（岩土工程专业论文）复杂应力条件下饱和松砂振动孔隙水压力的能量模式研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 土中振动孔隙水压力的产生与发展是影响土体强度和变形特性的重要因索。因此， 孔隙水压力增长模式一直是土动力学研究的重要内容之一。普遍采用的孔压应力模式， 由于应力的矢量特性，在分析复杂问题时具有相当困难。而能量是标量，将能量分析法 用于孔压分析中可方便地利用叠加原理解决一些用应力分析法难以解决的复杂问题。 实际工程中，建筑物地基的初始应力状态往往是复杂的。当地基处于复杂初始应力 状态时，如果再遭受地震或波浪等复杂循环荷载作用，土体的孔压增长特性将变得更加 复杂。目前已经建立的孔压一能量模式主要是针对两向固结应力条件和较简单循环应力 路径的，而由验证表明：两向固结应力条件下建立的孔压一能量模式对于复杂应力条件 并不完全适合。因此，有必要建立复杂应力条件下的孔压一能量模式。 利用大连理工大学与日本诚研舍株式会社共同研制的“土工静力一动力液压三轴 扭转多功能剪切仪”，针对饱和福建标准松砂进行的均等固结条件下循环单向剪切试 验、轴向和扭转双向耦合剪切试验等多种循环剪切应力路径形式的剪切试验结果，以及 控制不同的初始固结参数的三向非均等固结条件下的循环扭剪试验结果，着重研究了循 环剪切应力路径、初始偏应力比、初始主应力方向角、初始中主应力系数等因素对孔压 一能量关系的影响。 文中利用自编程序计算实测应力应变关系曲线包围面积得到土的耗损能量。并针对 福建标准砂几个典型的实测试验结果，探讨了复杂应力条件下累积耗损能量计算的简化 方法，通过与复杂计算方法的比较表明，简化方法不仅可以简化计算过程，而且可以减 小计算误差，是合理可行的。 通过对福建标准砂的孔压一能量关系分析表明：复杂应力条件下的孔隙水压力的增 长与土中累积耗损能量密切相关。在均等固结条件下，不同的循环剪切应力路径对孔压 一能量的关系影响很小，可以忽略；在三向非均等固结条件下，初始主应力方向角对孔 压一能量关系有一定的影响，初始中主应力系数的影响较小，而初始偏应力比的影响较 大。通过引入考虑不同初始偏应力比和不同初始主应力方向角影响的参数，初步建立了 福建标准砂复杂应力条件下的孔压一能量模式。 利用多功能剪切仪针对饱和南海钙质松砂进行了均等固结条件下的循环扭剪试验和 循环圆耦合剪切试验，在三向非均等固结条件下进行了不同初始主应力方向角和初始偏 应力比的循环圆耦合剪切试验，进一步探讨了复杂应力条件下影响南海钙质砂孔压一能 量关系的主要因素。分别针对福建标准砂和南海钙质砂的均等和三向非均等固结条件下 的试验结果探讨了砂土类型的不同对孔压一能量关系的影响。最后根据南海钙质砂的试 验结果建立了复杂应力条件下南海钙质砂的孔压一能量模式。该模型与福建标准砂的孔 压一能量模式存在一定的差异。 关键词：复杂应力条件；孔隙水压力；累积耗损能量；初始主应力方向角；初始偏应力 比：初始中主应力系数 复j 应力条件下饱和松砂振动孔隙水压力的能量模式研究 a b s t r a c t t h e b u i l d u p a n d d e v e l o p m e n to f p o r ew a t e rp r e s s u r eu n d e rd y n a m i cl o a di sak e y f a c t o rt o t h ed e f o r m a t i o na n d s t r e n g t hb e h a v i o r o fs o i l s t h e r e f o r et h er e s e a r c ho f p o r ew a t e r p r e s s u r ei s o n eo f t h e i m p o r t a n t i s s u ei ns o i ld y n a m i c s ，i ti sk n o w nt oa l lt h a ts t r e s si sav e c t o r i ti sd i f f i c u l t t os o m ec o m p l i c a t ep r o b l e m sw h i l es t r e s sp a t t e r ni su s e dt oa n a l y z et h ep o r ew a t e r p r e s s u r e s i n c ee n e r g yi sas c a l a r , e n e r g y a p p r o a c hm a yb es u c c e s s f u l l yu s e di ns o l v i n gc o m p l e x p r o b l e m s w h i c ha r ed i 蕊c u l tt os o l v ew i t ht h es t r e s sm e t h o d i np r a c t i c a le n g i n e e r i n g p r o b l e m s ，t h ei n i t i a ls t r e s sc o n d i t i o n sf o rs o i le l e m e n t sb e n e a t ht h e f o u n d a t i o no f t h e b u i l d i n ga r eu s u a l l y r a t h e rc o m p l e x i nt h i ss t a t e ，i f t h ef o u n d a t i o n s u b j e c t e d t o c o m p l i c a t e dc y c l i cl o a d i n gi n d u c e db ye a r t h q u a k es h a k i n ga n do e e , a r lw a v e ，t h er e s p o n s eo f p o r ew a t e rp r e s s u r ew i l lb ev e r yc o m p l i c a t e d a tt h ep r e s e n tt i m e ，t h ep a t t e r n so fp o r ew a t e r p r e s s u r ew e r eo f t e na i m i n ga tt w o - d i r e c t i o n a lc o n s o l i d a t i o nc o n d i t i o na n ds i m p l ec i r c l es t r e s s p a t h t h ea n a l y s i s o ft e s t ss h o w st h em o d e lo fp o r ew a t e rp r e s s u r eu n d e rt w o d i r e c t i o n a l c o n s o l i d a t i o ni sn o ta p p r o p r i a t et om u l t i d i r e c t i o n a la n i s o t r o p i cc o n s o l i d a t i o n i ti sn e c e s s a r yt o s e tu pt h e p o r e w a t e r p r e s s u r em o d e l u n d e r c o m p l e x s t r e s sc o n d i t i o n t h es o i ls t a t i ca n dd y n a m i cu n i v e r s a lt r i a x i a la n dt o r s i o n a ls h e a ra p p a r a t u si sf a c i l i z e db y d a l i a nu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g ya n ds e i k e ni n c a n dm a d eb ys e i k e n ，j a p a n t h ea p p a r a t u si s u s e dt op e r f o r me x p e r i m e n t a lt e s t so ff u j i a nl o o s es t a n d a r ds a n ds u b j e c t e dt os i m p l ec y c l i c t o r s i o n a ls h e a ra n dv e r t i c a l a n d - t o r s i o n a lc o u p l i n gc y c l i cs h e a rw i t l ld i f f e r e n ts h e a rs t r e s sp a t h u n d e ri s o t r o p i cc o n s o l i d a t i o n , a n dc y c l i ct o r s i o n a ls h e a ru n d e rt h r e e - d i r e c t i o n a l a n i s o t r o p i c c o n s o l i d a t i o nc o n d i t i o nw i md i f f e r e n ti n i t i a lc o n s o l i d a t i o np a r a m e t e r s t h ei n f l u e n c eo f c y c l i c s h e a rs t r e s sp a t h ，i n i t i a ld e v i a t o r i cs l l e s sr a t i o , o r i e n t a t i o no fi n i t i a lm a x i m u mp r i n c i p a ls t r e s s a n di n i t i a lc o e f f i c i e n to fi n t e r m e d i a t ep r i n c i p a ls 拄e s so nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e np o r ew a t e r p r e s s u r ea n d t h ea c c u m u l a t ee n e r g y d i s s i p a t i o ni ss t u d i e d t h ep r o g r a mi s u s e dt o c o m p u t et h e a r e a ss u r r o u n d e d b y s t r e s sa n ds t r a i n ，a n d a c c u m u l a t e de n e r g yd i s s i p a t i o ni sa c h i e v e d b a s e do nt h ee x p e r i m e n t a la n da n a l y t i c a ls t u d i e so f f u j i a n l o o s es t a n d a r ds a n d ，as i m p l em e t h o di su s e di nc o m p u t i n ga c c u m u l a t e de n e r g y d i s s i p a t i o n b yc o n t r a s tw i t h t h ea c c u m u l a t e de n e r g yd i s s i p a t i o nc o m p u t e d b yt h ec o m p l i c a t e d m e t h o d ，t h es i m p l em e t h o dc a nr e d u c e t h ec o m p u t e de r r o r t h es i m p l em e t h o di sp r o v e dt ob e r e a s o n a b l ea n df e a s i b l e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so ff n j i a nl o o s es t a n d a r ds a n ds h o wt h ed e v e l o p m e n t so f p o r e p r e s s u r ei ns o i l si sc l o s e l y r e l a t e dt oa c c u m u l a t e de n e r g yd i s s i p a t e di nt h es o i ld u r i n gt h e p r o c e s so f v i b r a t i o n t h ee f f e c to f d i f f e r e n tc y c l i cs h e a r s t r e s sp a t hu n d e r i s o t r o p i cc o n s o l i d a t i o n o nt h er e l a t i o n s h i po f p o r ew a t e rp r e s s u r ea n da c c u m u l a t e de n e r g yd i s s i p a t i o ni sv e r yl i t t l e ，i t 大连理二i 人学硕士学位论文 c a l lb ei g n o r e d t h eo f i a n m f i o no fi n i t i a lm a x i m u mp n n c i p a ls t r e s su n d e rt h r e e - d i r e c t i o n a l a n i s o t r o p i cc o n s o l i d a t i o nh a ss o m ei n f l u e n c eo nt h er e l a t i o n s h i po fp o r ew a t e rp r e s s u r ea n d a c c u m u l a t e de n e r g yd i s s i p a t i o n ，b u tt h ee f f e c to fi n i t i a lc o e f f i c i e n to fi n t e r m e d i a t ep r i n c i p a l s 订e s si sl e s s w h e r e a st h ee f f e c to f t h ei m t i a ld e v i a t o r i cs t r e s sr a t i oi sl a r g e r t h ep a r a m e t e r so n t h ei n i t i a ld e v i a t o r i cs t r e s sr a t i oa n dt h eo r i e n t a t i o no fi n i t i a lm a x i m u m p r i n c i p a l s t r e s sa r e i n t r o d u c e dt ot h er e s u l t s ，a ne n e r g ym o d e l o f p o r e w a t e rp r e s s u r ed e v e l o p m e n tf o rf u j i a nl o o s e s t a n d a r ds a n du n d e r c o m p l e x s t r e s sc o n d i t i o ni se l e m e n t a r i l ye s t a b l i s h e d t h ea p p a r a t u si sa l s ou s e dt o p e r f o r me x p e r i m e n t a lt e s t so fs a t u r a t e dn a n h a il o o s e c a l c a r e o u ss a n ds u b j e c t e dt oc y c l i ct o r s i o n a ls h e a ra n dc y c l i cc i r c l e c o u p l i n gs h e a ru n d e r i s o t r o p i cc o n s o l i d a t i o n ，a n dc y c l i cc i r c l ec o u p l i n gs h e a rt e s t su n d e rt h r e e - d i r e c t i o na n i s o t r o p i c c o n s o l i d a t i o nw i t hd i f f e r e n to r i e n t a t i o no fi n i f i a lm a x i m u m p r i n c i p a ls t r e s sa n dd i f f e r e n ti n i t i a l d e v i a t o r i cs t r e s sr a t i o n ei n f l u e n c i n gf a c t o r so nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e np o r ew a t e r p r e s s u r e a n dt h ea c c u m u l a t ee n e r g y d i s s i p a t i o no f s a t u r a t e dn a n h a il o o s e c a l c a r e o u ss a n dt r a d e rc o m p l e x s t r e s sc o n d i t i o ni sd i s c u s s e d c o n t r a s tt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so f f u j i a n1 0 0 s es t a n d a r ds a n d u n d e ri s o t r o p i ca n d a n i s o t r o p i cc o n s o l i d a t i o nw i t ht h er e s u l t so f n a n h a il o o s ec a l c a r e o u ss a n d ， t h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n ts a n d so nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e np o r ew a t e rp r e s s u r ea n dt h e a c c u m u l a t ee n e r g yd i s s i p a t i o ni ss t u d i e dt o o ，b a s e do nt h ee x p e r i m e n t a la n d a n a l y t i c a ls t u d i e s o fs a t u r a t e dn a n h a il o o s ec a l c a r e o u ss a n ds u b j e c t e dt oc y c l i cc i r c l ec o u p l i n gs h e a r ，a l le n e r g y m o d e lo fp o r ew a t e rp r e s s u r ed e v e l o p m e n tf o rs a t u r a t e dn a n h a i1 0 0 s ec a l c a r e o u ss a n du n d e r c o m p l e x s t r e s sc o n d i t i o ni se s t a b l i s h e d t h e r ei sal i t t l ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h ee n e r g ym o d e lo f p o r ew a t e rp r e s s u r ed e v e l o p m e n tf o rs a t u r a t e dn a n h a il o o s ec a l c a r e o u s s a n da n ds a t u r a t e d f u j i a n l o o s es t a n d a r ds a n d k e yw o r d s ：c o m p l e x s t r e s s c o n d i t i o n ；p o r e w a t e r p r e s s u r e ；a c c u m u l a t ee n e r g y d i s s i p a t i o n ；o r i e n t a t i o no fi n i t i a lm a x i m u mp r i n c i p a ls t r e s s ；d i f f e r e n ti n i t i a ld e v i a t o r i c s t r e s sr a t i o ；i n i t i a lc o e f f i c i e n to f i n t e r m e d i a t e p r i n c i p a ls t r e s s 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得研究成果。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的研究成果，也不包含为获得 大连理工大学或其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢 意。 作者签名： 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题的研究目的及意义 土动力学是研究地震、爆炸、波浪及动力机械基础等动荷载作用下土体的动变形特 性、动强度和稳定性的- - f 7 学科 1 】。土动力学问题是岩土工程的重要研究内容之一。多 年来，世界各国学者在土石坝、挡土结构物、地下结构物、高层建筑物以及各类地基的 抗震稳定方面进行了大量的研究工作，取得了很多研究成果，推动了土动力学及地震工 程学的研究和发展。 随着抗震工程的发展和海洋资源的开发和海洋空间的利用，诸如海底管线、防波 堤、采油平台等结构设施的不断建设和改造，海工建筑物及其设施的地基稳定问题越来 越被人们所重视。事实上，许多建筑物的地基除了承受建筑物自重长期作用以外，还可 能遭受瞬时荷载和循环荷载作用，例如：海洋建筑物地基可能承受暴风波浪荷载、冰荷 载、水流与地震荷载的风浪，将使建筑物地基产生水平振动、竖向振动以及扭转等多种 耦合的复杂合成振动，这样地基的动力响应、变形及破坏与只承受重力作用的建筑物地 基存在显著的差别。研究在复杂振动或循环荷载作用下土的动力特性与动本构模型是建 筑物地基动力响应及稳定性分析的重要基础，不仅是土动力学与岩土地震工程研究中至 关重要的基本课题，而且也是重大工程设计中首要解决的实际问题。特别是近年来，由 于计算机技术、计算理论和计算方法的飞速发展，使得大型土工建筑物设计和建造的数 值计算与分析成为可能，因此，对土的本构关系研究提出了更新、更高的要求。 实际上，土的动本构关系的发展表现在本构理论、数值计算和测试技术三个方面口， 3 1 。同时，这三个方面的发展是相辅相成的，它们三者之间的关系大致是这样的。首 先，在工程实践中发现问题，然后利用土工动力测试技术在实验室或现场进行试验，揭 示本构规律并创建理论，最后用于土工动力分析上，与室外模型试验或工程实践的测试 结果进行比较，修正并完善模型。也就是说，土的本构模型的研究，其最终目的是在实 际工程中的应用，这就要求模型本身不仅要有一定的理论依据，而且还要能够应用于土 工动力分析计算，并应用于实际。 目前的土工动力分析方法，主要有前期的总应力法和后来发展的将动力反应分析与 土的液化和软化等结合起来的不排水有效应力分析方法，以及考虑地震过程中土体内孔 隙水压力扩散和消散的排水有效应力分析法等1 3 j 。但是，由于总应力分析法在整个分析 过程中不考虑孔隙水压力变化过程对土的动力特性的影响，而无法描述液化的全过程， 因此近年来用有效应力分析法分析问题的比较多。实际上，有效应力原理的本质意义就 复杂应力条件下饱和i 松砂振动孔隙水压力的能量模式研究 在于它揭示了土的变形和强度特性都是与有效应力相联系的，因此，运用有效应力分析 法进行土工分析的关键问题是如何正确测算不同条件下土中孔隙水压力的产生、增长、 扩散和消散规律。振动荷载下，土中振动孔隙水压力产生与发展是影响土体强度和变形 特性的基本因素，也是利用有效应力方法分析土体动力稳定性的关键。 振动荷载作用下土中孔隙水压力消长规律的研究自黄文熙 4 】和汪闻耕5 ，6 】等人作出了 开拓性的研究工作以后，至今已经取得大量的研究成果。特别是近十几年来，对土中振 动孔隙水压力的产生、发展以及土的液化势的研究，不仅仅局限在最初的只考虑孔隙水 压力增长的单的计算模型，而是能够综合考虑动孔隙水压力的产生、增长、扩散和消 散的计算模型。在简单应力条件下的孔隙水压力的增长特性有了很大的发展，提出了各 种孔压发展模型，诸如：孔压的应力模型、应变模型、有效应力路径模型、能量模式以 及孔压的瞬态模型等。在多种复杂应力条件下，郭莹、栾茂田、何杨等人【 1 3 考虑不同 的循环荷载模式、初始固结应力状态对孔隙水压力的增长特性的影响，利用空心圆柱试 样，针对福建标准饱和砂土，进行了不排水三向非均等圃结的循环扭转剪切和循环竖向 与扭转耦合剪切试验，分别探讨了初始主应力方向角、循环剪切应力路径、初始偏应力 比和初始中主应力系数等因素对循环孔隙水压力的影响，得出了一些有益的结论和研究 成果。但是，对复杂应力状态下土的动孔隙水压力发生、发展与消散特性以及孔隙水压 力增长模式等方面的研究由于各方面条件的限制还很不充分。电子计算机及数值计算技 术飞速发展的今天，应用考虑多种复杂因素的孔隙水压力模型已成为可能，从而对孔隙 水压力模型的研究提出了新的更高要求。 另外，在土动力学研究不断深入和发展的同时，一些专家学者注意到土的动力反应 特性与土中能量有着不可分割的联系，可以将能量作为一个综合表达量来反映土体的某 些动力特性 1 4 - 1 8 l 。实际上，在分析土工建筑地基的地震液化势及其稳定时，一般多采用 应力分析法，近似考虑水平剪切地震波的作用。据地震的观测资料表明【l 列：世界上所发 生的地震中，大部分为浅源地震。对于浅源地震而言，震害区多半要遭受瑞利波和乐夫 波等面波的作用，对地面形成既具有水平剪切振动，还具有竖直振动、摇摆振动以及扭 转振动等复杂振动。而目前分析地基、土体的振动变形、稳定和液化势，一般都近似考 虑成水平剪切振动。虽然水平振动为主要的地震动，对土体的影响比较大，但毕竟考虑 不甚全面，未能较好的反映客观实际，有时可能造成较大差距。其实不论是地震还是其 它原因引起的振动，都可以认为是由震源振动的能量激起的，并以振动波的形式向四周 传播。土体经受的振动荷载，其强弱取决于传至士体振动能量的大小和土的动力特性， 2 大连理工大学硕士学位论文 也就是说直接取决于土体振动所耗损能量的大小。这就可能用土体的振动耗损能量作为 振动荷载来研究土的动力问题【2 u j 。 从以上的论述可知，由于实际问题的需要，使得人们必须研究复杂应力状态、复杂 加载模式条件下的动力强度变形特性、动孔隙水压力发展变化机理和液化机理及能够适 用于复杂应力条件下的孔隙水压力模型。然而，目前被人们所广泛使用的孔隙水压力的 应力模式，由于应力是矢量，在分析问题时不仅要知道应力的大小还要明确应力的作用 面和作用方向，这在分析复杂问题时，具有许多局限性和困难。鉴于能量具有明确的物 理意义和简单的叠加特性，可以把能量作为反映土中振动孑l 隙水压力发展的一个综合表 达量 1 7 , 2 q2 ”。 本课题利用大连理工大学与日本诚研舍株式会社共同研制的“土工静力一动力三轴 一扭转多功能剪切仪”f 2 2 】，针对初始相对密度d r = 3 0 的饱和福建标准砂进行的均等固结 条件下的循环单向剪切以及轴向和扭转双向耦合剪切等多种复杂循环剪切试验的结果， 以及控制不同的初始固结参数的三向非均等固结条件下的循环扭剪试验结果，探讨了循 环剪切应力路径、初始主应力方向角、初始偏应力比和初始中主应力系数等多种复杂应 力条件对孔压一能量关系的影响。并利用累积耗损能量的概念，结合福建标准砂的循环 扭剪试验结果，初步建立了复杂应力k - q q ：下福建标准砂的孔隙水压力增长的能量模式。 又针对饱和南海钙质松砂进行了均等同结条件下的循环扭剪试验和循环圆耦合剪切试 验，以及三向非均等固结条件下的不同初始主应力方向角和不同初始偏应力比的循环圆 耦合剪切试验，进一步探讨了影响南海钙质砂孔压一能量关系的因素。根据福建标准砂 和南海钙质砂均等和三向非均等的试验结果探讨了砂土类型对孔压一能量关系的影响。 并依据南海钙质砂的循环圆耦合试验结果，初步建立南海钙质砂在复杂应力条件下的孔 压一能量模式。本论文对孔压一能量模式的研究，不仅使能量概念应用到复杂应力条件 下的孔隙水压力分析中，而且为能量分析方法的进一步应用和发展奠定了一定的基础。 1 2 国内外研究现状及发展状态 1 2 i 土动力学中能量分析方法的发展状况 1 2 1 ，1 概述 众所周知，能量分析的观点和方法在结构力学、材料力学或其它力学分支中的应 用，以其可以作为标量所反映出的可叠加性，而给许多复杂问题的求解带来了方便。 我国位于世界两大地震构造系的交汇部位 纠，地震频繁而强烈，地震作用影响范围 大而且危害比较严重，因而促使抗震工程和土动力学的研究有了很快的发展。而随着抗 一3 复杂应力条件下饱和松砂振动孔隙水压力的能量模式研究 震工程的发展以及海洋工程、核动力工程的兴建，越来越多的复杂荷载条件下的土动力 学问题需要解决。但以往在分析土工问题时常常采用应力分析方法，应力法中应力为矢 量，即要知其大小，亦要知其作用方向和作用面，这就使试验模拟复杂的振动状态以及 计算判定土的动力稳定问题带来一定的困难。而能量是体积量和标量，具有可叠加性， 用于分析解决复杂振动条件下地基、土体的动力问题具有较大的便利，使得能量分析原 理和方法逐渐在土动力学中得到重视。 另外，地震、海洋风浪或机器引起地基、土工建筑物的振动，都可以认为是由震源 振动的能量所激发的 2 。】。例如：对地震而言，无论是关于地震成因研究的板块构造理 论，还是弹陛回跳学说，均认为地震是由震源释放出巨大的能量产生的。至于其他形式 的振动，如：海洋地基的振动、机器基础的振动等，也都分别与风浪波动和机器振动等 外界作用的振动能量密切相关。 1 | 2 l - 2 能量分析法在土动力学中的发展和应用 能量法在土动力学中的应用，开始于二十世纪七十年代，并在国内外掀起发展的热 潮。 国外，y o u d t 。2 4 于1 9 7 0 年首次提出了砂土能量栅( e n e r g yb a r r i e r ) 的概念，认为砂 土颗粒的相互嵌锁与摩擦而形成能量栅，任何土粒间的滑移和重新排列，都必须有足够 的能量来破坏、克服这种能量栅方能进行。当时所提出的能量栅只是一个定性的概念， 但是却能够表明，土体结构抵抗外力的能力和土的结构的变化必然伴随着一定的能量耗 损。 1 9 7 9 年n e m a t - - n a s s e r 与s h a k o o h 1 4 】发表了从能量角度研究振动荷载下均匀松砂的 振密和孔压增长机理，并利用能量概念建立了相应的数学模型。他们在模型中主要探讨 了剪应力、循环次数、初始孔隙比与孔隙水压力的关系。n e m a t - - n a s s e r 和s h a k o o h 在 研究均匀压密和孔隙水压力增长理论时，主要依据了以下几项物理观察： ( 1 ) 当能量增量为新7 时，孔隙比将由e 增加为e + 8 e ； ( 2 ) 当孔隙比为最小孔隙比e 。时，能量增加的很大； ( 3 ) 如果为不排水砂土试验，孔隙比减小的趋势将导致孔隙水压力的增长。而孔压 的增长将使土粒间的压力减小，这样能量减小研矿必然伴随着孔隙水压力增加况。美国 f i g u e r o a 2 5 j 在进行液化试验研究时也观察至h 相同的试验现象。 另外，据郭莹、栾茂田例在关于能量法的论文中所述，n a s s e r 等人还以应力应变滞 回圈面积计算振动耗损能量，并在排水条件下( 孔压比为零) 和不排水条件下液化时 一d 一 大连理工大学硕士学位论文 ( 孔压比为1 ) 分别推导出相应条件下的e 和p w 方程，从而获得可能的振动耗损 能量方程。用数学方法迸一步证实了砂土的液化特性与单位体积耗损能量是相联系的。 1 9 8 1 年，d a v i s 与b e n - i l l 1 6 1 基于n a s s e r 等人提出的理论，从热力学的观点建立了场 地砂土孔隙水压力的增长与土体耗损能量之间的关系。1 9 8 2 年，他们在原有的研究基 础上，假定孔压增量直接与场地地震耗损能量成正比，导出笋0 别场地地震液化的统计判 别式。随后，b e r r i l l 和d a v i s 唧( 1 9 8 5 ) 又利用他人的实验室试验成果整理出孔压比与 液化耗损能量之间的指数表达式，并改变了y o u d 等建立的( 参见文献 2 4 】) 能量衰减 模式，得到新的场地地震液化势的统计判另u 式。 1 9 9 0 年，加拿大l a w 和c a o 2 8 】通过实验室振动三轴和振动扭剪试验成果获得了砂 土的孔压比与土体振动耗损能量间的指数表达式。并由试验获得的土体液化的孔压与耗 损能量表达式。结合国内外砂土及粉砂场地地震液化的统计分析成果，获得了适用粉砂 和砂土的场地液化势的统计判别式。1 9 9 1 年，c a o 和l a w 2 习通过室内振动三轴试验进 行了纯净粉土、砂质粉土和粘质粉土的抗液化试验，并研究了砂粒含量和粘粒含量对土 体液化强度以及对孔压与能量关系模式的影响。研究表明对于砂质粉土，砂粒含量的多 少不影晌液化强度，也不影确达到破坏所需的能量，即不影响孔压能量模式i 而对于粘 质粉土，粘粒含量对液化强度及孔压模式都有显著影响，粘粒含量越高，抗液化强度越 高，破坏所需能量也越多。并结合近期和原有地震资料进行统计分析，将原来只适用砂 土的地震液化判别模式推广到适用于砂质粉土和粘质粉土等可液化土体的统一的场地地 震液化的能量判别式。 1 9 9 4 年，美国f i g u e r o a z 5 q 在输入正弦荷载作用下，进行了大量的中空圆柱体试样的 室内动扭剪试验，并考虑剪应变幅r 、相对密度d r 、侧限压力一等多种影响因素对砂 土液化强度和土体振动累积耗损能量的影响。通过对室内液化试验结果统计分析，并进 行线性拟和分别得到了考虑剪应变幅、相对密度和侧限压力的三参数和两参数( 不考虑 剪应变幅影响) 表达的砂土液化时的累积耗损能量公式，又进一步研究表明三参数和两 参数公式之间相差很小，可以用两参数代表。并将两参数公式用对数形式表达，将此对 数形式表达式定义为土层的地震振动液化势。认为土体单位体积的耗损能量既可取代剪 应变幅亦可取代循环次数进行土体液化的预测。1 9 9 5 年，l i a n g 和f i g u e r o a l 3 0 j 采用同样 的实验室试验研究影响砂土振动耗损能量的因素。他们在实验中将输入的振动荷载由原 正弦荷载变为随机荷载，输入人造地震加速度时程，采用同样处理方法分另得出三参数 和两参数表达的砂土液化时的累积耗损能量公式。结果表明正弦荷载条件和随机荷载条 复杂应力条件下饱和松砂振动孔隙水压力的能量模式研究 件产生液化所需的单位体积累积耗损能量相差很小，可以相互替代。这些在郭莹、栾蔑 田口6 j 的关于能量分析法综述文章中有详细的总结论述。 1 9 9 4 年，o k a d a 和n a s s e r 3 l 】对中粒径的无粘性土进行了应变控制的不排水循环荷载 下的剪切试验，在试验过程中，顺序进行了两次加载，使试样进行中等固结到模拟液 化，并对试验过程中的孔隙水压力和相应的外力作用下的功之间的关系进行了研究。结 果表明：在第一次加载下，孔隙水压力和单位体积的外功呈非线性关系，并且这种关系 不依赖于剪应变幅值；在第二次加载下，它们之间的关系依赖于剪应变幅值。通过对试 验结果进行分析建立了考虑由于粒径之间的相互滑移而产生的内部能量耗损的微观粒子 模型。此 敫观粒子模型表明：中粒径无粘性土单位体积的能量耗损可以用施加的有效应 力历史和依赖于密度和应变幅值的标量表达。后来，又用随机给定应变幅值的扭剪试验 对这一模型进行了验证，并且取得了良好的一致性。 另外，1 9 9 3 年日本的i 扣r as l 】j 圈假定土体的塑性变形为土颗粒骨架局部滑移所引起 的，并采用摩擦角表示土体的损失能量，推导了孔隙水压力和砂土损失能量的关系。 】9 9 4 年，i g a r a s h i 3 3 】又以土骨架的塑眭变形引起的应变能量增量和能够引起液化的能量 增量的比值，即能量比来定义液化安全系数，并引入能量吸收比和动内摩擦角表示土体 抵抗液化的强度，建议了一种由强运动参数计算安全系数的方法。1 9 9 6 年，i g a r a s h i 3 4 1 在原有以能量比定义液化安全系数的基础上，考虑了随机荷载条件，发展了一种判定土 体液化势的方法。 4 国内，何广讷【” 在1 9 8 1 年，针对判断土体液化势的应力分析法存在的某些缺陷， 提出能量分析法在分析液化问题时的可行性。该方法将作用于单位体积砂土中的振动能 量e 。作为衡量标志，首先通过有限单元法求出现场土体在振动荷载下单元节点的位 移，然后通过位移计算出待求节点处的单位体积土体的振动能量e 。，再与相应振动模 式和现场应力条件下试验测定的相应条件下计算点处单位土体的界限振动能量e 。进行 比较，从而判断该处是否液化。由于能量的标量特性，这种动态的能量模拟比动态应力 模拟简便而易于处理，尤其是对分析复杂的振动情况时，更能显示出它的优越性。1 9 8 4 年，何广讷【”】根据近海建筑物地基除了可能受到地震振动外，还常承受风浪激起的基础 振动的特点，指出对于这种在复杂随机荷载作用下的空间问题，难以用通常的应力法分 析地基液化势，若以能量这种标量作为衡量标志的能量法进行液化分析则比较方便。并 且指出，由于风浪作用期长，孔隙水压力不但存在，且将伴随消散和再分布，在进行液 化分析时要给予考虑。另外，还提出用平均应力和偏应力比代替通常采用的固结应力和 固结比这两个参数来更好的反映初始应力对液化界限孔隙水压力的影响。 6 大连理工大学硕士学位论文 19 8 6 年，何广讷和李万明口6 】基于砂土在不排水振动荷载下振动能量与土的有效应力 降低的关系方程，并以单周激振能量作为衡量振动荷载强弱的标准，从地震能量出发推 导出一个地震荷载下饱和砂层液化势的半经验半分析的判别方法，并结合现场实例的统 计分析获得了预测地震荷载下现场土体振动孔隙水压力公式。他们又针对几个己知的液 化实例对液化判别的简化方法进行了验证，结果表明此评价土体液化势的简便能量法比 较可靠。1 9 8 7 年，何广讷和李万明0 1 利用自行研制的振动单剪仪p 踟进行实验室试验， 并仍旧将单周激振能量作为衡量振动荷载的能量标准，建立了砂土在振动能量下的体积 变化和孔隙水压力增长的新型本构关系。 1 9 8 7 年，曹亚林、何广讷和林皋【1 3 通过对福建标准砂大量振动三轴试验的研究分析 表明，振动过程中可以将土体累积耗损的能量作为反映土中振动孔隙水压力升长程度的 个综合指标，并研究和探讨了如何将能量分析的概念和方法应用于判断土中振动孔隙 水压力的升长程度中。他们认为振动荷载作用下，土体单元一般具有三种不同性质的能 量，即输入能量、输出能量和土中耗损能量，又通过大量的试验分析得出土的i l 隙水压 力增长特性与累积耗损能量的关系和振次以及振动历时无关，只要土中累积损失了相同 的能量，同一土中便会引起相同程度的孔压，即孔压增长主要与土中耗损能量有关。而 土中振动能量的耗损，主要是产生于循环剪应力下颗粒的相对滑移和重新排列而出现的 应力应变滞后反应。荷载循环一周土中耗损能量可由应力应变滞回曲线所包围的面积表 示，通过大量试验数据统计分析，相应地建立了土中累积耗损能量与振动孔隙水压力增 长程度间的回归关系，如式( 1 ，1 ) 所示： ，、 r 竹1 l g j 塑j = l g 口+ # l g t 1 一( 1 9 ( k 。) 】竺堡 ( 11 ) o o l o oj 式中：u d 为动孔隙水压力，量纲为 功；o o 土体单元所处的初始应力，量纲为 f l 2 ；为振动过程中单位体积土体累积耗损的能量，量纲为【f 比2 ；砭为土体固结 应力比；a ，f 是试验回归参数。 1 9 8 9 年，曹亚林、王中正和何广讷 2 1 1 从能量分析原理出发并结合大量试验结果，探 讨了不同荷载形式对土中振动孔压发展程度的影响。把作用在土体单元上的不同形式的 振动荷载均视为振动剪切应力和振动球应力两种基本荷载形式的耦合作用。认为土中振 动耗损的能量主要产生于剪切荷载的作用结果，并且提出了土的振动孔压耦合模型，此 模型合理的阐明了不同形