（岩土工程专业论文）长江口导堤软粘土地基在波浪荷载作用下强度软化的特性研究.pdf

摘要 海洋上的建筑物会经历风，波浪和地震等环境荷载的侵袭，这些往复荷载的 作用不但增加了作用在结构物上面的作用力，同时也会使地基土的力学特性发生 变化。尤其是软粘土地基，往复荷载使地基中的孔隙水压力上升，有效应力降低， 从而使软粘土的强度下降而抗变形能力减小。一般称这种现象为强度软化。现行 酶港工地基簌范对于结构物所受的波浪力有较充分的考虑，僵对于鲡俺考虑波浪 往复荷载作用下地基土的强度软化效应则未作规定。2 0 0 3 年长江口导堤的建设 工程中，一场寒潮大浪使地基土发生了强度软化，部分沉箱发生了l 至5 m 的附 加沉降。这次事故给工程技术人员敲响了警钟，同时也激发了这方面的研究兴趣。 本文结合长江口导堤工程试验段的破坏和成功重建的实例，对波浪荷载作用下地 基土的软化特性和结构物的稳定性分析方法进行了分析研究，其体内容包括以下 几个方面： ( 1 ) 本文蓄先根据静三轴和动兰轴的试验结果，分析了长江叠导堤破坏鲍 原因。与常规的动三轴试验方法不同，本次试验对地基土的加荷过程进行了比较 系统的模拟：先对试样施加上部结构引起的旖载，然后施加波浪造成的动荷载， 在试验后立即对测量静荷载作用下的剪切强度，与试验前的静强度数值榴比以判 断试样强度的软化程度。根据试验结果，判定长江口导堤的地基中粉土层并没有 发生液纯耨明显镌强度软化，两软粘土层发生了程度较大的强度软化。 ( 2 ) 根据汉森承载力计算公式对长江口导堤在地基土发生强度软化前后的 地基承载力进行了分析计算。结果表唆，在地基发生强度软化以前，导堤是稳 定的：但在地基中的软粘士层发生强度软化后，地基就会发生整体破坏致使导堤 失稳。 ( 3 ) 根据静三轴和动三轴试验结果分析了将地基加固后酌强度软纯情况， 并对导堤的整体稳定性进行了分析，结果证明加固后的地基可以抵抗设计波浪的 作用，保持整体稳定。 ( 4 ) 探讨软粘土地基在动荷载作用下的震陷发生的可能性和震陷量的计算 方法。 关键词：软粘波浪蓊载循环荷载沉降强度 a b s t r a c t i nt h ed e s i g no fo f f s h o r es t m c t h r e sw h i c ha r ee x p e r i e n c i n gw i n d ，w a v eo r m i c r o q u a k e s ，t h er e s i d u a ld e f o r m a t i o nc o n t r o lo ft h es t r u c t u r ea f t e rb e i n gc o m p l e t e d i so f p r i m a r yi m p o r t a n c e ，t os i m u l a t et h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h es u b s o i l sb e n e a t hs u c h s t r u c t u r e s ，i ti s n e c e s s a r yt ou n d e r s t a n dt h er e s i d u a ld e f o r m a t i o nl a wo ft h es u b s o i l s u n d e rr e p e a t e do rc y c l i cl o a d i n ；， d u r i n gc o n s t r u c t i n gad i k ei ny a n g t z ee s t u a r y , s o m eo ft h ec a i s s o n sw e r es i n k i n g i n t ot h es o f tf o r1 - s mo rs l i d i n ga w a ya b o u t2 0 mf r o mt h eo r i g i n a lp l a c ew h e na s t r o n gs t o r mw a sa t t a c k i n gt h i sa r e a d y n a m i ct r i a x i a lt e s tw e r ec a r r i e do u tt o s i m u l a t et h eb e h a v i o ro ff o u n d a t i o ns o i lu n d e rw a v el o a d i n g b a s e do nag r e a tn u m b e r o fu n d r a i n e dt r i a x i a lt e s t so ft h ec h o s e ns u t yc l a yu n d e rr e p e a t e dl o a d s ，m a t h e m a t i c a l m o d e l s 。a r ef o r m u l a t e dt o p r e d i c tt h er e s i d u a ld e f o r m a t i o n su n d e rs i n g l e a n d m u l t i - l e v e lr e p e a t e ds t r e s s e s 。 1 1 1 ct e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h ee x c e s s i v es e t t l e m e n ta n dl a t e r a lm o v e m e n to ft h e c a i s s o n sa l ed u et ot h es t r e n g t hw e a k e n i n go ft h es o rc l a yd u r i n gt h es t r o n gs t o r m m e a n w h i l ei ti sf o u n dt h a tt h er e s i d u a ld e f o r m a t i o nu n d e ru n d r a i n e dr e p e a t e dl o a d si s c o m p o s e do ft w op a r t s ：o l l er e s u l t i n gf r o mu n l o a d i n gt oz e r oo f t h ef i r s tr e p e a t e d s t r e s sc y c l e ；t h eo t h e rd u et ot h er e s i d u a l 表f o r m a t i o na c c u m u l a t e dd u r i n gt h ec y c l i c s t r e s sp r o c e s su n d e ra p p l i e dr e p e a t e ds t r e s sl e v e l t h ev e r i f i c a t i o no ft h ee s t a b l i s h e d m o d e b b yt h em e a s u r e dv a l u e sh a ss h o w nt h a tt h ep r e d i c t e dv a l u ea g r e ew e l lw i t ht h e m e a s u r e do n e s b a s e do nt h et e s tr e s u l t s ，a l li m p r o v e m e n tm e t h o da s s o c i a t i n gv e r t i c a ld r a i n sw i t h s u r c h a r g el o a d i n gi sp r o p o s e dt os t r e n g t h e nt h ef o u n d a t i o ns o i l 。w i t ht h ei m p r o v e d s o i lf o u n d a t i o n , t h ed i k eh a sb e e nr e c o n s t r u c t e da n du n d e r g o n es e v e r a ls t r o n gs t o r m s w i t h o u ta n y 蠡m a g e 。 k e yw o r d s ：s o f t c l a y , w a v el o a d ，c y c l i cl o a d ，s e t t l e m e n t ，s t r e n g t h 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 藏撰写过豹研究成采，也不包含为获得一墨鲞蓉堂或其链教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一网工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了翡确鹃谎瞬并表示了谢意。 学位论文作者签名：i - 司明 签字日期： 知a 7 年臼月i7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盎墨堂。有关保留、使用学位论文的规定。 特授权基鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据霹进行检 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f 了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：阀张 签字匿期：五年争冀j f ，b 翮签名：囊、瀚 签字吕期：蛔? 年争胃f ，e l 第一章绪论 11 课题的提出背景 第一章绪论 饱和软粘土在波浪等往复荷载作用下，变形增加强度降低，称为弱化作用。 波浪荷载对地基土产生的单次直接压力只有几个或十几个干帕，一般并不足以使 结构物的地基失稳或出现过量位移：但如果经波浪荷载的周期性的往复作用，软 粘土中产生的孔隙水应力由于排水不畅而累积升高，这一方面减小了土颗粒间的 接触应力，使颗粒之间的摩阻力降低【l 】，另一方面增加了颗粒孔隙问自由水膜的 厚度，使颗粒间的胶接作用降低。宏观上的表现就是土体的强度降低，变形模量 减小，使软粘土地基的承载力大幅度降低。这与金属的疲劳现象类似，但机理完 全不同。 我国沿海和近海地区的地表普遍覆盖着新近沉积的第四纪软粘土。这种软粘 土的孔隙比大，含水量高，强度低。在波浪等往复荷载作用下，弱化效应非常显 著。修建在这种欹粘土地基上的结构物，当遇0 较强风暴时，土体极易发生弱化， 如果设计中没有预留足够的安全储备，就会出现因地基失稳使结构物发生过量沉 降或滑移等工程事故。例如，在渤海软土上工作的渤海6 号衬垫式钻井平台，在 一次风暴中由于地基土弱化，沉降了1 6 m ，并产生了2 m 左右的滑移，使平台移 位，井口剪断造成了重大的经济损失。又如，辽东湾j z 9 3 平台为沉箱式基础， 沉箱安装过程中，在沉箱与桩相连接之前的一次风暴中，沉箱产生了17 m 的沉 降，后因及时用桩固定，才避免了进一步的沉降。2 0 0 3 年长江口导堤的建设工 程中，在一场寒潮太浪中其地基土发生了强度软化，使部分沉箱发生了1 至5 m 的附加沉降，这是近年来最典型、影响最大的一次软粘土弱化现象( 见图1 - 1 ) 。 图1 1 长江e 3 导堤波浪作用下结构破坏情况 麓章绪论 目前对软粘土弱化机理的认识、试验手段、本构荚系的建立和工程对策等方 面的研究还不够深入，研究成果蠢来达到能够指导工程实践的程度。因此尽管人 们已逐步认识到软粘土弱化的危害往，僵由于在海底她理软土地基的费用极高， 所以般港工或海工结构物尽量避开软粘土地基，或采用费用较高的桩基础。在 结构物稳定计算孛猿然把波渡力律隽攘饕力l l 司来考虑。 我国的渤海湾和长江三角洲现在都处于经济高度发展期，随着港口工程和海 洋工程静发展，需要在软粘土地基上修建各类大型结构梅。为了适应这种地基， 工程技术入员设计了一些新型的码头、防波堤和海工结构，如沉箱式或筒形基础 平台、大圆筒码头结构、半圆体或空心方块轻型结构防波堤等。这些结构物设计 翡基本思路都立足于辫低结构兹耋曩，藏小波浪力势教交其谗用点。这些搐薨大 多带有探索性质，并不能根本解决地基土弱化问题，因而在实践中仍然出现了一 些工程事故。例如，近年来某工程在软遗基上修建的大国篱基础，在波浪麓俸 用下发生了过量沉降、倾倒的现象；天津港某半圆体防波堤在风暴潮中出现了较 大的位移；长江口深水靛道治理工程是迄今必止我国最大的水运工程，其二期整 治建筑物工程在2 0 0 2 年羔2 秀初翡寒灞大浪袭击下，n ii b 标段己安装的部分半 圆型沉箱发生了2 4 m 的沉降和将近2 0 m 的滑移，工程进度严熏受阻。以上工程 事敲都造成了臣大蘸经济损失。 在长江口北导堤二期工程的其余标段，对软土地基采用了塑料排水板进行加 匿处理，上部采用了霹样酶半匮体结构，建成至今都没宥发生过羹静沉降糯位移。 这表明软土的弱化程度可以通过一定的技术措施进行控制。 综上所述，针对新型港工和海王结构物的软粘土地基弱化特性进行研究，并 提毒有效熬工程对策，在壤论上和实践孛都舆有重要的意义，也是我营潘海选区 港口工程和海洋工程的发展所必须解决的课题之一。 长麓数来，动蕊载对重力式建筑勒她基稳定性影响鲢磋究，主要集串在地震 荷载作用下砂性士液化等方面。但是，由于重力式建筑物一般都选择在承载力较 高的地基上，波浪荷载较之地震嚣畜是周期长得多的交变蘅载，一般认为较少发 生因残余孔隙求压力弓 起豹滚纯。散对渡滚祷载作用下，地基特别是软粘土力 学性质变化的研究较少。我国的港口工程和海洋工程的规划7 】中也没有有关此类 霜题的觏定。以下是星蠹外豹一些有关翁骈究成果静综述。 l 。2 圈外霹类磷究的现状及发展趋势 对于波浪往复荷载作用下地基士的力学性状变化问题，国外已积累了较多的 研究成果，主要集孛在砂土滚傀方蔼。 2 第一章绪论 早期的工作主要有：1 9 7 8 年，山本分析了波压力作用下各向渗透同性土的 渗透性、深度等因素对土中应力的影响；m a d s e n 则分析了波浪弓l 起的孔隙水应 力和有效应力随深度变化的规律，讨论了土体的各向渗透异性等因素对土中应力 的影响。但他们对波压力均只作为一种静力施加于土体上，没有考虑往复荷载作 用下主体的动力特性。 1 9 7 5 年，l e e 和f o c h t 玎】在对北海e l o f is k 油罐地基砂土液化的可能性研究 中，考虑了孔隙水应力部分消散的影噙，1 9 7 8 年s e e d 和r a h m a n 研究结果认为 最终的孔隙水威力发展是土层中孔隙水应力的增长与消散两种效应共同作用的 结果。r a h m a n 还考虑了地基中初始剪应力的分布，透过试验确定了动强度和初 始剪应力与动赘应力比之闻的关系。僵上述方法采用了一系列近似经验公式，使 其应用受到限制。 为了能较麓便地箕瞬砂土滚佬豹可能性，1 9 8 4 颦石原和翻崦通过动三轴试 验和扭剪试验得出了当循环荷载次数超过1 0 0 次时会发生破坏的土体中动剪应 力比和的密实度的关系，然后通过图表来确定某一特定的设计波浪作用下海底 截面t 动剪应力比达到前述临乔比的深度，从而判断出海底削面上的液化范围。 但这种方法的缺点是在确定动荷载引起海底剖面上的压力分布时假定土体是完 全弹健、半无限空阅、虽各向同性，同时也没有考虑捌孔隙水癍力消散豹影响。 前述研究虽然涉及到了波浪荷载的作用，但主要还停留在理想化的基础研究 的范畴，针对的对象仍然是砂土的液化现象，且未考虑地基一建筑一波浪三者之 间的相互作用。 自1 9 7 1 年以来，挪威土工研究所( n g i ) 针对d r a m m e n 粘土【2 3 1 的动力特性做 了大量动三辘和动单剪试验研究，采用应力控制方式施加正弦荷载以模拟交变的 波浪作用。所有试验均为侧限条件下的不排水试验。根据大量试验成果，1 9 8 8 年a n d e r s e n 对粘土的动力特性做了较为全瑟的论述。主要包括：指出动力试验 中选择合适的荷载组合和试验手段的重要性；讨论了超固结对土的动力特性的影 响；用应力路径的方法研究了粘的静抗剪强度、动抗剪强度和受动荷载作用后 的静抗剪强度之间的差别及进行破坏分析时选择强度指标应注意的问题；阐述了 应用有效应力分析方法和总应力分析方法确定受动荷载作用后士的静抗剪强度 等。 1 9 8 8 年，美国的l e h i g h 大学的p a m u k c u s t 3 l 】对软海洋粘土的静剪应力模量 进行测量。研究发现，当海底沉积物沉积速度大于匿结速度时，土体即会失稳。 波浪荷载会引起沉积物中孔隙水压力发生变化，从而减小了有效应力；沉积物会 减少土体的强度和稳定性，并在小于0 5 度的斜面上形成深度大于3 0 m 的凹槽。 3 第一章绪论 根据理论和一些相关试验，沉积条件和应力水平可能会使软饱和海洋粘土发生大 的变形。然而，这种动态试验使剪应变模型变得相当复杂，不利于研究。 美国的i d r i s s 等人通过动三轴试验研究了软粘土在往复荷载作用下的非线 性变形特性，建立了拟静力的软粘土地基动变形的分析方法。 嚣本对波浪蒋载作用对地基性状的影响的磅究始于2 0 世纪9 0 年代。1 9 8 4 年，善功企发表了海洋开发中的波浪对海底地基的动力作用一文。但主要的 研究工作应从1 9 9 3 年善功企发表关于波浪作用下海底地基液化问题懿研究 开始。该文中，善功企不仅从理论和试验研究的角度揭示了地基液化现象的存在 及产生机理，而且针对1 9 7 6 年在日本海发生的低气压引发异常大浪( h 1 3 = 7 1 m ) 的捧爝下，薪泻西港第二防波堤部分堤段的破坏实例进行了地基液纯的分析计 算。计算中采用了有效波代替不规则波，使试验结果与现场破坏情况相吻合，他 认为分孝厅防波堤地基整体稳定性隧，应考虑波浪作用引起地基土残余孔隙求压力 导致砂质地基抗剪强度降低的影响。原地基强度低，且粉土层的存在限制了超孔 隙水威力的消散，导致了该防波堤的破坏。 近年来，国外对软粘土的研究工作越来越多地与工程实际相结合，研究方法， 试验方法都有了很多创新。 1 9 9 3 年，印度技术研究赝静r a o ，s n a r a s i m h a | s 】研究了阕边循环锋用下海 洋粘土中刚性桩的特性。在海洋工程领域中，普遍应用桩基来支撑几种结构。在 许多情况下，桩服从于周边应力。聪在此领域中，设计桩必须考虑海洋波浪的往 复作用。在此研究中，刚性桩在循环周边荷载作用下的应变特性是由深插在海洋 软粘土的模型桩的试验方法进行模拟，静态试验也同样在深插于粘土河床的桩上 进行，河床是与现场情獯完全相籀的。循环载蘅由风力控制的载荷系统施加。试 验中的桩是根据桩土相关的硬度由不同配量的适量钢，铝，聚氯乙烯构结而成。 当循环载蕊平均值小于静瘸边承受力5 0 篱时，研究人员发现随着循环周麓次数增 加，平均荷载的偏差增加，这种偏差会在循环到某个特定次数后趋于稳定。当循 环载荷平均值大于静周边承受力5 0 时，周期数大程度地增加。这个试验结果表 明，静态荷载犬于静态髑边承受力4 0 。循环载荷的变化可以由土的强度交化表 示。 1 9 9 4 年，y a n g ，q j c 弦】对循环疲力作用下的淤泥朦的残余变形炸了研究。海 面上的建筑物会经历风、波浪、微型地震的侵袭，因此在设计这种建筑物时应该 首要考虑控制其残余变形。为了模拟在建筑物下的天然地基的特性，正确理解往 复波浪荷载作用下的变形原理显得尤为重要。研究人员用实验方法研究了屈服于 单一或多种循环应力的粘士的变形规律。在进行了一系列不排水三轴试验后，建 立估测单一或多种应力水平的循环应力作用下的残余变形的估测数学模型。同 4 第一章绪论 时，研究人员发现，在不排水往复荷载作用下残余变形量由两部分组成：一部分 是施加循环荷载前的初始变形量，另一部分是在施加了循环荷载后的累积变形 量。试验结果与建立的模型相吻合。 同年，印度技术研究所的p r a s a d ，y v s n 3 3 1 对循环荷载作用下建筑物地基 进行试验研究。建筑物羹奠基受大范豳压力循环载蘅影喃。当风和波浪经过上层建 筑时，轻微摇摆和左右移动形成了循环载荷。研究人员利用插在海洋软粘土上的 钢管进行试验来研究在循环应力作用下的嫉的特性。循环荷载通过风力系统施 加。试验中循环荷载的变化范围在3 0 到5 0 之间。通过试验可以得出：当循环 荷载水平较低时，变形量在数百次周期后变得稳定。如果变形量比最终静应力试 验的变形量小，承载力不会减小。然丽，如果变形量高于静应力作用下的变形量， 桩在一百个周期之内就会遭到破坏。桩在循环荷载作用下的移动是控制静态承载 力的重要参数。软粘土循环荷载作臻下变形特性的应用被拓宽。 2 0 0 0 年，美国的n a n d a ，a 和p a u l ，m f 2 。7 】对波浪引起的海床的不稳定性建立 了课题进行研究。暴风雨弓l 起的巨浪给海床带来了波浪荷载，妇此可能会引发软 粘的大幅度交形，松砂的液化。可以应用简单一维进行限定，限定层模型来研 究海床的软粘土和松砂的稳定性。对于砂质海床，无量纲的时间因数是一个估计 孔压以酶发展速度及最大孔压的使捷的参数。糖主海霖的安全性纛无因次的要素 之间的关系由此被建立。这些量纲的建立为分析波浪荷载作用的海床稳定性分析 提供了快捷的初步参数。 1 9 9 7 年p u z r i na l e x a n d e r ，f r y d m a ns a m 对如何降低以色列大陆斜面的地 震效应进行了研究。地震效应分析通常是通过激射微波模拟地震动荷载进行研究 的。在以往的研究中，透常忽略软糕主麓变形。研究入员对当时普遍认同的不排 水条件下软粘土的循环简单剪应力应变模型产生质疑。该模型巾，累计变形只受 主有效应力影响，小的剪应变量被忽略。箍蕈的说，强度弱化完全是由硬度弱纯 所造成。规格化的模型是指分析地面反映分析中，应用简单剪应力和边界条件下 的有效应力模型，而模型随着表面周边动力，等方性滓水塑性发展。该课题应用 试验方法对模型在一维电磁传播分析中将软粘土预期反映与不考虑循环弱化的 软粘土预期反映进行比较。课题证明忽略循环弱化是不正确的，会低估变形的速 率和翻速度。 2 0 0 3 年，i b a r a k i 大学的m u r a k a m i s 对建立在软粘土上的轻质防浪堤进行 了变形分析。研究人员主要估测在匝浪过程巾，循环波浪应力作黑下轻旗防浪堤 的竖向沉降和水平位移的数量方法。这种方法考虑了循环塑性的本构关系。由蜂 窝状短管组成的轻质防浪堤减少了软粘土地基的侧向变形和竖向沉降。研究结果 显示这种最薪提议的分析方法成功模拟了循环海洋波浪应力佟用下的防浪堤酶 s 销一章绪论 变形情况。 2 0 0 7 年y i t d i r i m 。h u s e y i n 9 】对循环荷载作用下的沉降提恕了较掰的观点。 他用试验方法研究了软粘土再循环荷载作用下的固结沉降以及相关影响因素，例 如循环次数和应力水平。试验用简单的循环测试设备来测量在泥浆固结器中的一 缝掸本。对所有样本均施以五组连续酌循环应力，并且在每个施加循环应力阶段 都给予6 0 分钟来排水。循环荷载的频率是相同的，均为0 1 h z 。结果显示，软 粘土服从于不撵水周期荷载，而撵水周期更加抗拒后来的循环剪应力。晷维沉降， 孔压，剪应变阶段性衰减。 此后，日本运输省港湾技术研究所较系统地研究了波浪作用下粘性土地基、 细砂地基的各种液囊二现象，特别是进行了有关波浪与地基相互作用的室内模型试 验。由于相似律的问题较难解决，地基土在波浪作用下的液化现象一般难以在水 工模型试验孛重现。2 0 0 1 年基本港湾空港技术研究所建成了大狴波浪地基水槽， 可以敷设4 m 厚的地基土，同时产生3 5 m 的波高，为研究波浪引起的地基土液化 。现象提供了有力的试验手段。 综t 所述，地基土在波浪动力作用下可能发生强度降低，从而危及海工结构 物的稳定，这在国际上已引起人们的重视，并已开展了大量理论和试验研究。但 是，毒予这一闻题涉及裂波浪一结构物一地基的相互作用，曩前主要还处于基础 性研究阶段，未见相应的定量分析一设计方法一工程实践成果。在日本现行规范 中，也只是提出考虑土的动强度时，应通过能再现外力的动态特性的试验，把握 好地基的交变抗剪强度的要求。 薹3 国内同类研究的水平和发展概况 在我晷，沿海和近海地区的表艨一般为软糙土。这种软糕主有孔隙比较大， 含水量较高，强度较小，触变性，结构性等特点。在一定大小的往复荷载作用下， 其强度还会进一步弱化，残余强度与初始强度相比，往往会有较大幅度的折减。 有些海上结构，如防波堤，海洋石、漓钻探和采i 壶平台等，不得不建造在这种软 地基上，当遇到较强风暴时，结构物把风、浪引起的波浪荷载传导地基上。当这 。种情况发生时，凌于地基生发生强度弱化，使逑基承载力降低，抵抗变形能力减 小。如果地基设计中没有预留足够的安全储铬，就会出现地基失稳、结构物过度 沉降或滑移等工程事故。 由予工程实践的需求，国内对波浪荷载作用下海洋地基稳定性也进行了研 究。2 0 0 4 年，长沙交通学院【3 2 】对软粘土抗剪特性做了试验研究。课题从软粘土 的抗剪强度试验离发，一方面通过三辘u u 剪切试验，褥塞了试样瓷霹度对软粘 6 第一章绪论 土抗剪强度参数的影响关系：另一方面通过大量的固结快剪试验，得出了软粘土 在不嬲先期固结压力、不圈固结度下的强度变化规律，该课题为软粘土上的工程 设计和稳定性分析提供依据。 同年，天津大学对于软粘土在循环荷载作用下的累积变形特性做了研究。课 题研究了海洋原状软粘主的不国结、不捧水动力特性，依据循环三轴试验结果， 分析得出了一种描述海洋软粘土受到循环荷载作用时的累积变形的简便表达式， 把软粘主的循环累积变形与其受到的静应力、循环应力以及循环次数的关系统一 表示出来，为研究海洋软粘土的地基变形和承载力提供了便于应用的研究结果。 2 0 0 5 年，浙江大学的岩工程研究所【4 5 】也对循环荷载作用下的结构性软糙 土进行了课题研究，该研究采用萧山原状和重塑软粘土在不同藤力下固绪后进行 动力试验，探讨结构性软粘土在循环荷载作用下的变形和强度特性，合适的动应 变破坏标准。试验逆较了破坏标准与破坏应变标准取为5 和1 0 1 鸯的动强度差 异。结果表明，在破坏振次较小时，课题提出的应变破坏标准更为合理；随着振 次的增大，不同废变标准下的动强度差异性逐渐减小并趋于同一个稳定值土 体的最小动强度。固结压力对结构性土动强度的影响较大，当网结压力小于土体 结构屈服应力时，原状土强度明显高于重塑土；当固结压力超过土体结构屈服应 力时，两者的动强度基本趋于一致。 2 0 0 5 年，大连理工大学尝试了一种新的土工三轴试验方法，即一个试样同 时得到与体静动变形秘强度特性相关的参数。课题讨论了采用耦合试验方法时 循环次数对静力变形和强度特性的影响；并通过与常规试验结果的比较，给出了 等效弹性模量、等效阻尼比和动永久应变等动力变形参数的试验结果。这些研究 成果对复杂应力条件下的动力变形特性的研究起了重要的指导作用。 2 0 0 6 年，江西理工大学【5 0 】也展开了关于循环荷载作用后饱和软粘土抗剪强 度变化规律的试验研究。该研究主要针对在长期交逶蕊载作用下低路堤高速公路 及铁路的软粘土地基发生的异常沉降。虽然交通荷载与波浪荷载有所不同，但课 题所采用的试验对波浪荷载的研究有重要的指导作用。课题主要研究了在循巧荷 载作用下，软粘土的刚度、强度的衰减使加载后的地基承载力减小。课题通过 g d s 双向震动三轴仪对循环荷载作用下正常固结、超固结饱和粘土的不排水抗 剪交化规律进行了磅究，取得了一些结果具有一定指导意义。 而早期较有成效的研究工作就要追溯到1 9 9 5 年，天津大学与渤海石油公司 组成联合课题组针对渤海、演田地基在波浪作照下的液化帮软化阅题进行了研究。 课题组采用国外集中常用的分析计算方法，对渤海4 个油田地基土的稳定性进行 了分析计算，做出初步判断；并与南京水利科学研究院岩土工程研究所合作，对 渤海油田地基土傲了离心模型试验，试验中利用循环加压的方式模拟波浪荷载； 第章绪论 课题组还对原状土样进行动三轴试验的基础上，建立了土壤在往复荷载作用下的 本构关系模型，编制了有限元分析程序，并针对现存的海工结构物进行了分析模 拟。 董4 地基承载力的计算方法 结构物的地基能否承受上部荷载和其它荷载的共网作用，取决于地基的承载 力的大小。在地震、波浪等动荷载的作用情况下，在计算地基承载力时，既要考 虑其引起的附加荷载，又要考虑地基土的力学性状的变化。 地基承受建筑物蔫载的作用薏，内部应力发生改变。一方舔附热应力弓| 起缝 基内土体变形，造成建筑物沉降。另一方面，引起地基内土体的剪应力增加。当 某一点的剪应力达到的抗剪强度时，这一点的土就处于极限平衡状态。影响地 基极限承载力的因素很多，除了地基土的性质外，还与基础的埋置深度、宽度、 形状有关。在研究中，把地基土当成理想弹塑性体，即当应力小于破坏应力时， 或者题应力状态达委| 极限平衡条件前，为线弹性体，两在达捌破坏应力后，或 达到极限平衡条件后，土为理想的塑性体。 。 地基承载力的确定，一般有现场原位试验、理论公式以及从缝基规范承载力 表中查取等三种方法。本文主要是应用理论公式的方法来研究地基承载力。 圭。4 1 极限承载力的基本公式 极限承载力的理论公式【1 1 1 首先是由邓肯于1 8 5 7 年提出。假定基础底诼光滑， 基础鹾侧的土重用连续均布超载来代替，基地以下的士为无重量介质，得到极限 承载力的计算公式为： - - o n , 1 d n 其中， n c n q 式中 1 - 1l c o t t p c 土的凝聚力，k p a l 一2 ) 一、，f 帖 伊 “_ ； 芎 甘皇 伽 距 筵一章绪论 妒土的内摩擦角， y 土的容重，水下用浮容重计算， k n m 3 d 基础的埋置深度，m r 、m 承载力系数 普朗特尔予1 9 2 0 年根据塑性理论 2 0 l ，导出了雕性地基压入无重量中滑动 面的形状及其相应的极限承载力公式。瑞斯诺于1 9 2 4 年在普朗特尔的基础上， 把基础鼹侧埋嚣漯度的土重以连续均毒的超载鼋= r d 来代替，修正了承载力系 数。 e l l 于这两种方法均没有考虑到地基持力层土的重量的作用，导致放在砂土地 基表翁上的极限承载力等于零的不舍理性。为了弥补这一缺陷，不少学者在普朗 特尔基础上对承载力理论进行了研究和发展。例如4 0 年代太沙基【1 4 】( t e r z a g i l i ) 根据普朗特尔的基本原理，提出了考虑地基土重量的极限承载力公式；5 0 年代 迈耶霍尔( m e y e r h o f1 3 g ) 提出了考虑地基以上两侧土体抗剪强度影响的极限 承载力公式，以及后来叉提出了在斜坡和成层地基上的极限承载力公式等；6 0 年代汉森( h a n s e n j b ) 提出了中心倾斜荷载并考虑到其他一些影响因素的极限 承载力公式；7 0 年代魏锡克在前人的基础上，除了引入一些修正系数外，还考 虑裂地基褥惩缩性的影响，把整体剪切破坏条件下的极限承载力公式摊广应用 于局部或冲剪破坏时承载力的计算。 1 4 2 极限承载力的修正和推广 在工程实践中，经常可能遇到非条形基础、倾斜或偏心荷载作用等情混。对 于这些情况目前没有严格的解答，一般都采用引入一些半经验的系数对承载力进 行修正，修正后的极限承载力公式【2 5 】一般用式( 1 3 ) 表达， 吼= 三弘瞩嘭g ，+ q n q s , d j , 岛6 ，+ c n s c d f l c g 。b c ( 1 - 3 ) 其中，圯、m 、m 地基承载力系数；在汉森公式中取 ，。、 = t a n 2 | 4 5 。詈i e x ，s o = ( 辑一1 ) c o t t p ，墨= l 。8 ( 麓- 1 ) t a n t p 如、已、墨相应于基础形状修正的修正系数； 西、疋、攘应于考虑埋深范围内强度的深度修委系数； 0 、t 、相应于荷载倾斜的修正系数： g ，、墨、繇楣应于地面倾斜的修正系数； 9 第章绪论 1 5 本文的主要研究内容 豳于矿物组成和沉积条件等原因，地基有很强的区域性，即不同地区的地 基土的性质有很大的区别。长江口二期工程建筑物工程更加远离陆域，工程区水 更深，浪更大，缝基裂更加软弱，工程条件援端恶劣，因此，在设计中穰难直接 应用现有的研究工作成果，必须进行专门的针对性的研究。 本文结合长江口导堤工程试验段的破坏茅曩成功重建的实侈l | ，对波浪赫载作用 下地基土的软化特性和结构物的稳定性分析方法进行了分析研究，具体内容包括 以下几个方面： ( 1 ) 本文首先根据动三轴的试验结果，分析长江口导堤破坏的原因。与常 规的动三轴试验方法不同，本次试验对地基土的加荷过程进行了比较系统的模 拟：先对试样施加上部结构弓| 起的萄载，然后麓热由予波浪造成的动荷载，在试 验后立即测量静荷载作用下的剪切强度，与试验前的静强度相比较，以判断试样 强度的软化程度。根据试验结果，判断长江口导堤的地基中的粉土层发生液化的 可能穗，判断软粘土层的强度软化程度。 ( 2 ) 根据汉森承载力计算公式对长江阴导堤在地基土发生强度软化前后的 地基承载力进行u 了分析计算，兴断在遣基发生强度软纯以前蜃导堤的整体稳定 性。 ( 3 ) 根据动三轴试验结果分析，地基加固后的强度软化情况，并对导堤的 整体稳定性进行分析，判断加固后的地基是甭可以抵抗设计波浪的作用且保持整 体稳定。 ( 4 ) 探讨软粘土地基在动荷载作用下的震陷发生的可能性秘震陷登的计算 方法。 第二章模拟导堤实际加荷i 程的动三轴实验方法 第二章模拟导堤实际加荷工程的动三轴试验方法 2 1 静三轴试验 2 1 l 试验目的 为了测定长江口导堤地基土的静强度指标进行了静三轴试验。目的主要是 测试土壤在不固结、部分固结和完全固结条件下的不排水强度并通过与动三轴 试验的振后残余强度的比较，来判断地基土在往复荷载作用下的强度折减程度。 2 l2 试验仪器 静三轴试验在南京土壤仪器厂生产的s j - i a 型三轴剪力仪上进行( 图2 - 1 ) 213 试验方法 图2 一l 静三轴试验机器 土样为三航院勘察工程公司用薄壁取土器在长江口导堤施工现场取得原状 土、用切土器切削成型，土样高8 0 r a m 壹径3 5 r a m 。为防止土样失永，在饱和 罐内对土样进行抽气饱和。 试验方法分为三种，以测试不同固结条件和排水条件下的土壤的强度指标。 ( 1 ) 不固结不排水试验( 静u u 试验) 将士样安装在压力室中，施加周围压力，然后立即进行不排水剪试验。在试 验中由压力传感器记录施加的偏应力，由位移传感器量测土样的变形。当土样变 第二章模拟导堤实际加荷工程的动三轴实验方法 形达到土样初始高度( 8 0 m m ) 的1 0 时终止试验，由计算机生成应力一应变关 系的文本文件和图形文件。 每组至少做三个土样，每个土样施加不同的周围魇力( 一般为5 0 k p a , 1 0 0 k p a 和2 0 0 k p a ) 。对每个土样，根据不同的周围压力以及土样破坏时的偏应力可以在 应力空闽徽出一个极限应力圆。徽三个样兹极限应力因的公切线，甏可得到土 壤的不固结不排水( u u ) 强度指标。 ( 2 ) 固结不排水试验( 静c u 试验) 将土样安装在压力室中，根据圈结应力的大小施加周围压力，打开排水阀门 排水囤结2 4 小时，然后立即进彳亍不排水剪试验，剪切速率为0 0 0 5 m m m i n 。试 验结粟的整理方法与静u u 试验檐同，从褥可以得到土壤的露绪不排承( c u ) 强度指标。 ( 3 ) 部分粪结的不排水试验 将土样安装在压力室中，施加周围压力，打开排水阀门排水固结，待孔隙水 应力消散值达到初始孔隙水应力的8 5 时，立即进行不排水剪试验。试验结果的 整理方法与静u u 试验相同，从丽可以得到主壤的部分固结的不排水强度指标。 2 2 动三轴试验 2 2 1 传统的动三轴试验 动三轴试验是在静三轴试验的基础上发展起来，是测定土的动力特性的最常 用的试验手段。传统的动三轴试验方法具有与静三轴试验相似的应力条件，只是 将静荷载变成循环作用的动荷载，测试试样在动荷载作用下的动力特性。动三轴 试验可以比较灵活地改变和控制试样应力状态，从而可以直接模拟各种动力作 用；可以有效地控制固结度和孔隙永压力的湍长，从两可以较好地模拟不同排水 条件下饱和土的动态应力应变关系。动三轴试验有单向振动( 常围压) 和双向振 动( 振动围压) 之分。双向振动三辘试验弥李 了单向振动三轴试验无法施加较大 应力比这一严重不足。由于其仪器设备结构比其他动力特性实验方法简单，易于 操作，是目前室内土的动力特性试验中采用比较普遍的方法。 单向动三辘试验是在压力室内对一豳柱实心试样施加选定的等向压力 ( 吼) ，对试样进行固结。这时试样4 5 0 斜面上法向应力也是以，剪应力( f ) 失零。在垂直辅南施加动荷载，丽侧向压力氏仍保持不变，其压力状态如 图所示。从图中可看出，在轴向动应力作用下，可得出两个应力圆，吼分别 为两个应力圆上的大主应力和小主应力。当+ 作用时，垂直轴向为大主应力， 水平方向为小主应力，当一作用时，垂直方向为小主应力，水平方向为大主应 1 2 第= 章模拟导堤实际加荷工程的动三轴实验方法 力。动荷载上下循环一阁，试样受压和受拉一次主应力轴循环9 0 。，即产生所 谓的应力反向问题。 试验仪器的检查与标定：试验进行之前，对仪器的静压、激振、量删及数据 采集等系统均应按其使用说明书或规程进行检查和标定，使其进入正常工作状 态。在满足试验要求下，还应有一定的安全储备。 应力选择；试验时应力值应根据天然土层实际应力状态确定进行试验设计。 亦可采用平均主应力d 。= ( o - , + 2 c 5 ) ，3 使试样在近似天然条件下承受动荷载。 动荷载亦应最大限度模拟天然条件和工程实际可能承受的最大动荷载。如模拟地 麓作用，可根据当地地震烈度相应的加速度、上部土层自重以及上部建筑荷戴 计算相应动应力a 。 2 22 本文采用的动三轴试验方法 一、试验目的 通过动三轴试验确定粘性地基土的抗往复荷载的能力，并测试土样的振后 强余强度，从而分析其在动荷载作用下的强度折减程度。 二、试验仪器 动三轴试验在美国进口的f i x 1 0 0 振动三轴仪上进行( 图2 - 2 ) 。它由计算 机动力控制部分、静力控制部分、压力室及动力加荷部分组成。动力加荷部分采 用电磁式激振器和伺服系统由计算机动力控制部分控制，可在应力控制条件下 沿土试样轴向施加各种形式的振动应力并由计算机对动力控制信号及试验过程 进行编程控制，同时采集记录试验数据供处理用。因此，该振动三轴试验系统具 有良好的试验准确性。 图2 - 2h x 一1 0 0 型振动三轴试验仪 第二章模拟导堤实际加荷工稳的动三轴实验方法 三、试验条件 ( 1 ) 土样围结条件 根据模拟的施工条件，分为两种情况：土样在压力室中：( i ) 不固结；( i i ) 固结到一定程度( 按固结度控制) 。 ( 2 ) 露结应力 主要模拟土样在静、动条件下实际所处的应力条件。试验中采用等向固结， 即固结压力o c = q 。= 0 3 c ，根据土样在原位的受力条件确定。 ( 3 ) 动力条件 主要是模拟波浪引起的动荷载的波幅、周期和持续时间。一般采用筒谐正弦 波来模拟。本次试验的动荷载的峰值、周期和振动次数以及静荷载的大小是由设 计单位( 一航院) 根据设计条件分析计算得出的，作为试验的荷载条件。 四、试验方法黧试验过程 试验方法主要参照水利部土工试验规程 2 6 ( s l 2 3 7 1 9 9 9 ) 。试验方法分为 三种，以测试不同固结条件和排水条件下土壤的强度指标。 ( 1 ) 不固缩不排水的动三轴试验( 动琊试验) 将土样安装在压力室中，在不排水的条件下，施加周围压力( 相当子现场的 皇重应力，固结度为零) ，然螽轴翔施翔静巍力口；，黟，耀当予沉箱和箱内填砂 7 7 引起的地基土中的静应力，当静应力作用下的静应变稳定后，立即在轴向施加规 定大小的往复荷载。在试验中由压力传感器诧录施加的动应力，由位移传感器量 测土样的动变形。当土样变形达到土样初始高度( 8 0 r a m ) 的1 0 时终止试验， 由计算机生成应力一应变关系、累计应变一振次关系和累计孔隙水应力一振次关 系的文本文件和图形文件。在达妥预定的振动次数后，帮刻进行不捧水剪试验， 以确定土样振后的残余强度。 ( 2 ) 绩不排求动三辘试验( 动c u 试验) 将试样在自重下固结，然后继续上述不排水的动三轴试验。 ( 3 ) 部分固结的不排水动三轴试验 将土样安装在压力室中，旌加溺围压力( 相当于地基土鸯重及基床抛石重量 引起的地基中的应力之和) ，打开排水阀门排水固结，待孔隙水应力消散值达到 初始孔隙水应力的8 5 时，关闭排水阀门，然后辘向施加静应力莎，巧，耀当波 浪循环荷载作用下结构物自重在地基土壤内引起的静应力，当静应力作用下的静 应变稳定后，立鼯在轴向施加规定大小的往复荷载( 相当于波浪通过沉箱传递给 地基的动荷载) 。试验结果的整理方法与动u u 试验相同。在达到预定的振动次 数后，即刻进行不排水剪试验，以确定土样振后的残余强度。 1 4 第二章模拟导堤实际加荷工程的动三轴实验方法 2 2 3 本次试验的特点与特殊性 本次试验模羧了原样土的应力条件，与普通动三辘试验粳毙，具有如下的特 点： 一、不排水条件 由于原样土土样面积较大，土中出比较缓慢，即渗透性较差。而样本土土样 面积较小，渗透性要比实际情况优良。因此，为模拟实际情况，本次试验完全采 用不排水条件。 二、固结度 霾缝度由两种方法定义，一种定义方法反映了对闻t 时，土层骨架已经承担 起来的有效压应力与全部附加压应力的比值；另一种定义方法反映了时间t 时， 沉降量与最终沉降量的