（岩土工程专业论文）复杂受力条件下饱和砂土动静强度特性试验研究.pdf

摘要 摘要 本文利用全自动静动三轴双向耦合剪切仪，针对福建标准松砂分别在均等固 结与非均等固结条件下进行了动三轴不排水剪切试验，对比分析了轴向振动、径 向振动、相位差分别为0 0 和1 8 0 0 的轴向径向耦合振动等不同振动方式对饱和砂 土动力特性的影响。实验结果表明，无论是均等固结还是非均等固结情况，只要 在最大剪应力面上的动偏应力水平相同的情况下，四种剪切方式对动应力应变 关系及动强度的影响并不显著。由于最大剪应力平面上的偏应力水平是轴向振 动、径向振动共同作用的结果，所以在实际的抗震设计中，如果忽略竖向地震荷 载对土体强度的影响显然是不安全的。 为了探讨不同应力路径条件下的砂土剪切特性，本文进行了8 种不同应力路 径的单调剪切试验。实验结果表明在不同剪切路径条件下，砂土的剪胀剪缩特性 明显不同，在压缩条件下比拉伸条件显示出更明显的剪胀特性，在压缩条件下， 减压压缩路径表现出显著的剪胀特性，增压剪切路径条件下的剪胀特性最小，常 规压缩路径的剪胀特性在其中间。在偏压固结条件下，表现出更显著的剪胀特性。 且在不同剪切路径条件下，砂土所发挥的最大内摩擦角也有所不同，在三轴拉伸 条件下普遍比三轴压缩条件下的内摩擦角大3 4 度，而在相同的压缩或拉伸条件 下，不管加载应力有何不同，最终均趋于相同的临界状态应力比。 关键词：轴向径向耦合振动；动强度；剪胀剪缩特性；应力路径 a b s t r a c t a bs t r a c t t h ef u l l ya u t o m a t i cs t a t i c d y n a m i ct r i a x i a ls h e a ra p p a r a t u si su s e dt op e r f o r m t h r e e a x i sd y n a m i cs h e a rt e s t sf o rf u j i a ns t a n d a r dl o o s es a n du n d e ri s o t r o p i c c o n s o l i d a t i o no ra n i s o t r o p i cc o n s o l i d a t i o n ，a n dt h ed y n a m i cc h a r a c t e r so fs a t u r a t e d s a n du n d e rd i f f e r e n tv i b r a t i o nt y p e sa r ec o m p a r e ds u c ha sa x i a lv i b r a t i o n ， r a d i a l v i b r a t i o n ，m i x e d ( a x i a l r a d i a l ) c o u p l i n gv i b r a t i o nw i 1p h a s ea n g l eo f 0 。a n d18 0 。i ti s s h o w nt h a t ，o nc o n d i t i o nt h a td y n a m i cd e v i a t o rs t r e s sl e v e lo fm a xs h e a rs t r e s ss u r f a c e a r et h es a m e ，n ob e t t e ru n d e ri s o t r o p i cc o n s o l i d a t i o no ra n i s o t r o p i cc o n s o l i d a t i o n ， a f f e c t so ff o u rs h e a rt y p e so nd y n a m i cs t r e s s - s t r a i nr e l a t i o n s h i pa n dd y n a m i cs t r e n g t h i si n a p p a r e n t b e c a u s ed e v i a t o rs t r e s s1 e v e lo fm a xs h e a rs t r e s si st h er e s u l to fa x i a l v i b r a t i o na n dr a d i a lv i b r a t i o n , t h ea s e i s m a t i cd e s i g nw i t h o u tc o n s i d e r i n gt h ee f f e c to f a x i a lc y c l i cs t r e s si sa l lu n s a f ee s t i m a t i o n f o rs t u d ys h e a rb e h a v i o r so f s a n du n d e rd i f f e r e n ts t r e s sp a t h ，e i g h t m o n o t o n i cs h e a r i n gt e s t sw i t hd i f f e r e n ts t r e s sp a t hw e r ep e r f o r m e d i ti ss h o w n t h a t ，u n d e rd i f f e r e n ts t r e s sp a t h ，s h e a rd i l a t a n c yb e h a v i o r so f s a n da r eo b v i o u s l y d i f f e r e n t ：i th a sm o r en o t a b l es h e a rd i l a t a n c yb e h a v i o r su n d e re x t e n s i o nt h a n u n d e rc o m p r e s s i o n ；o nc o n d i t i o no fc o m p r e s s i o n ，i th a sm o r en o t a b l es h e a r d i l a t a n c y b e h a v i o r su n d e r d e c o m p r e s s i o nc o m p r e s s i o np a t h ，i t h a sm o s t u n c o n s p i c u o u ss h e a rd i l a t a n c yb e h a v i o r su n d e rp r e s s u r i z e ds h e a r i n gp a t ha n di t s s h e a rd i l a t a n c yb e h a v i o r su n d e rc o n v e n t i o n a lc o m p r e s s i o np a t ha r eb e t w e e nt w o f o r m e rc o n d i t i o n u n d e rd e v i a t o r i cs t r e s sc o n s o l i d a t i o n ，i ts h o w sm o r eo b v i o u s s h e a rd i l a t a n c yb e h a v i o r s a n dt h a t ，i fs t r e s sp a t h sa r ed i f f e r e n t ，i n t e m a lf r i c t i o n a n g l eo fs a n di sd i f f e r e n t ，i n t e r n a lf r i c t i o na n g l ei s3 0 _ 4 0b i g g e ru n d e rt r i a x i a l e x t e n s i o nt h a nu n d e rt r i a x i a lc o m p r e s s i o n ，o ns a m ec o m p r e s s i o no re x t e n s i o n c o n d i t i o n ，n om a t t e rw h a td i f f e r e n tl o a d i n gs t r e s s ，a l li n t e r n a lf r i c t i o na n g l et e n d t os a m es t r e s sr a t i oa tt h ec r i t i c a ls t a t eu l t i m a t e l y k e y w o r d s ：m i x e d ( a x i a l r a d i a l ) c o u p l i n gv i b r a t i o n ；d y n a m i cs t r e n g t h ；s h e a r d i l a t a n c ya n ds h r i n k a g eb e h a v i o r s ；s t r e s sp a t h i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 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 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得j 量塞王些太堂或其它教育机构 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。 签名：玄纽妇日期：2 鲤g 占 关于论文使用授权的说明 本人完全了解j 生瘟王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 撂 第1 章绪论 1 1 研究背景与意义 第1 章绪论 我国地处环太平洋地震带和欧亚地震带的交汇处，是一个多震的国家，境内 强震分布非常广泛。2 0 世纪以来，中国共发生6 级以上地震近8 0 0 次，遍布除贵 州、浙江两省和香港特别行政区以外的所有省、自治区、直辖市。中国地震活动 频度高、强度大、震源浅，分布广，是一个震害严重的国家。我国大陆约占全球 陆地面积的1 1 5 ，但2 0 世纪有1 3 的陆上破坏性地震发生在我国，死亡人数约 6 0 万，占全世界同期因地震死亡人数的一半左右。2 0 世纪死亡2 0 万人以上的大 地震全球共两次，都发生在中国，一次是1 9 2 0 年宁夏海原8 5 级大地震，死亡 2 3 万余人；另一次是1 9 7 6 年河北唐山7 8 级地震，死亡2 4 万余人。这两次大地 震都使人民生命财产遭受了惨痛的损失。而就在近日，2 0 0 8 年5 月1 2 日四川省 发生的汶川8 0 级特大地震，震级大、震源浅、波及地区广，并伴随着多次6 级 以上的余震，不仅夺去了数万人的生命，也使得受灾地区顷刻间化成一片废墟， 损失异常惨重。 全球破坏性地震的灾害调查表明，大量灾害现象与岩土工程问题密切相关， 造成的损失不可估量。1 9 7 0 年的秘鲁地震、1 9 7 6 年的唐山地震、1 9 8 5 年的墨西 哥地震、1 9 9 4 年的美国北岭地震、1 9 9 5 年的日本阪神地震、1 9 9 9 年的台湾集集 地震以及2 0 0 8 年的汶川地震等等，均导致了严重砂土地基液化和侧向大变形现 象，数以万计的房屋顷刻倾倒，地面塌陷，公路、桥梁、地下管道、山体等受到 了严重的影响。1 9 7 6 年的唐山大地震因发生了大面积的地基液化，还造成了密云 水库等多处堤坝表面保护层的流滑现象；2 0 0 8 年5 月的我国汶川发生的8 0 大地 震因此导致的地面塌陷，严重山体滑坡，公路、桥梁大量毁坏，大面积地面开裂 与房屋倾倒，甚至危及坝体( 图1 1 ) 。 地震危害如此巨大，而到目前为止震前的地震预测依然是一个世界性难题。 我国1 9 7 5 年的海城地震做出了准确的预报，使预计可能导致1 0 万的死亡人数递 减至1 3 0 0 多人，但一年过后的1 9 7 6 年唐山大地震，则夺去了2 4 万人的生命， 可见地震预测的难度和不确定性。因此，一直以来对地震的措施主要集中在避灾 和抗震上，如加固坝体与滑坡地带，稳固地基及液化处理，提高公路、桥梁、水 利设施与房屋等的抗震级别等等。因此，在地震这样多学科的课题中，岩土工程 占据了十分显著的地位与重要的作用。研究在地震荷载作用下土体的破坏过程与 i ! 至些奎兰三兰丝圭兰竺丝圣 动力特性，为地震作用下场地的液化判别、震后沉降以及抗震设计等提供科学依 据，具有非常重要的理论和现实意义。 敏 速 撬 。舞5 0 c1公路摧毁d1楼刑刘塌 图1 - 1 汶川_ 大地碰中的岩土工程灾害( 2 0 0 85 ) 地震作用下的地面运动，p 波( 纵波) 引起地面上下运动，s 波( 横渡) 引 起地面先右、 0 后运动。地震应都具有卜f 、左右、前后的地面运动。在以往的 地震反应分析中，通常认为竖向加速度比相应的水平加速度韭小，故只考虑地而 运动较大的水平分星用。因此在以往的地震反应分析中，通常按s e r f f 假设可以 将水平面近似作剪应力作用面，地震产生的破坏就是在这些水、f 动翦应力l f # t jf 产生的。应力条件主要用单向激振、均等同结时4 5 。面上的应力来模拟。 近年来国内外的簏害资料表明，一些发o t 缸城市附近的地艘，如1 9 9 4 年美 崮北岭地震( m 67 ) 、1 9 9 5 年日本阪神地震( m 69 ) 以及1 9 9 9 年台湾集集地震 ( m 76 ) ，山于近场效应对工程结构造成极大破坏川。对于近场米酷，山于其具 第1 章绪论 有明显的竖向加速度效应，竖向分量可能会大于水平分量。越来越多的近场地震 加速度记录也证明了这一点。j u l i a njb o r m e r 以1 9 8 6 年s a ns a l v a d o r 地震为例说 明，近场地震中有相当比例的房屋是因为过大的竖向作用破坏的。竖向地震力给 地下结构的竖向构件带来了很大的附加轴向力，并大大降低了构件的延性，从而 加速了地下结构的破坏。抗震设计中只考虑水平剪切的作用，这对工程抗震设计 是偏于不安全的，还应考虑竖向地震荷载的作用。在这种情况下采用双向乃至多 向激振循环荷载条件来模拟近场地震p 波与s 波耦合的作用更符合实际情况。我 国新抗震规范5 3 1 条也明文规定对于9 度的高层建筑，长悬臂和其它大跨度结 构，考虑竖向地震作用”。 以往一般认为地层中由地震引起的大多数动应力是由从下卧基岩向上传播 的剪切波引起的。在水平场地情况下，剪切波向上传播必然会导致在水平面的土 体单元中产生剪应力。地震引起的循环剪应力在诸如土坝、边坡、路堤及靠近上 部结构基础土层等的受力特点不同于水平场地中土体的情形。例如在边坡中，即 使基岩振动是由水平方向的作用力引起的，但在边坡中还是产生明显的水平、竖 向正应力。除水平切剪应力外，正应力分量差也是边坡产生变形的重要原因【2 引。 上述的所有荷载条件，土体单元中两种应力是同时作用而不是交替作用的。确切 地说，地震循环荷载引起土体中的应力体系，其主应力方向实质上是不旋转的。 在这种情况下，如果要同时考虑竖向地震荷载作用，可以通过在三轴试验中将地 震荷载看成轴向拉压与径向拉压耦合作用的双向激振循环荷载【3 】。这与波浪荷载 所引起的双向循环荷载不同。波浪荷载的作用往往伴随着主应力轴的旋转，其荷 载形式为竖向与扭转双向耦合作用的循环荷载。目前，关于轴向拉压与扭转耦合 作用下，土体动力特性的研究，国内外学者已经做了部分研究。例女i ：y a m a d a 和 i d k i h s t a ，t o w h a t a 等，b o u l a n g e r 等，a u r e l i a n 等以及栾茂田等做的工作【4 。1 。而 对于轴向拉压与径向拉压耦合作用的双向激振循环荷载土体的动力特性的研究， 受试验仪器限制，国内外还鲜有报道。本文通过g e o c o m p 全自动静动三轴循环 剪切仪，对轴向拉压与径向拉压耦合作用下饱和砂土的动力特性进行研究，分析 径向循环应力、径向与轴向循环应力相位差对土体的动力特性的影响。以此为依 据指导地基抗震加固设计，最大限度地震可能带来的损失。本课题丰富了饱和砂 土动力学试验研究，不仅具有深厚的内涵，而且还具有重大的工程背景和经济价 值。 1 2 饱和软粘土动力特性研究现状 地震荷载是一种短期的循环荷载，在地震期间，软粘土层可视为处于不排水 状态。不排水循环荷载作用下饱和软粘土的动力特性已引起了国外许多者的关 一3 一 北京工业大学工学硕士学位论文 注，开展了大量的研究工作，并取得了很多成果。如挪威研究a n d e r s e n 等【2 】应北 海重力式石油平台的需要曾对d r a m m e n 粘土进行了系统泛的研究；日本m a t s u i 等【3 】研究了高塑性指数s g n r i 粘土的动力特性，其研究较多关注孔隙水压力的发展 变化，分析了残余孔压与剪应变之间的相互关及循环荷载历史对剪切特性的影 响；z h a n g 等【4 】，k a g a w a 等【5 】研究了软粘土的小应变剪切模量c r m a x 的影响因素 和计算方法，以及动剪切模量和阻尼比随变的变化规律；m a t a s o v i c 。和v u c e t i c 6 】 通过对不同超固结比下高塑性v n p ( v e n e z u e l a nn o r t ho f p a r i a ) 粘土的试验，研 究了超固结比对土体软化的影响；周建等【7 】研究了杭州饱和软粘土孔压、软化指 数与循环次数的关系；唐益群等【8 】对上海软粘的临界动应力、动应变进行了分析， 陈颖平等【9 】得n t 考虑土体结构性的萧山软粘土的破坏标准。循环荷载作用下粘 性土性状的研究涉及到试样因素、试验方法和条件、荷载因素等影响问题，不同 试样、试验方法和研究侧重面就会得出不同的结论。下面对近年来循环荷载作用 下粘性土的动力特性研究成果作一介绍。 1 2 1 试验方式 试验方式按试验设备分循环三轴试验、循环扭剪试验、循环单剪试验、共振 柱试验等；按试验时的控制方式分应力控制式和应变控制式。循环三轴试验是指 在三轴试样的一端或两端施加轴向循环荷载的试验；循环扭剪试验是指在试样上 施加循环扭剪力的动力试验；循环单剪试验是指在试样上施加循环剪切力的试 验；共振柱试验是指在试样的一端施加扭剪或轴向力，在该力作用下通过改变动 荷频率使试样共振，以获得土样的剪切波速或压缩波速，继而得到试样的动力学 性质的试验。应力( 荷载) 控制式循环试验是指在试验时施加的循环动荷载使试 样上的应力幅值保持不变，而应变控制式循环试验是指试验过程中施加的循环动 荷载使试样上的应变幅值保持不变的试验。不同试验方式模拟土样的不同循环振 动形式，研究的侧重面不同，所得的试验结果存在差异甚至不同是可以理解的。 因此在比对试验结果时需要考虑试验方式的影响。 1 2 2 动荷因素 1 2 2 1 振动荷载波形 振动荷载波形是指循环荷载的振动形式，如正弦、三角、矩形、锯齿波、任 意波等。蒋军等1 0 1 采用正弦波、三角波、锯齿波和矩形波荷载进行了长期循环加 载固结试验，认为加载波形对循环荷载试验结果影响不大，而s e e d 等【1 1 】、t h i e r s 等【1 2 1 认为三角波加载的循环强度比矩形波加载的高大约1 0 。 1 2 2 2 振动频率 第1 章绪论 振动频率是指周期振动的频率或不规则振动的主频。循环荷载频率为动荷作 用的一个主要因素，对粘性土的动力特性的影响目前还没有定论。一些研究者通 过荷载控制式循环三轴或循环单剪试验，研究了循环频率对重塑粘土或应力各向 异性粘土不排水动力性状的影响，得出了不同的结论。 b r e w e r 等、m a t s u i 等、p r o c t e r 和k h a f f a l 、a n s a l 和e r k e n 、b o u l a n g e r 等、j a n z h o u 和x i a o n a ng o n g 等【1 3 d 8 】研究认为，循环频率对粘土的不排水动力性状有显 著影响。h a r d i n 和b l a c k t l 9 】认为在小应变幅( 小于1 0 4 ) 时振动频率对土的小应 变剪切模量没有影响。y a s u h a r a 等【2 0 】认为，循环荷载频率对粘土动强度和变形模 量几乎没有影响，但较高的循环频率产生较大的孔压。而s h c r i f 等、l a s h i n e 等、 b r o w n 等和h y d e 等 2 1 - 2 3 1 的研究表明，循环荷载频率对粘土的动力性状没有影响。 张茹等 2 4 】认为，当频率为0 1 h 至4 h z 时，强度随频率的升高而增大，但当频率 超过4 h z 时，随着频率的增加，强度有下降的趋势。当频率为1 h z 时，频率越 高，孔压越大；当频率大于1 h z 时，频率越高，孔压越小。 1 2 2 3 振幅和振次 振幅是指循环荷载的大小，如循环应力水平或动应变水平等，而振次循环荷 载作用次数或振动作用时间。循环应力水平与循环次数对软粘土动性的影响主要 表现在临界循环应力比与门槛循环应力比的定义上。随着循环应力的增加，孔压 与应变发展较快。循环应力的大小不仅对应变的大小变化产生影响而且还决定着 孔压与应变的发展模式。饱和软粘在临界循环应力比，此概念最早由l a r e w 和 i _ , o n a r d s l 2 5 】提出的，当初定义导致土体破坏的最大循环应力比。后来s a n g r e y 等 【2 6 】、f r a n c e 和s a n g r e 2 7 1 进一步证实了临界循环应力比的存在。当循环应力l l , j , 于 临界循环应力比时，循环次数的增加，孔压、应变逐渐增加，但增加缓慢，土体 要在较高次数生破坏。而当循环应力比大于临界循环应力比时，应变和孔压随着 循环次增加而迅速增加，并且在较少的循环次数就发生破坏。a t i l l a 和删2 鄙 对k a o l i n i t e 粘土的试验结果表明临界循环应力比在o 5 左右。周建等【_ 7 】通过对杭 州地区正常固结软粘土的试验研究表明其临界循环应力比也在o 5 左右。 随着循环次数的增加，孔压、应变也随着增加。饱和软粘土存在门槛应力比。 当循环应力比小于该值时，随着循环次数的增加，没有孔压与应生。m a t s u i 掣3 】 通过应力控制的循环三轴试验也发现了类似的现象。周建通过试验得到杭州软粘 土的门槛循环应力比为0 0 2 。o h a r a 及m a t s u d a 2 9 】k a o l i l l i t e 饱和粘土进行应变控 制的循环直剪试验，发现0 0 5 为该粘土的循环应变值。v u c e t i c 等【3 0 】研究了土体 塑性指数p k 。超固结比o c r 等对门槛循环应变的影响，结果表明，随着p i 与 o c r 的提高，门槛循环应变增加。 1 2 2 4 初始剪应力的影响 初始剪应力是指在循环荷载施加前所预加的静剪应力。根据所研究问同，初 5 一 北京工业大学工学硕士学位论文 始剪应力一般有两种施加方式：1 在排水固结的过程中，逐级施加剪应力，用来模 拟实际土体的天然沉积或人为造成的固结状态；2 在固结后，不排水条件下突加 初始剪应力，以此来模拟由于应力状态的不同所引各向异性。初始剪应力的大小 决定的循环荷载的作用方式。当循环应力大始剪应力时，试样始终处于压和拉交 替应力状态。而当循环应力小于初始力时，试样始终处于单向受压应力状态。目 前，对于初始剪应力对饱和软动力特性的影响，虽然国内外学者己做了部分研究， 但由于采用试验方法、验条件以及应力参数定义的不同，许多方面尚未形成一致 的结论。s e e d 等、g o u l o i s 等、z i m m i e 等 3 1 - 3 3 】的研究结果表明随着初始剪应力加， 土体的抗剪强度降低；i s h i l a r a 等【3 4 】研究认为初始剪应力的作用将导致总强度提 高。而l e f e b v r e 等【3 5 】研究认为，初始剪应力的施加一方面导致土体抗剪强度的降 低；另一方面，总强度可以提高3 0 左右。而t a n 等【3 6 】的研究结果表明，随着初 始剪应力的增加，土体的强度增加或降低由所施加初始剪应力水平大小有关。当 初始剪应力较小的时，初始剪应力起到预压的的作用，从而有利用提供土体的强 度，而当土体的初始剪应力较大时，土体内部颗粒的粘结力破坏，故强度降低。 1 2 3 土样因素 1 2 3 1 土的类型 土的类型是指砂土、粉土、粘土等土类。显然，不同的土性具有不同的循环 特性。 1 2 3 2 土的物理特性 土的物理特性是指土的含水率、孔隙比、颗粒级配、液塑限、塑性指数等。 这些参数反映了土的状态和颗粒性质、颗粒间物理化学力等性质，特别是粘性土 的塑性指数对粘性土的性质影响很大。p r o c t e r 和k h a f f a f t l 5 】研究了i p = 2 6 的重塑 d e r w e n t 粘土、a n s a l 和e r k e n 1 6 1 研究了i p = 4 0 重塑高岭土、m a t s u i 等【1 4 】及y a s u h a r a 等【1 9 】贝0 分别研究了i p = 5 5 重塑s e n r i 粘土和i p = 5 8 高塑性重塑a r i a k e 海洋软土的 循环特性，这些土的循环特性具有一定的差异。 1 2 3 3 土的结构 土的结构是指土是原状土、扰动土还是重塑土，是均质土、沉积结构土还是 应力异性土。原状土是指采用合适的勘探取样、运输和保存方式得到的除了固结 围压释放外土样结构和层理仍基本上保持天然状态的土样；扰动土是指由于取样 扰动、运输和保存不当造成的具有一定原状结构和层理的土样；重塑土是指土的 结构己被完全破坏后重新形成的土样。均质土是指土样结构各向相同的土，一般 重塑土是均质土；沉积结构土是指由于沉积的环境而自然或人为沉积的具有结构 和沉积层理的土：应力异性土是指由于受力状态不同而形成的异性土。土的结构不 一6 一 第1 章绪论 同，循环荷载作用下就表现出不同的特性。 1 2 4 试验条件 1 2 4 1 围压大小 围压的大小是影响粘土的循环动力特性的因素之一。 1 2 4 2 固结状态 固结状态是指试验时土样所处的固结状态，如欠固结、正常固结、超固结， 不同的固结状态对土的动力性状影响很大。 不固结不排水状态实际工程中地基土有时处于欠固结状态，在评价其短期 循环特性时需考虑其不固结不排水特性。王建华等【37 】究了天津大港沿海滩涂的浅 层软粘土的不固结不排水循环特性，其研究结果表明，循环累积应变化与应力反 向密切相关，反向应力会加速循环累积应变的发展，有必要应力反向时的累积应 变与有应力反向时的累积应变分别加以描述，他们针一特性，提出了描述累积应 变的关系式及确定相关参数的方法。 正常固结状态t h i e r s 等 1 2 】、b r o w n 等吲、k o u t s f t a s o 等删a n d e r s e l l 等【3 9 】 m a t s u i 等【1 4 】、y a s u h a r a 等4 0 1 、y a s u h a r a 等4 0 1 的研究结果表明，对于不排水荷载作 用下正常固结粘性土的强度问题，目前已有比较一致的认识，即伴孔压的上升， 有效应力减少，土的不排水强度会出现衰减的现象。根据m a t s u i 等【1 4 】的典型不排 水强度比与残余孔压之间的关系，y a s u h a r a 等【4 l 】指出，随残余孔压的增大，强度 衰减程度增强。 实际上，正常固结土在循环不排水试验过程中，随着孔压的上升，的有效应 力减小，土样处于似超固结状态，具有超固结性质。 超固结状态粘性土的超固结状态对其变形和孔压发展有较大影响，m a t s u i 等【3 】的试验结果表明，超固结比o c r 较大时，在循环作用的初期将负孔压，负 孔压随o c r 的增大而增大，当循环次数较大时才产生正孔压，愈大，正孔压愈 小。循环荷载作用后，土的不排水抗剪强度降低，破坏时变随着循环产生的轴向 应变的增加而提高。在所有应力水平下，切线、割形模量随循环轴向应变的增加 而显著降低。a z z o u r 等4 2 1 。m a t a s o v i c 等6 1 的实验结果也是如此。周建等 4 3 - 4 4 1 通 过对杭州市饱和软粘土进行应力控制的循轴试验也得到了类似的结论。除此之 外，他认为：随着超固结比的不断增土体产生的应变不断减小；对于强超固结的土 体，循环加载将使土体产生的负孔压，随着加荷周期数的不断增加，负压值也不 断增长。显然，循环荷用下孔压发展规律强烈地依赖于土的应力历史，而强度减 小的同时伴随负压的产生( 即表观有效应力的增加) ，这与有效应力原理是相悖 的。蒋军等通过试验研究了具有不同超固结比的粘土在循环荷载作用下应变速率 北京工业大学t 学硕士学位论文 与时关系，结果表明随着超固结比的增加，应变率衰减变慢；在相同循环荷载下， 超固结比越大，轴向应变越小。y a s u h a r a 等【4 7 】通过应力控制的不排水轴试验联合 应变控制的剪切试验研究了循环荷载作用后k e u p e r m a r l 超固结强度、刚度的软 化特性。研究结果表明：随着超固结比的增加，刚度衰减势比强度衰减的趋势更 为显著。并提出了一种反映超固结比、强度、刚度的衰减预测模型。v u c e t i c 等 4 蹦9 】 通过应变控制的循环剪切试验研究了超固的超固结比、剪切模量、循环次数之间 的关系。研究表明随着循环次数的增剪切模量逐渐降低而且降低的趋势随着超固 结比的增加而减少。此后他又试验研究了小应变情况下不同砂、土样随循环荷载 频率、塑性指数、垂直应力、超固结比的变化规律。他认为阻尼比随循环应变幅 值、超固结比的而降低。 1 2 5 循环作用历史 循环荷载作用历史是指处于不同固结状态的土曾经经历过的循环荷载作用， 循环作用历史对土的性状有一定的影响。对于正常固结土，预剪作用使正常固结 粘土的再承受循环荷载的能力增强。对于超固结土，预剪对其强度的影响似乎没 有一个定论。m a t s u i 等【3 】认为，循环剪切后伴随孑l 压消散，其不排水抗剪强度和 变形模量均略有增加，与正常固结土类似；而a n d e r s e n 等【2 和y a s u h a r a 等 5 0 】对 r a m m e n 粘土的试验结果则得出相反的结论，认为经循环作用后，即使伴随排水 过程，其不排水抗剪强度仍有下降，即抵抗进一步不排水循环荷载的能力将减弱。 产生这一截然相反结论的原因可能与加荷方式、土的结构、特别是超固结比的大 小有关。超固结比越大，反复剪切作用对土结构的破坏相对就越大，循环荷载作 用时孔压消散对不排水抗剪强度的相对补偿作用也不大，即预剪作用后土体表现 出强度的衰减。可见，由于地震荷载作用下软粘土不排水特性的复杂性，现有的 研究成果虽然较多，但缺乏一定的系统性；除此之外，关于软粘土的一些重要动 力特性尚未形成一致的结论。从而，难以满足实际工程中的需要。 1 3 饱和砂土的动力特性研究现况 土动力学问题是土工基础的一项重要内容。其中砂土的动力学研究对于解决 振动条件下建筑物和地基的影响有着极为关键的作用。各国学者从不同的方向对 土动力学进行了深入研究。这些研究的主要内容包括：土的动力特性和本构关系， 地震液化势与地面破坏，动土压力和挡土结构的抗震设计，土结构动力相互作用， 土坡和土坝的抗震稳定性，周期或瞬态荷载作用下的变形和强度问题等方面。其中， 土的动力变形和强度特性及本构关系模型是土动力学研究的基本问题。 饱和砂土在动载( 如地震荷载、爆炸荷载、振动荷载等) 作用下液化问题是 一8 一 第1 章绪论 防灾减灾领域中重要的研究内容。建立系统研究饱和砂土在爆炸、地震和振动荷 载下的动力特性及变形预测，无论是防御和减轻爆炸、天然地震及有源振动所产生 的灾害，还是解决生产设计所面临的实际问题及土动力学的发展均是具有重要理 论和实际意义的问题。 1 3 1 饱和砂土的动力本构模型 在外力作用下，土体内部产生的应力、应变与时间之间有一定关系，称为“土的 本构关系”。如果在动力条件下研究此种关系，则称为“土的动力本构关系”。土的 动力本构关系反映了土在动力作用下的基本特性，表征土动力性质的基本关系，无 论对土的动力反应分析或研究土的动强度、动变形以及土与结构物的动力相互作 用都十分重要。由于土是一种非线性和弹塑性材料。它的工作性质极为复杂。要 建立一个既简单又比较符合实际的动力本构关系为数学模型并非易事。一般要求 所建立的模型：比较接近实际情况；动力参数易于通过试验确定；数学表达式比较 简单，易于计算，即便比较复杂，也能用数值计算。 目前为止，具体建立的饱和砂土动力本构模型的数量已经相当可观，它们大致 可以分为两大类，即基于粘弹性理论的模型和基于弹塑性理论的模型。 1 311 基于粘弹性理论的土体动力本构模型 自19 6 8 年s e e d 提出用等价线性方法近似考虑土的非线性以来，粘弹性理论已 有了较大的发展。土体的粘弹性动力本构模型由骨干曲线和滞回曲线构成。骨干 曲线表示最大剪应力与最大剪应变之间的关系。反映了动应变的非线性；滞回曲 线表示某一个应力循环内各时刻剪应力与剪应变的关系，描述卸载与再加载时应 力一应变的规律，反映了应变对应力的滞后性，两者一起反映了土体应力一应变关 系的全过程。在土体的动力反应分析中，常用的粘弹性模型有等效线性模型和曼辛 ( m a s i n g ) 型非线性模型两大类。等效线性模型把土体视为粘弹性材料，不寻求滞 回曲线的具体数学表达式，不建立具体的应力一应变关系，而是给出等效弹性模量 和等效阻尼比随剪应变幅值和有效应力状态变化的表达式。曼辛型非线性模型则 根据不同的加载、卸载和再加载条件直接给出动应力应变的表达式。在给出初 始加载条件下的动应力应变关系式( 骨干曲线方程) 后，再利用曼辛二倍法得出 卸荷和再加荷条件下的动应力一应变关系，以构成滞回曲线方程。h a d i n d m e v i c h 双曲线模型、r a m b e r g o s g o o d 模型、双线性模型及一些组合曲线模型均属于等 效线性模型。 一般的粘弹性模型不能计算永久变形，为此，m a r t i n 等人根据等应变反复单剪 试验结果，提出了循环荷载作用下永久体积应变的增量公式。沈珠江【5j 】等人对等 价粘弹性模型进行了较全面的研究，认为一个完整的粘弹性模型应该包含四个经 北京工j l k 大学工学硕士学位论文 验公式：( 1 ) 平均剪切模量；( 2 ) 阻尼比；( 3 ) 永久体积应变增量和永久剪切应 变增量；( 4 ) 当饱和土体处于完全不排水及部分排水条件下，还需给出孔隙水压力 增长和消散模型。 粘弹性理论中的上述各种模型，在应用于饱和砂土时存在一些问题，例如其骨 干曲线的形状总是呈硬化型，不能考虑应变软化，对不排水条件下饱和砂土动应力 应变骨干曲线常呈现出的软化特性难以适用。为此，郑大同和王惠昌( 1 9 8 3 ) 5 2 】 引入了一个屈服应力软化系数芎，从而给出了一个既能反映硬化型( 乒1 ) ，又能反 映软化型( 鼍 0 或o ，3 0 ) 情况下，在轴向快速增加压 力o a _ 0 1 - 0 3 。或应变a ，直至试件破坏，此时o 。一般都出现峰值，即最大偏应力o a p _ ( g 1 0 3 ) p ，并以此峰值作为土的动力强度( 抗压强度) ，以与常规静力试验中取得 相应的值( 静力抗压强度) 进行比较，其差别被称之为“加荷时间”或“应变速率” 的影响。无疑试验结果是受到试验条件限制的，所得土的动力强度也只能说是表观 的。但是这些试验结果及其规律性是可以解释的，即使是较为定性的解释。饱和砂 在快速试验中的情况比较复杂，明显受到试件中砂体剪胀和剪缩趋势引起的孔隙 水压力变化及其在试件中分布的不均匀性和不稳定渗流的影响，但是对这种孔隙 水压力的变化难以量测准确。 1 3 2 2 饱和砂土循环作用下的抗剪强度 早年研究循环作用对土抗剪强度影响的方法是把直剪仪固定在振动台上，在 不同振动参数( 频率、振幅、加速度及其方向) 变化下进行单程( 非往返) “静 力”直剪试验，由此得到试件破坏时的“静力”或称“非循环部分”抗剪强度l 作为土 循环作用下的抗剪强度。s e e d 等 5 6 】( 19 5 5 年) 在研究车辆行驶重复荷载对公路 路基土强度和变形影响的工作中，开始采用了应力控制或重复加荷三轴压缩试验 仪进行试验，以使试件轴向累积应变a 达到某一定值( 例如5 ) ，并将此时的轴向 重复加荷应力值r 与相应的重复次数从关系曲线作为评价土在重复加载作用下强 度的标志。后来，s e e d ( 1 9 6 0 ) 【5 7 1 和s e e d 5 8 1 等( 1 9 6 6 ) 又将此试验方法推广应用 于研究地震作用下土的强度问题。 中国在2 0 世纪5 0 年代后期，黄文熙【5 刿( 1 9 5 9 ) 为了改革对饱和砂土液化的 第1 章绪论 研究途径，提议采用三向应力的试验条件。按此，水利水电科学研究院就研制一种 把三轴试验仪固定在垂直振动台上的轴向惯性力式振动三轴试验机，也曾被用于 进行地震作用下土强度的试验研究。后来，在中国逐渐建置和推广了应力控制式循 环三轴试验机( 电磁、液压、气动等) ，还有循环单剪仪、循环扭剪仪等新设备， 也用于循环作用下土强度的研究。近二十余年来，由于近海石油开发、在建设采油 平台等近海工程中，遇到了海底基土在海浪荷载循环作用下的强度和变形问题，并 已作为一项重要研究课题开展了工作，对循环作用下近海地基土的强度问题相继 取得了较为系统的研究成果。饱和砂在循环作用下由于剪胀和剪缩作用的影响， 在排水不畅或不容许排水的条件下将引起孔隙水压力变化，这是影响它在循环作 用下抗剪强度的主要因素。 1 3 3 饱和砂土的液化特性 自1 9 6 4 年日本新泻地震和美国阿拉斯加地震以来，液化问题得到了逐步认识 和日益重视。液化是造成场地地层损害的首要原因之一，地震引起的地基失事约 5 0 起因于液化。美国土木工程师协会岩土工程分部土动力学委员会对“液化”的 定义是：任何物质转化为液体的行为和过程。就无粘性土及粘粒含量较少的粉土而 言，这种由固态向液态的转化是孔隙水压力增大而有效应力降低的结果。 天然地震引起砂土地基及土坡液化已是人所周知，而近年来含饱和砂土层的 软土中地铁列车振动引起的振陷及接缝开裂所造成严重损害己成新的关注焦点。 上海地铁在运营期间出现的漏水和漏泥浆便是一例。这是由于设计时对地铁列车 运行振动引起的区间隧道振陷估计不足，没有采取适当的防治措施而引起的。爆炸 引起地震并使砂土液化而产生破坏，在第二次世界大战就引起关注。目前，我国东 南沿海地区构筑在饱和砂土或之上的许多建筑物、人防结构和地铁隧道结构受爆 炸潜在作用危险性在显著增长。显然，在爆炸荷载作用下不能沿用地震情况下的设 计规范。 以下从液化时的应力条件来分析液化。 物质的固体状态和液体状态的基本区别就在于它的固体状态拥有剪切刚度， 而液体状态则没有。所以在固态物体中可以同时存在球应力张量和偏应力张量， 而在液态物体中一般只能有球应力张量而不能有偏应力张量( 除了粘滞液体在变 形过程中可以产生与剪应变速率成比例的剪应力以外) 。因此，任何物质由固体状 态变为液体状态的转化过程，实际上就是物体抗剪能力消失的过程，随之物体中的 偏应力张量亦趋消失。无粘性土的抗剪能力主要依靠土粒间的接触压力和摩擦系 数。土体单位剪切面上的抗剪强度一般用下式表示： v = c7 + a t a n o ，c + ( a - “) t a n g o ( 1 - 1 ) 一1 3 一 北京工业大学工学硕士学位论文 式中：c i 有效粘聚力； 够有效内摩擦角； 仃- 、法向有效压力； 盯- 、法向夕 、加压力； u 孑l 隙( 水) 压力。 饱和砂土是否会发生液化主要受土性条件、初始应力条件、动荷载条件、排 水条件等因素的影响。 近年来，对地层液化的研究表现出一些新的特点：( 1 ) 与以往注重实验室工作 相比，近期更侧重于实例分析、现场测试研究；( 2 ) 与过去强调孔压上升规律研究 相比，自由场地的地面变形估计和液化对建筑物及生命线设施的影响愈来愈受到 重视；( 3 ) 离心模型试验已成为一个主要且行之有效的工具，可实用于研究液化机 理，并可以对地面变形和液化影响各种结构设施进行定量评价；( 4 ) 基于随机理论 对液化破坏进行可靠性评估，这是个新的研究方向，大多数学者从两方面入手，一是 从地基土性的空间变异性和试验参数的不确定性进行；另一个是从地震发生及地 震激励的随机性进行，但能够将二者结合起来的研究成果至今不多。总体来说，无 论是地震液化还是爆炸液化的研究，都取得了可喜的进展，但就指导和解决工程问 题的实践来看，无论是变形机理分析还是计算模型研究，还有不少问题亟待解决。 如对材料参数和模型参数的研究；考虑长时间动载作用下气体含量对饱和砂土液 化特性的影响；考虑其它种类土如轻亚粘土、砾砂土、粉煤灰甚至黄土的液化特 性，研究符合实际的模型并进一步研究技术经济合理的数值分析方法，编制相应的 有限元程序以便尽快在实践课题中发挥作用。 1 4 论文研究的目的和工作 为了研究在双向循环振动荷载作用的饱和砂土的动强度特性，本文利用全自 动静动三轴双向耦合剪切仪，针对福建标准松砂分别在均等固结与非均等固结条 件下进行了动三轴不排水剪切试验，对比分析了轴向振动、径向振动、相位差分 别为o 。和1 8 0 0 的轴向径向耦合振动等不同振动方式对饱和砂土动力特性的影 响。分析比较了在各种振动条件下偏应力与轴