 8 9 ( g e m )巾u u ( k p a )分类 ( 。) 7 - 23 5 4 05 5 41 6 76 11 5 5 09 80 1 01 5 - 2 8 淤泥 5 52 5 3 o6 4 51 6 l6 51 7 2 31 0 00 0 61 7 8 5淤泥 1 2 第二章软粘土弱化的结论 1 6 1 4 1 2 主1 0 i8 型e 4 2 。 1 6 1 4 1 2 ，、l o 墨 i8 氆 堡6 4 2 0 4681 0 应变n 振动前、后静强度曲线 2468】0 应变n 振动前、后静强度曲线 图2 - 2 振动前、后静强度曲线的比较 在u u 三轴试验中，土样经过振动，强度达到了振动前的3 6 左右，土 体在不固结的状态下，无法满足工程中波浪动荷载作用的要求，因此工程中 必须对土体进行固结。这一结果验证了长江口软粘土在波浪重复荷载作用 下，确实会发生强烈的强度降低( “软化”) 现象。 第三章软粘土的动三轴试验研究 第三章软粘土的动三轴试验研究 为保证在波浪循环荷载作用下，地基土体弱化后的强度能够满足地基变 形和稳定性基本年限的要求，试验室用动三轴试验模拟了长江口深水航道现 场波浪循环荷载对土体的作用，分析其受波浪循环荷载后的强度，为软粘土 地基的加固处理提供科学的依据。 3 1 土样基本特性及试验方法 3 1 1 土样物理力学指标 试验土样取自长江口深水航道治理工程中的北导堤n i i c 段，这一堤段位 于长江入海口，地质条件差，水深和波浪大，表层土质非常软弱，是条件极 其恶劣的堤段。土样基本上是灰黄色的淤泥，含水量高，孔隙比较大，呈流 塑状。 表3 - 1试样参数 钻 天然 密度孔饱稠度界限 隙天然孔 和 液限塑限塑性液性 孔 土 含水 天然干燥 室 隙比 度 号 室 状态状态w lw p 指数指数 号i ls r w ( ) p户d ( )( )i 口 1 l ( )( ) 31 04 8 31 6 91 1 46 21 4 0 19 24 8 22 4 92 3 6】5 2 31 24 9 61 7 31 1 66 21 3 5 79 74 8 62 5 72 2 21 3 9 1 015 3 41 6 51 0 96 21 5 4 69 74 8 12 5 42 3 41 4 3 815 2 91 6 41 1 06 01 5 3 l9 64 7 52 5 1 32 2 91 4 7 3 1 2 试验仪器 动三轴仪是从静三轴试验发展而来的，它利用与静三轴试验相似的轴向 应力条件，通过对试验施加模拟的动主应力，同时测得试样在承受施加的动 荷载作用下所体现的动态反应。最基本和最主要的动应力( 或动主应变比) 与相应的动应变的关系( 白或q o ：t ，) 。动应力与相应的孔隙压力变 化的关系( 仃。，t 。，) ，从而推出岩土的各项动弹性参数及粘弹性参数，以及 试样的振动液化等。 振动三轴试验是用圆柱形试样，在压力室内，通过施加大小不同的激振 力使试样发生轴向振动或轴向与侧向两个方向的振动，量测在振动过程中的 轴向应力、应变以及孔隙水压力的变化。这种试验用于确定在天然饱和砂土 第三章软粘土的动三轴试验研究 中发生液化的条件和土的动强度，也用于测试大应变时试样的周期应力与周 期应变的关系，确定其弹性模量与阻尼比。5 0 年代末黄文熙教授最早提出用 动三轴仪测试砂土液化的方法，并进行了系统的试验研究。6 0 年代国外用周 期加荷三轴仪研究砂土液化及其他动力特性，并得到了很大的发展，至今周 期加荷三轴仪成为应用广泛的一种室内动力测试仪器。 周期加荷三轴仪的型式也有多种，其差别主要是周期加荷的方法不同， 有用电磁激振器激振的，有用气动或液压激振的，但是各种形式的仪器都由 三部分组成：压力室及固结试样的加压系统；激振器及调节激振力大小 的激振系统；量测试样轴向应力、应变和孔隙水压力的量测装置。 则 图3 - 1 动三轴装置示意图 本试验采用h x - 1 0 0 电气伺服控制单向激振三轴仪，该仪器由美国工程材 料试验公司( s b e l 公司) 制造。采用电气伺服控制随动系统，伺服控制部分 以硬件形式组成，它根据传感器的模拟反馈信号控制土样轴向的加荷系统。 振动信号的的发生与试验数据的采集部分使用微机d a 和a d 技术，并以软 件形式构成试验控制程序。产生振动信号的d a 板为1 2 位专用波形发生器， 可以根据需要编制相应的试验程序，产生振动控制信号。试验结果和相应的 观测通过1 2 位的a d 板直接存贮为计算机数据文件。仪器具有应力控制和应 变两种功能，前者是指加荷时控制向土样施加的轴向荷载，后者是指加荷时 控制土样产生的轴向位移。如图( 3 - 1 ) 所示，为周期加荷三轴仪示意图。 仪器由计算机动力控制部分、静力控制部分、压力室及动力加荷部分组 第三章软粘土的动三轴试验研究 成，由计算机进行试验过程控制与试验数据采集，因此具有较高的试验测试 精度。图( 3 2 ) 为h x 1 0 0 电气伺服控制单向激振三轴仪工作原理框架图。 图3 - 2x h _ 一1 0 0 电气饲服控制振动三轴仪工作原理框图 馈 三轴试样的尺寸为：高8 0 c m 、直径3 9 1 c m 。试验采用应力控制，施加 给试样的动应力为正弦波，频率0 1 3 h z 。对薄壁取土器取得的原状粘土试样 分别进行了不固结不排水( u u ) 和固结不排水( c u ) 三轴试验。 在用周期加荷三轴仪模拟天然土层的应力条件进行试验时，首先将压力室 中的圆柱试样在各向相等压力仃作用下固结，然后在不排水条件下通过激振 装置在轴向增加周期压力盯，2 。 在周期荷载作用下，试样的破坏与周期作用力的大小和往复作用的次数 有关。试验时根据现场波浪循环荷载作用将激振力调至适当的大小，连续施 加。激振的频率基本接近实际动荷载作用的频率，研究波浪重复波作用取较 低的频率。量测并记录在振动过程中试样的轴向应力、应变和孔隙水压力的 变化，直到轴向应变达到1 0 的破坏标准或土样满足试验规定次数的要求。 若振次未达到规定次数的要求时，土样已破坏说明土体强度太低，无法满足 工程稳定性要求；若土样达到预期循环次数的要求，就对试验数据进行处理 和分析，来判断在现场土体强度和稳定性的状况。在波浪循环荷载作用下， 土样振动过程中的轴向压力，轴向应变和孔隙压力的变化示意图如图( 3 - 3 ) 所示。 第三章软粘土的动三轴试验研究 - 融 毒s d - 己 r j 趟 避 m 3 1 3 试渭睑方法 ；卜踮 3 瓠 加荷周数n 周期加荷三轴试验的量测记录 图3 3 周期加荷三轴试验的量测记录 、不固结不排水( u u ) 三轴试验 首先按照静三轴的试验方法，在动三轴仪上测试土样的应力应变曲线。 试验过程如下：首先向土样施加周围应力盯，在不固结不排水的条件下，再 由轴向施加静应力仃，盯。相当于结构物自重在土壤内引起的静应力，然后逐 级由轴向施加静荷载，待土样稳定后记下此次荷载对应的应变，直到应变达 到1 0 的破坏标准，就得到静三轴的应力应变曲线。 在对相同深度的土样进行动三轴不固结不排水( u u ) 振动三轴试验时， 同样首先向土样施加周围应力仃，在不固结不排水的条件下，再由轴向施加 静应力盯，待静应力作用下的轴向变形基本稳定后，再沿土样轴向施加正弦 波形式的循环应力盯循环应力盯。相当波浪循环荷载作用下在地基土壤内引 起的附加动应力。通过对海底面浅层的一些淤泥质粘土的试验发现：在不固 结不排水( u u ) 条件下，土样施加了试验要求的静荷载后，产生很大变形， 迅速达到破坏标准，土样几