（岩土工程专业论文）循环荷载作用下复合土与复合地基性状研究.pdf

浙江人学 ，i ：t 沦义摘萤 堡查4 生塑! ! 生! ! ! l 4 形 摘要 当前我国正在大力进行交通建设，很多高速公路、机场跑道是建在 深厚软粘土地基上的。通过各种地基处理方法形成的复合地基一般均能 满足稳定性和使用要求，但对工后沉降如何计算，目前还没有通用的方 法。循环荷载作用下饱和软粘土、复合土及复合地基的性状是计算工后 沉降时必需考虑的问题，所以研究循环荷载作用下复合土及复合地基的 性状具有重要意义。 本文运用h x 。1 0 0 型多功能三轴仪研究了水泥掺入比相同时，不同置 换率的复合土在循环荷载作用下的性质，分析了循环应力比、加荷周数、 围压对复合土应变和 l 压的影响。 根据试验结果计算出复合土的软化指数，通过回归分析得出了复合 土软化指数和孔压的计算公式。 通过动态弹塑性有限元分析了考虑材料应变软化的道路下复合地基 在循环荷载作用下的性质，研究了复合地基加固范围、置换率和下卧层 性质变化对路面变形的影响。对比了考虑材料应变软化时与不考虑材料 应变软化时，各种因素对路面变形的影响程度。 通过工程实例分析和计算结果与实测结果的对比，得出了将荷载简 化为平面时的荷载修正系数。 关键词：循环荷载 循环应力比 复合土 加荷周数 复合地基 潞面变形 堑里：查兰竺土兰篁堡兰 塑 墨 堡查些一型坚坐! ! 旦 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h em e a n so ft r a n s p o r t a t i o na r eb e i n gc o n s t r u c t e di ng r e a tf o r c e m a n y s p e e d w a ya n d1 u n w a yo fa i r d r o m ea r ec o n s t r u c t e do nd e e ps o f tc l a y s t h ec o m p o s i t e f o u n d a t i o nc a nb cu pt ot h em u s t a r do fs t a b i l i t ya n du s i n g ，b u tt h e r ei sn ou n i v e r s a l m e t h o df o rc a l c u l a t i n gt h es e t t l e m e n to fb a c kw o r k f h ep r o p e r t i e so fs a t u r a t e ds o f tc l a y ， c o m p o s i t e s o i la n dc o m p o s i t ef o u n d a t i o nu n d e rc y c l i cl o a d i n gi sn e c e s s a r yt ob e c o n s i d e r e dw h e nc a l c u l a t e dt h ev i a t i cs e t t l e m e n to f b a c kw o r k t h e r e f o ri ti sm e a n i n g f u l t os t u d yp r o p e r t i e so f s a m r n e ds o f tc l a y s ，c o m p o s i t es o i la n dc o m p o s i t ef o u n d a t i o nu n d e r c y c l i cl o a d i n g t h r o u g ht h ed y n a m i ct r a x i a lt e s t i n ga p p a r a t u s ( h x 一1 0 0 ) ，u n d e rt h es a m ec e m e n t m i x i n gr a t i o ，t h ep r o p e r t i e so fc o m p o s i t eo fd i f f e r e n tr e p l a c e m e n tr a t i os o i lu n d e rc y c l i c l o a d i n ga r es t u d i e d t h ee f f e c to fc y c l i cs t r e s sr a t i o r e p l a c e m e n tr a t i oa n da m b i e n ts t r e s s t ot h es t r a i na n dp o r ep r e s s u r eo f t h ec o m p o s i t es o i la r ea n a l y z e d a c c o r d i n ga st h er e s u l t so ft e s t s ，t h ed e g r a d a t i o ni n d e xo fc o m p o s i t es o i l i s c a l c u l a t e da n dt h ef o r m u l af o rc a l c u l a t i n gt h ed e g r a d a t i o ni n d e xa n dp o r ep r e s s u r ei s p r o p o s e dt h r o u g ht h er e g r e s s i o na n a l y s i s u s i n gt h ed y n a m i ce l a s t o p l a s t i c f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，t h es e t t l e m e n to ft h e c o m p o s i t e f o u n d a t i o nu n d e r r o a d w a y i s a n a l y z e d t h ee f f e c t s o fr e i n f o r c ea r e a , r e p l a c e m e n tr a t i oa n dt h ep r o p e r t i e so fs u b s t r a t u mt ot h es e t t l e m e n to fr o a ds u r f a c ea r e s t u d i e d r h r o u 曲t h ea n a l y s i so fe n g i n e e r i n ga n dt h ec o m p a r i s o no fr e s u l t so fc a l c u l a t i n g w i t hr e s u l t so f o b s e r v a t i o n ，t h ec o e f f i c i e n to fr e v i s i n gw h e nt h ec a l c u l a t i o nm o d e li sp l a n e i sp r o p o s e d k e yw o r d s ：c y c l i cl o a d i n g s t r a i nd e g r a d a t i o n p o r ep r e s s u r ec o m p o s i t es o c o m p o s i t ef o u n d a t i o n c y c l i cs t r e s sr a t i o f i n i t ee l e m e n tm e t h o d a m b i e n ts t r e s sn u m b e ro f c y c l i c s e t t l e m e n to f r o a ds u r f a c e ! ! 坚叁兰堡1 ，兰些堡壅 笙二主堕堡堡查坚一! 唑! _ ! ! l 第一章绪论 1 1 引言 动荷载作用下地基的特性是进行结构设计和分析时需要考虑的问 题，如地震荷载作用下建筑物的稳定和变形分析、地基的地震响应、建 筑物地基与结构的相互作用研究等等。 坐落在软粘土地基上的建筑物在动力荷载作用下产生的沉降，已观 测到的大体可分为三类：( 1 ) 地震荷载作用下，建筑物在瞬间产生突发 性超量沉陷以及不均匀沉降，导致建筑物显著倾斜甚至倒塌；( 2 ) 修建 在软粘土地基上的机场路道、停机坪、公路和铁路的路基在相应的交通 荷载作用下发生附加沉降。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，如图1 1 1 ； ( 3 ) 大脉冲的爆炸荷载引起突发性沉陷及不均匀沉降。 0 ； 之 h 1 0 ， _ 3 0 02 04 06 0 】0 02 0 01 0 06 0 01 0 0 02 od 图1 1 1路堤施工中与开放交通后的沉降曲线 引自s u z u k i ，1 9 8 4 】 动荷载中的地震荷载是一种短期循环荷载，在地震期间，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，此时土层 可视为排水或部分排水状态。地基在动荷载作用下引起的累积变形可以 浙江人学博 学位论文第一章绪论 侯永峰三旦堕算! _ 旦 分为两部分：在动荷载作用下土体中的残余应变引起的变形和土体中由 于动荷载引起的孔压消散产生的固结变形。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。 目前随着我国国民经济的快速发展，交通的发展相对滞后，所以当 前国家对交通建设方面给予较大的重视，各地也都有较大的投入，已经 建设了或正在建设一大批交通项目。然而受地理条件的限制，许多交通 项目不得不建在深厚的软土地基l ，处在软土地区的城市道路更是如此。 在软土地区修建道路有时要对地基进行处理以形成复合地基，以此来提 高地基的承载力和稳定性。路基下的土具有以下特点：1 ) 路基下的土及 路基中的碎石层处在地下水位以上，密封的路面以下( 不完全禁j l 水的 进出) ，因此饱和及不饱和的情况都可能出现；2 ) 土及碎石层在完整的 路面下，受到大量的低于其抗剪强度的应力作用，即低应力水平的循环 荷载作用：3 ) 在部分完成的道路上，当施工车辆的直接作用在碎石层上 时，则荷载作用次数较少但应力水平要高得多；4 ) 在单一荷载作用下， 道路表现为完全弹性，但不可恢复的塑性及粘性变形在大量荷载作用下 会积累。这就导致理论分析需分为两部分，而不象其它问题一样为单一 的弹塑性或弹粘塑性问题。 复合地基是指天然地基在地基处理过程中部分土体得到增强，或被 置换，或在天然地基中设置加筋材料，加固区是由基体( 天然地基土体) 和增强体两部分组成的人工地基。加固区整体看是非均质的和各向异性 的。根据地基中增强体的方向又可分为水平向增强体复合地基和竖向增 强体复合地基。天然地基土体和增强体的物理力学性质，及其复合土体 特性决定了复合地基的基本性状。尤其是增强体材料的物理力学性质， 增强体与土体组成的复合体的性状对复合地基承载力和变形特性有重要 影响。只有重视增强体特性及其与天然土体组成的复合土体的基本特性 的研究才省较深入地认识复合地基的基本性状。但在复合地基设计中一 般只考虑到要满足承载力和稳定性的要求，对沉降的要求一般难以考虑， 这主要是由于道路沉降的计算方法目前还不成熟，一般只计算道路在填 土荷载及转化成静载的交通荷载作用下的固结沉降。但实际上，交通荷 载和静载相比有很大的不同，天然土体及复合土体在交通荷载作用下的 浙江入学博卜学位论文 侯永峰2 0 0 0 年4 月 性质与其在静载作用下表现出来的性质也有很大的不同。所以研究在交 通荷载作用下复合七体的性质很有必要。 1 2 研究现状 典型的道路结构一般由面 层、基层以及地基三部分组成( 图 1 21 为几种道路结构示意图) 。 面层直接承受交通荷载的作用， 基层将荷载分散传递到地基表 面，由于面层和基层的强度和模 量都比较高，所以交通荷载作用 下道路的沉降主要是由地基的沉 降所引起的。要提出种能反映 道路结构在交通荷载作用下实际 情况的方便、实用的沉降计算方 图1 2 1 几种道路结构示意图 s eb r o w n ，1 9 9 6 法，首先必须对循环荷载作用下地基的特性有清楚的认识和了解。下面 就国内外有关循环荷载作用下土体性状及模型等方面的研究情况作一简 要综述。 12 1 本构模型研究现状 研究循环荷载作用下士体的性状，关键在于有一个能反映土体实际 变化情况的应力应变模型即本构模型。由于循环荷载作用下孔压有 滞后效应，因而较难用有效应力与应变的关系来反映，现有模型往往是 建立在总应力路径下的。 目前已经提出的总应力路径下的非线性动本构模型大致可分为三大 类，包括非线性全量理论，弹塑性理论及内时理论。 非线性模型中具有代表性的是r o 模型和h - d 模型，它们的应力与 应变关系曲线分别如图1 2 2 和图1 2 3 所示。r - o 模型是r a m b e r g 和 o s g o o d ( 1 9 4 3 ) 提出的：h d 模型是h a r d i n 和d m e v i c h ( 1 9 6 3 ) 提出的。 它们均遵循曼辛规则：( 1 ) 每一次加载反向后的剪切模量值假定等于初 始加载曲线的初始切线模量：( 2 ) 卸载和反向加载曲线的形状与初始加 塑型查兰塑! 兰些堡苎 塑：兰堑堡堡垒竖! ! 型兰! ! _ 载曲线形状相似，只是比初始曲线扩大一倍。r o 模型建立了剪应力和 剪应变之间的关系。m a c k y 和s a a d a ( 1 9 8 4 ) 对r - o 模型进行了修正， 用不排水条件下土体材料的静剪切强度指标代替参考剪应力和剪应变。 为了使这类动本构模型更接近实测的动应力一一应变曲线，h a r d i n 、 d r n e v i c h ( 1 9 7 2 1 以及p r e v o s t 、c a t h e r i n e ( 1 9 7 8 ) 分别对双曲线模型进行了修 改，p y k e 、王志良f 1 9 8 0 ) 等分别对曼辛规则进行了修正和扩充，使其适 h _ j 一描述不规则的循环荷载作刑情况。1 w a n ( 1 9 6 7 ) 提出了循环荷载作 1 i 卜的一维模型，包括并联型和串联型两种( 图12 4 和图1 2 5 ) 。它是 由系列线弹性单元和刚塑性摩擦单元按一定方式组成的。并联型与串 联型的伊万模型所描述的动应力一一应变特性基本是一致的，只是前者 以应变为自变量，由此可导出曼辛型的d a v i d e n k o v 类解析模型；后者以 应力为自变量，可导出r a m b e r g o s g o o d 类解析模型。 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。但由于这类模型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剩余变形，也不能考虑 应力路径的影响以及土体的各向异性。 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一一应变关系。近期国内外 在研究动荷载作用下土体的性状时也大都应用弹塑性模型。 土的弹塑性模型建立在弹性理论和塑性增量理论基础上。它将士的 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。它由屈服条件、硬化规律、流动法则三部分内 容组成，对这三部分内容的不同假定，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，是塑性理论用于周期加载情况的关键。 近年来，根据弹塑性理论建立土的弹塑性模型发展很快，首先 p r a n d t l r e u s s 采用y o nm i s e s 屈服函数提出了屈服面在主应力空间为一圆 柱面的理想弹塑性模型；其次d m e k e r 和p r a g e r 考虑静水压力对土屈服 影响，采用广义的v o nm i s e s 屈服准则提出了屈服面在主应力空间为一圆 锥形面的理想弹塑性模型；接着d r u c k e r 、g i b s o n 和h e n k e l 在这一圆锥 形屈服面上加了一个球形的帽子，并让锥面和帽子随土的加工硬化一起 浙江人学博l 学位论史候水峰2 0 0 0 年4 门 么g 曩一 勰艇艄 f 。一一k 上，c ： 蓊i j ， v ，夕 髟 二 7 r i f 必j 吖， i fl 2 2r h 啪蜘学g 堍b 研虢型的国呈i 2 叠：n 翻国阳p 潍 ；挤鞘嗨力 ，十元件 倒l ：i j 舟鸥皤确黝 图唧2 ：s 4 串联嵇弱蚓 5 浙江大学博十学位论文 第一章绪论侯永峰2 0 0 0 年4 月 扩胀，从而建立了第一个可用于土的加工硬化塑性理论；随后，r o s c o e 、 s c h o f i e l d 和t h u r a i r j a h 在对正常固结粘土和超固结粘土试样的排水和不 排水三轴试验的基础上发展了r e n d u l i c f l 9 3 7 ) 提出的饱和粘土有效应力和 孔隙比成唯一一关系的概念，提出完全状态边界面的思想。通过假定土体 是加工硬化材料，服从相关联流动规则，根据能量方程，建立了剑桥模 型( c a mc l a y 模型) 。这是土的塑性理论中一直被公认为最经典的模型之一。 近年来，有不少描述循环荷载作用下土体特性的本构模型。c a r t e r 等人( 1 9 8 2 ) 提出了土体的i 临界状态模型，是在修正的剑桥模型基础上 引入了一个反映土体在加卸荷过程中软化的参数，但此模型是严格各向 同性的，不能反映循环剪应力及主应力方向的旋转变化：p e t e r ( 1 9 7 8 ) 、 a m e r a s i n g h e 和k r a f t ( 1 9 8 3 ) 在修正剑桥模型基础上建立了适用于超固 结土的本构模型；k a v v a d s ( 1 9 8 3 ) 在不相关联的运动硬化模型中引入了 各向异性张量解释土体的各向异性，在他的模型中，代表屈服面旋转和 发展变化的各向异性张量通过一个用塑性体积应变率表示的旋转硬化准 则来模拟。 由于土体复杂的变形性状很难模拟，特别是当荷载包括循环荷载、 反向荷载、多维应力轨迹等时，经典的弹塑性模型常显得无能为力。因 为土体在卸载及反向加载过程中也可能产生塑性变形，并伴随有塑性应 变引起的各向异性现象等，因而不少学者认为采用单一屈服面难以解释 土体的这些变形特性，主张采用两个或多个屈服面来描述土的变形特性， 于是提出了多重屈服面概念。沈珠江f 】9 8 4 ) 发展了多重屈服面的概念。 他设想把塑性应变分为n 部分，与此相应，就应当规定r 个屈服面，每 个屈服面的屈服只能引起部分塑性应变。在加载点附近可以把应力区划 分为四个区，加载方向落在不同区内分别可以不产生塑性变形、产生部 分塑性变形和产生完全塑性变形。按照这一概念，当应力路径从弹性区 穿过部分塑性区时，塑性应变将是逐步增加的，而不象经典理论那样有 一个明显的界限。 p r e v o s t ( 1 9 7 8 ) 提出了不排水情况下粘土的多重屈服面模型( 图 1 2 6 ) ，由三轴试验得到的应力与应变关系曲线可用一折线表示，如图 1 2 6 a 所示，相应的屈服面如图12 6 b 所示。因为拉伸与压缩时的性状 浙江人学博“l 学位论文 候永峰2 0 0 0 年4 月 。z f 一 。名 。 。，( “) 蜉。 妒 庶蛐 v 9 ( a ) 娅# b 岛应囊i 姑嗣匪l 蓬群弱) 屈服面 幽为瘟力疽界面挺楹服面 嘞j l 嚼啦砻藏屈服面犸洌面 为圆j 婶b 潲模型 p r e v o s t ，19 7 8 d a f a l i a s & k r i e g ，19 7 5 不同，屈服面的中心不在原点，其中心偏离原点的距离反映过去的应力 所引起的土体各向异性；p i e t r u s z c z a k 和m r o z ( 1 9 8 3 ) 提出了反映正常 固结粘土各向异性的多重屈服面运动硬化模型；s a m o o j 和a l w a s h ( 1 9 9 0 ) 运用排水条件下的各向同性硬化及不排水条件下各向同性硬化 与运动硬化的结合，解释了土体固有的各向异性，但不是应力引起的各 向异性，不足之处是他们的模型忽略了由于塑性剪切引起颗粒重塑造成 的各向异性。 由多重屈服面计算得到的应力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。 通过简化m r o z ( 1 9 6 7 ) 提出的多重屈服面塑性理论，d a f a l i a s 和p o p o v ( 1 9 7 5 ) 及k r i e g ( 1 9 7 5 ) 提出了边界面模型，如图1 2 7 所示。边界面 模型的基本概念大体包括三方面的内容：( 1 ) 把对应于最大加载应力的 最大屈服面作为边界面，加载面或其它屈服武只能在边界面内运动；( 2 ) 把初始屈服面作为初始加载面，加载面内是弹性区。当应力在加载面内 移动时，土体只有弹性变形；如果应力从加载面向外越出，则土体会产 生弹性变形和塑性变形。加载孟在应力空间中位置和大小随着塑性应变 的产生和发展在边界面内移动和胀缩，不能与边界面相交，但可在共轭 浙江大学博士学位论文 第一章绪论 侯永峰2 0 0 0 年4 月 点处相切；( 3 ) 由边界面上“像”点应力处的塑性模量求加载面上应力 处塑性模量的插值规则，计算塑性应变增量。 m r o z 等( 1 9 7 8 、1 9 7 9 ) 采用椭圆形边界面，d a f a l i a s 和h e r r m a n n ( 1 9 8 0 ) 的模型中边界面由两段椭圆和一段双曲线组成，用“半径”映射规则确 定实际应力点在边界面的“像”：g h a b o u s s i 和m o m e n ( 1 9 7 9 ) 、p o o r o o s h a b 和s t o l l e ( 1 9 8 7 ) 则以圆锥面为边界面，为了进一步简化边界面的概念和 描述材料强烈的非线性，将加载面退化成一个应力点从而提出了零弹性 域模型；d a f a l i a s 和l q e r r m a n n ( 1 9 8 7 ) 提出的模型考虑了土体初始各向 异性和应力引起的各向异性；d e s a i ( 1 9 8 5 ) 、h i r a i ( 1 9 8 7 ) 的模型考虑 了土体在循环荷载作用下主应力轴的偏转。 国内对边界面模型研究较晚，郑大同( 1 9 8 3 ) 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( 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； 要明伦等( 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：徐日庆( 1 9 9 4 ) 采用蛋性函数作为边界面函数， 利用固结理论与边界面相耦合的有限元法分析了砂井固结排水的路堤沉 降；罗晓( 1 9 9 5 ) 应用应力空间的广义椭圆面作为边界面，克服了边界 面的奇异性；王建华等( 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。 目前已发展的各种弹塑性动本构模型，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体动本构关系的影响，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。因此需在现有研究基 础上使弹塑性动本构理论逐步发展和完善。 内蕴时间塑性理论( 简称内时理论) 最初由k c v a l a n i s 于1 9 7 1 年 提出，并由他本人于1 9 8 0 年作了改进。有人将前者称为简单内时理论， 后者称为新内时理论。我国学者陈仲颐和陈正汉曾撰文分别介绍了简单 浙江大学博j ：学位论文第一章绪论 侯永峰2 0 0 0 年! 内时理论与新内时理论在土力学中的应用。内时理论的最基本概念可以 叙述为：塑性和粘弹性材料内任一点的现时应力状态是该邻域内整个变 形和温度历史的泛函，特别重要的是变形历史是用一个取决于变形过程 中材料特性和变形程度的内蕴时间来度量。采用内蕴时间z 而不用牛顿 时间t 去量度不可逆变形的历史，就把材料性质及其内部结构变化对于 本构关系的重要影响，突出到用一个基本变量加以描述的程度。内时理 论通过对t 自内变量表征的材料内部组织不可逆变化所必须满足的热力学 约束条件的研究，得出了内变量变化所必须满足的规律，从而给出了具 体材料在具体条件下特定的不可逆热力学变量的演变途径，由此规定了 所研究材料的本构特性，晟后能够以显式的本构方程形式表达出来。内 时理论不以屈服面的概念作为其理论发展的基本前提，也不把确定屈服 面作为其计算的根据。屈服面的概念及运动硬化和等向硬化规则等可以 作为内时理论的特殊情况，通过理想化和简化得到，从而避开了确定屈 服面及其变化规律的困难。 b a z a n t 等人最早用简单内时理论来描述饱和砂土的动本构特性，但 由于他们所提出的内时动本构模型结构复杂，包含的可调参数多，且大 多数参数的物理意义不明确，应用较困难。另外由于简单内时理论本身 存在一定的缺陷，在处理卸载与再加载时对小的卸荷幅度不能形成滞回 圈，这违背了d m c k e r 公设，后来，吴汉津( w u ) 等人以g i b b s 自由能 为体系，提出了砂土的内时本构模型，该模型直观且物理意义明确，模 型参数较少，在用于模拟较为复杂的静力作用条件下砂土的应力应 变性态时吻合得还比较好，但用于循环加载条件下只能描述非常简单的 动应力应变滞回特性，此外f i j l l 】和b h a f i a ( 】9 8 1 ) 用内时理论描述 饱和砂土振动孔隙水压力的增长规律。可以看出，尽管内时理论的基础 深广，体系严密，具有广泛的适应性，可能为许多材料各种不同力学性 质的分析在不同程度上提供新的思路和更现实、更便于分析的模型和方 法，但就其目前在土动本构特性研究中应用的现状来看，还只能说是初 步的。 1 2 2 循环荷载作用下应变软化研究现状 第一常绪论 饮水峰2 0 0 0 年4 月 目前对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已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。土体的动变形，在粘性土中往往并不明显， 因此振陷和振密多以无粘性土为研究对象，主要研究无粘性土的土粒特 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，而对动荷 载下粘性土和复合土体的应变情况研究很少。 循环荷载作用下粘土的应变将根据加荷情况的不同发生硬化和软 化。土体应变硬化的研究已较多，但关于土体应变软化的研究目前还较 少。循环荷载作用下土体应变软化主要由以下原因造成：1 ) 附加孔压的 产生；2 ) 循环荷载下土体结构的改变，h i c h e r & l a d e ( 1 9 8 7 ) 对循环荷载 下粘土性状的研究表明，主应力方向的改变可以引起粘土结构的重塑， 从而导致粘土强度降低。 o g a w a 等人( 1 9 7 7 ) 及i s h i h a r a ( 1 9 8 5 ) 通过试验研究认为，较高的 循环剪应力比将导致应变软化，s a n g r e y 等人( 1 9 6 9 、1 9 7 8 ) 通过一系列 不同循环应力大小的循环三轴试验，对不同超固结比的土体在有效应力 空间中提出了循环临界状态线，并指出，当应力水平低于临界值时，循 环荷载下产生的孔压与循环应变之间存在线性关系。当循环应力水平较 高时，土体将发生大应变，同时，孔压的积累将导致有效应力路径向破 坏线方向移动。 王建华和要明伦( 1 9 9 6 ) 利用循环加荷时的边界面半径及最大弹塑 性模量的衰减来描述土的等向弱化特性。此外徐攸在等人( 1 9 8 3 ) 为了 研究粘性土和砂土在动荷长期作用下的蠕变特性，进行了现场振动荷载 试验，研究了地基土的附加变形随时间的变化情况，将动荷情况下的蠕 变曲线分为衰减型和非衰减型，不同土对振动蠕变的敏感程度不同，而 且一旦出现非衰减型蠕变，则基础面积愈小时，蠕变速度愈快，并指出， 在长期动荷载作用下，把动应力化作静应力来验算地基是不可取的方法， 应该考虑振动蠕变对地基承载力降低的影响。 1 2 3 循环荷载作用下孔压研究现状 浙江大学博士学位论文 第一章绪论侯永峰2 0 0 0 年4 月 循环荷载下粘土中孔压的产生有明显的滞后性，因而预见循环荷载 作用下有效应力路径、有效应力与应变的关系及孔压的发展情况是十分 困难的。但土体在循环荷载作用下产生的孔隙水压力对研究土体的循环 特性有很重要的影响，有了f 确反映土体中孔压变化的模式，就可以用 有效应力法详细分析j 体的破坏机理。 目前对动荷载作用下孔压的研究，主要是对非粘性土和低塑性粘性 二e 在动荷载作用下孔压的发展作了较详细的探讨和研究，因为非粘性土 和低塑性粘性土中较高的孔隙水压力将引起土体的液化，丽对粘性土在 动荷载作用下孔压的发展情况研究得较少。 综合砂土中孔压的研究现状，可以将已提出的多种理论和方法按其 与孔压相联系的主要特征分为应力模型、体变模型、能量模型、内时模 型、有效应力路径模型和瞬态模型。 力 ，二，。 - - ( a s j 三二 以 ! 睦 圈12 8 孔隙水压力比随加荷周数比增长图j2 9 不排水剪切孔隙水压力增量 的关系曲线( 图中虚线为代表曲线) 与排水剪切体积应变的关系 【s e e d 等，1 9 7 s w l a r t i n 等，1 9 7 5 孔压应力模型是将孔压与施加的应力联系起来。这类模型中常出现 动应力和振次，或者将动应力的大小用液化的周数m 来表式，寻求孔压 比c r 0 和振次比n n l 的关系。这类模型中最典型的为s e e d 等( 1 9 7 5 ) 根据饱和砂土试样各向等压固结后，在不排水条件下进行周期加荷的动 三轴试验结果建立的模型，得出了孔隙水压力比随加荷周数n n l ( 其中 l 是达到液化时的周数) 增长的关系( 图1 2 8 ) 得到孔压的表达式， 塑里叁兰堡! 兰些堡兰 里二兰些堡堡查竖! ! 竺! 竺! 旦 后来为了用于非等压固结情况，f i n n 、c h a n g 、徐志英等都提出了修正公 式。此外，属于这一类的公式还有许多，如魏汝龙公式、石桥公式、王 志良公式、何广纳公式等。孔压应力模型的一个明显缺陷是无法解释偏 应力发生卸荷时引起孔压增长的重要现象即反向剪缩特性，而这时孔压 的变化往往起着明显的作用。 孔压体变模型是将孔压与某种应变联系起来。以前常用排水时的体 应变，现在主张采用剪应变。属于前者的模型主要有m a r t i n 孔压模型和 汪闻韶孔压模型。m a r t i n 等人( 1 9 7 4 、1 9 7 5 ) 根据饱和砂土在不排水条 件下孔压增量与其在排水条件下体积应变增量之间的联系( 图l ，2 9 ) ， 得到试样在没有体积变化情况下，周期剪切一周所引起的孔隙水压力增 量的表达式。 孔压的能量模型是引入一个无量纲能量，建立能量与孔压之间的关 系。这是因为孔压的升高主要是由于土体中颗粒间的相互运动和重新排 列，因此可将孔压升高与土粒重新排列过程中所损耗的能量联系起来。 曹亚林等( 1 9 8 8 ) 指出，如果用循环荷载作用下滞回阻尼圈所包围的面 积代表振动循环一周土中损耗的能量值，则对标准砂的试验表明，孔压 上升的程度与每周耗损的能量值之间有密切的关系，土中累积损耗的能 量随孔压的升高而有规律的增长。由于能量是一个标量，还可用叠加原 理解决复杂荷载下的问题。 孔压内时模型是用来描述各种砂土在周期荷载下孔压和体变又一种 方法，f i n n 与b h a t i a ( 1 9 8 0 ) 建立了孔压内时模型( 图1 2 1 0 ) 。内时相 当于周剪切时的剪应变，表示加荷过程中试样的应变积累，其增量d 善 等于偏应变增量，这种方法的特点是可以将一组由周期加荷试验得到的 孔隙水压力比u ，盯：与加荷周数关系曲线转换为一条单一的曲线，即 u 盯泞g ( 固，k 为包含剪应变幅值和加荷周数的变量，称为破损参数。 只要根据实验确定出函数g ( 固，即可估计孔压的大小。这种方法将大大 简化动态分析的总应力法和有效应力法，任何时间增量，内的孔压增 量，可按足的增量变化来确定。 浙江大学博i 学位论文 第一章绪论 侯永峰! ! ! ! ! ! 旦 孔压的有效应力路径模型是i s h i h a r a 等人( 1 9 8 5 ) 根据大量饱和砂 土的静剪切试验提出的一个比较新颖的孔压计算模型。这种方法的根本 依据是两条应力轨迹线，一个是等体积的应力轨迹线，另一条是等剪应 变的应力轨迹线。当荷载改变时，应力点发生变化，其所走的轨迹应该 沿等体积应力轨迹圆弧发生。由于弹性变形不引起附加的塑性剪应变， ( a ) 随加荷周数的增长( b ) 随破损参数的变化 图】2 】0 周期加荷时孔隙水压力增长曲线 f i n n & b h a t i a0 9 s o ) 故不引起孔隙水压力只有发生屈服。产生塑性变形时，才产生附加的 孔隙水压力增量。而孔压的变化量等于沿圆弧轨迹变化时有效平均主应 力的变化量，据此可求出孔压的增量。根据类似的思路，夏洪、胡定( 1 9 9 0 ) 不采用等体积的圆弧轨迹线来反映孔压的变化，而将孔压和体变用 m a r t i n 、f i n n 等的应变模型联系起来( 但取三轴条件下的回弹模量) ，其 中的体变用在粘弹塑性模型基础上建立的公式计算，提出联系孔压、体 变和有效应力路径的所谓统一模型，在p 叼应力坐标内按有效应力路径 的变化进行计算，并且考虑了到达破坏线或相转换线时剪胀引起的孔压 降低现象。 上述这些模型可用来综合地确定孔压的数值，但并没有提示孔压发 展变化的机理，只能按动荷载( 以动应力或动应变施加) 作用周次的增 长，计算残余孔压的累积郎孔压变化的单调增长。谢定义、张建民( 1 9 9 4 ) 提出的孔压瞬态模型可以确定任一时刻孔压的瞬态变化，可以揭示孔压 在各个循环周次发展和变化的内在规律。他们为了求得具体孔压的数值， 浙扛人学博1 学位论文 第蕈绪论侯永峰2 0 0 0 年4 月 将孔压水压力按其引起的原因区分为应力孔压、结构孔压和传递孔压三 种类型。应力孔压指土的结构在没有出现塑性破坏时，由于施加应力使 水或土骨架发生弹性变形时引起的孔压。它随应力的加卸同步变化，应 力卸除后消失，与荷载路径无关，它在总孔压中所占的比例随土结构强 度的破坏而减小。这类孔压在只研究循环荷载每周的残余孔压时为零， 一般不予考虑，但在研究孔压的瞬态变化时却包含在实测孔压之中，计 算有效应力的变化时必须计及。结构孔压指土结构破坏引起的i l 压，是 有效应力向孔压的转化，其大小随结构的破坏程度而定，与荷载路径有 密切关系，在不同的特性域内有不同的增长规律。至于传递孔压则是由 于土中孔压的消散和扩散引起增减变化的部分，它影响到有效应力的重 新分布，伴随着土骨架的胀缩变化，受应力路径的影响。对于这三种孔 压谢定义、张建民已经提出了测算的方法和关系式，从而可以对任一个 瞬态确定出所发展的孔压。可以看出，孔压的瞬态模型考虑了影响孔压 变化的各个因素，揭示了孔压发展的内在机理，能确定各瞬态孔压的增 长和积累过程，具有理论和使用上的优越性。 以上这些孔压模型都是针对饱对非粘性土提出的，动荷载作用下粘 土中孔压的发展和变化目前研究还不多。所提出的一些模型均建立在试 验结果的基础上，而关于复合土体在循环荷载作用下孔压的发展和变化 的研究就更少了。 1 2 4 复合土性状研究现状 复合地基有两个基本特点：1 ) 加固区是由基体和增强体两部分组成 的，是非均质的，各向异性的：2 ) 在荷载作用下，基体和增强体共同承 担荷载的作用。天然地基土体和增强体的物理力学性质，及其复合土体 特性决定了复合地基的基本性状。尤其是增强体材料的物理力学性质， 增强体与土体组成的复合体的性状对复合地基承载力和变形特性有重要 影响。目前常用的增强体材料主要有：碎石、砂、水泥土、石灰及灰土、 粉煤灰及二灰土、混凝土及钢筋混凝土、土工合成材料等。这些增强体 材料相互之间物理力学性质相差很大，总体上可以分为三大类：1 ) 散体 材料，如碎石、砂等；2 ) 由固化剂( 水泥或石灰) 胶结而成的增强体， 浙江大学博士学位论文 第一章绪论 侯永峰2 0 0 01 e 兰旦 有的刚度较大，如钢筋混凝土，有的刚度较小，如水泥土、灰土等；3 ) 用于加筋的土工合成材料等。上述三类增强体不仅物理力学性质不同， 而且它们与天然土体问的复合特性也有较大的区别。由于本文主要研究 水泥土土复合体的性质，所以只介绍这一类复合土体性状的研究概 况。 林琼( 1 9 8 9 ) 利用萧山粘土进行了不同置换率的水泥土土复合 土体试样的一维固结试验。试验表明复合土体的压缩变形随置换率的增 大而减小，两者不是线性关系，在一定的竖向荷载作用下，随置换率的 增大，压缩变形量减小的程度 是不同的。在一定的荷载条件 下，存在一个有效的置换率 。当研 耽增大m 值，复合 土土体压缩量减小率较小。而 且随着荷载的增大，有效置换 率m ，增大。在置换率相同的 条件下，增加水泥土水泥掺合 比，复合土体压缩量减小。 水泥土一一土复合土体压缩试 验的e i o g p 曲线如图1 2 i i 所示。从图中可以看到，复合 土的压缩变形随竖向压力p 的 增大而增大，但当竖向压力p 小于某值时，试样的压缩变形 非常小；而当竖向压力大于该 值时，压缩变形明显增大。 t a t s u r oo k u m u r a ( 1 9 8 9 ) 定义 h ( - ，“。1 8 - - 币阿 图1 2 1 1 水泥土一土复合试样e - l o g 尸曲线 吲自林琼( 1 9 8 9 ) 】 该垂直压力为屈服压力只。只值随复合土置换率脚和水泥土水泥掺合比 的增大而增大。刘一林( 1 9 9 1 ) 利用宁波粘士进行了不同置换率的水 泥土土复合土体试样的固结不排水三轴剪切试验，探讨了复合土体 的应力应变关系及强度特性。水泥土土复合土体的应力应 浙江大学博士学位论文 第一章绪论 堡坐竺! ! 竺! ! 旦 变形状类似于超固结土的应力应变关系曲线形状。围压减小，复合土体 置换率提高，水泥掺合比增大，复合土体的应力应变关系曲线从加工硬 化类型向加工软化类型转变，复合土体由塑性破坏转化为脆性破坏。复 合土体破坏应变则随围压减小、置换率提高，水泥土水泥掺合比增大而 减小。 1 3 本文的主要工作 基于目前循环荷载作用下复合土性状的研究现状，本文主要进行了 以下两个方面的工作： 1 、复合土在循环荷载作用下的性质 通过固结不排水试验来研究：a ) 循环应力比对复合土性质( 应力应变 关系、孔压) 的影响( 循环应力比取o 3 、o 5 、0 7 、0 8 、0 9 五组) ；b ) 加荷周数对复合土性质的影响( 加载周数取1 0 、2 0 、5 0 、1 0 0 、2 0 0 、5 0 0 、 1 0 0 0 七组) ；c ) 围压的影响( 围压取为1 0 0 k p a 、1 5 0 l ( p a 、2 0 0 k p a 、4 0 0 k p a 四组) 。 2 、循环荷载下作用下道路的沉降计算 按平面应变情况来分析道路的沉降情况，对路面材料及基层按线弹 性考虑；对加固区和下卧层将考虑土的弹塑性性质。对下卧层土的模型 采用了周建( 1 9 9 8 ) 的研究成果，对加固区复合土体的性质通过试验来确 定。因在现行的路面力学计算中大都将荷载简化为圆形的均布荷载，按 轴对称问题来进行计算，但这种荷载简化方式只考虑了单一荷载作用下 道路的受力与变形情况，实际道路上是作用有一组不同间距，不同大小 的运动荷载的，在计算沉降的过程中有必要考虑多个荷载的作用。但将 荷载简化为一条形均布荷载也不符合实际情况。因此本文将荷载简化为 如下形式： 尸= 蛾。s i n ( c o t ) ( 1 3 1 ) 式中尸轮胎与路面的接触压力： 0 1 荷载作用的圆频率： 七荷载折减系数，其值与道路上车辆的运行密度、速度、轴载 第一章绪论侯永峰2 0 0 0 年4 月 犬小、轴载组合等很多因素有关，难以确定。根据实测资料来进行试算 从而提供了个经验数值。 说明：本文的研究对象是竖向加筋的水泥土一一土复合土体，为了讨论 的方便，本文中未特别注明的复合土体均指水泥土一一土复合土体。 塑望查堂堕主兰垡丝苎笙三童堡堑笪塾堡旦! 查堡复鱼圭丝坚堕墼竺窒堡查竺_ 兰塑旦至三旦 第二章循环荷载作用下水泥复合土 性状试验研究 2 1引言 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，软粘土 具有天然含水量高、孔隙比大、压缩性高、灵敏性高、强度低等工程性 质，随着经济的迅猛发展，在软粘土地区进行高层建筑、高速公路的修 建是不可避免的。由于软粘土本身的工程性质不良，所以在软粘土地区 进行建筑施工时有时要进行地基处理。水泥搅拌桩复合地基是软粘土地 区进行地基处理的一种常用方法。对机场路道、高速公路、铁路等工程 来说，由于其荷载不是一般的静载，所以研究在循环荷载作用下复合地 基的特性非常重要。本章主要通过试验对循环荷载作用下复合土体的特 性进行了一些研究。 循环荷载作用下复合土体的试验研究国内外进行的比较少，但循