（岩土工程专业论文）循环荷载作用下水泥土桩—土复合体性状研究.pdf

摘要 在高速公路、铁路与机场跑道建设中，经常需要面对各种软弱地基， 必须进行地基处理。近年来，随着地基处理技术的普及、提高和发展， 各类复合地基在这些工程当中得到了愈来愈多的应用。其中水泥土桩一 土复合体是最常用的类。本文在充分查阅并借鉴大量既有成果基础上， 通过室内动三轴试验，对循环荷载作用下水泥土桩一士复合体的变形性 状、阻尼比和回弹模量进行分析研究，总结出循环荷载作用下水泥土桩 一土复合体的变形与孔压发展特点和规律，本文讨论的水泥土桩土复 合体中水泥土的水泥掺和比分别为1 0 和2 0 ，主要进行以下几方面的研 究：分析循环应力比对应变的影响，研究围压对应变的影响，研究水泥 土桩一土复合体置换率对应变的影响，研究加载周数对应变的影响，研 究复合地基的回弹模量与阻尼比在循环荷载作用下的发展规律，从而为 公路、铁路、机场跑道等工程的工后沉降计算提供一定的理论依据。 通过对水泥掺入量为1 0 和2 0 的水泥土一士复合体试样进行的 应力控制式的循环三轴试验研究发现，随着循环应力比的不断增加，土 体产生的应变和孔压也相应增加，并且当循环应力比较大时，复合土体 在较少的加荷周数情况下就发生破坏。试验结果表明，循环荷载作用下 复合土体存在临界循环应力比。临界循环应力比随复合土体的置换率增 加而增加，但其增加速率逐渐减小。 通过对循环荷载作用下复合土体孔压的研究发现，对应力控制的循 环荷载，复合土体存在门槛循环应力比，当循环应力比低于此值时，则 认为复合土体中没有孔压产生。门槛循环应力比随着复合土体的置换率 增加而增进，单其增加速率逐渐减小。 对应于一定的循环应力比，土体产生的应变随加载周数的增加而增 加。随着围压的不断增加，在相同的循环应力比情况下复合七体产生的 应变和孔压不断减小。随着罱换率的不断增加，在相同的循环应力比情 况下复合土体产生的应变不断减小，两孔压有定程度增加。 通过模型试验发现，水泥含量低的桩的强度是复合士强度的控制条 件，复合土阻尼比和回弹模量的特性规律很大程度上取决于水泥土桩在 循环荷载下的特性。 通过对循环荷载作用下复合土体的研究发现，对应于一定的循环应 力比，在围压相同的情况f 复合土体的动阻尼比随加载周数的增加而减 小，回弹模量随加载周数的增加而增加，但随加载次数增加即动应变的 增大回弹模量变化的效应渐趋减弱，动应变增大到一定值时，回弹模量 随围压的改变并不明显。 随着循环应力比的不断增加，复合土体的动阻尼比也相应增加，并 且当循环应力比较大时，复合土体在较少的加荷周数情况下就发生破坏， 阻尼比先减小继丽迅速增大。回弹模量随循环应力比的增加即动应力水 平的增大而减小。 复合土体在循环荷载作用下，对于相同的加荷周数，阻尼比随着围 压的增加而减小，回弹模量随周围压力的提高而增大，但随加载周数的 增加，围压的影响越来越弱。 复合土体的动阻尼比在相同的循环应力比情况下随着置换率的增加 而减小，回弹模量随着置换率的增加而增大。 关键字：循环荷载，复合土，软粘土，性状 a b s t r a c t i ti si n e v i t a b l et ob u i l dh i g h w a y sa n dh i g hb u i l d i n g si nt h es o f tc l a y a r e a s h o w e v e r , s o f tc l a yh a st h ee n g i n e e r i n gp r o p e r t i e s ：h i g hv o i dr a t i o ，h i g h n a t u r a lw a t e rc o n t e n t ，g r e a t e rs e n s i t i v i t y , h i 曲c o m p r e s s i b i l i t y , a n dl o w s t r e n g t h s of o u n d a t i o ni m p r o v e m e n ti sn e c e s s a r yw h e n c o n s t r u c t i o nw o r kj s d o n ei nt h es o f tc l a ya r e a s c e m e n tm i x e dp i l ef o rt h ec o m p o s i t ef c i u n d a t i o n i st h eu s u a la p p r o a c ha d o p t e di ni m p r o v i n gt h ef o u n d a t i o ni ns o f td a y s i ti s o fg r e a ts i g n i f i c a n c et os t u d yt h ep r o p e r t i e so fc 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 gb e c a u s e t h el o a d i n go i lt h es p e e d w a y , r u n w a yo fa i r d r o m ea n d r a i l w a y a r en o ts t a t i c t h ep u r p o s eo f t h i sr e s e a r c hi st om a k es o m e a n a l y s i s b yt e s ta b o u tt h ep r o p e r t i e so fc 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 g i n o r d e rt os t u d yt h ep r o p e r t i e s ，as e f i e so ft e s t sw e r ec o n d u c t e du n d e rt h es a m e m i x i n gc e m e n tr a t i o t h et e s t s s t u d i e dt h ee f f e c to fd i f i e r e n tr e p l a c e m e n t r a t i o ，c y c l i c s t r e s s r a t i o ，n u m b e ro fc y c l e s ，p o r ep r e s s u r e a n d c o n f i n i n g p r e s s u r e a f t e ra n a l y z i n gt h ea f f e c t i n gf a c t o r s ，s o m eo n e sw o r t hc o n s i d e r i n g j nt h e1 a t e rm o d u l e m a k i n gc a l lb es o r t e do u ta n dc e r t a i np a r a m e t e r sc a nb e p r o v i d e d t oc o n d u c tt h em o d u l e m a k i n ga n dp r a c t i c a lc a l c u l a t i o n k e yw o r d s ：c y c l i cl o a d i n g ，c o m p o s i t es o i l ，s o f tc l a y , p r o p e r t y 北京交通大学顾i 。学位论文循环荷载作用下水泥土桩土复台体性状研究2 0 0 5 年3j 1 1 1 引言 第1 章绪论 桩基础是一种较常见的深基础，1 泛应用于交通、港| _ _ _ l 、工民建、海洋r 程等众多领域。桩的使用历史悠久，人们在软弱地龉卜修建结构物时，较早的 使用了桩基这种基础形式，它是劳动人民实践的结晶。早在秦朝，修建栈桥时 就使用了木石构件嵌入岩石中来支承桥面，到汉朝时木桩就广泛应用于桥梁建 设了。随着生产力的发展，修建桩基的材料发生了变化，已由古代的木桩发展 为现代的钢筋混凝土桩、预应力钢筋混凝土桩、型钢桩和钢管桩等，广泛使用 打入、钻孔灌注法施工，用爆扩、压浆等法对桩底和桩侧进行强化处理。桩基 础具有承载力高、沉降量小且均匀，能承受较人的垂直和水平荷载，易于施工 等优点，并且经济、稳定性好、抗震能力强。在大跨度结构( 如桥梁) 、高层建 筑物及较差的地层e 桩基常常是首选的基础形式。 土体经常受到动态荷载的作用，这些动态荷载主要包括地震、波浪、震动、 交通荷载、风力和爆炸等。动荷载作用下饱和软粘= i 二的特性是设计和分析不同 岩：t 结构时需要考虑的问题，如地震荷载作用下土体结构的稳定和变形分析、 深厚软粘土层的地震响应、建筑物下部地基与结构的相互作用研究等等。很多 情况下由于粘土的动荷载特性不清楚，导致了许多大的灾难。如1 9 8 5 年9 月 的墨硒哥地震：1 9 6 4 年阿拉斯加大地震中第四大街的滑移；1 9 6 4 年n i i g a t a 地震后的大滑坡；以及c a m i l l e 飓风过程中密西西比河三角洲的海底大滑坡等 等。 建造在软粘土地基e 的建筑设施在动力荷载作用下产生沉降，迄今观测到 的大体可分为三类：( 1 ) 地震荷载作用下，建筑物在瞬间内突发性超量沉陷以 及一i 均匀沉降导致建筑物显著倾斜。( 2 ) 修建在软粘土地基上的飞机跑道、机 北京交通大学硕士学位论文循王f 荷载作用下水泥土桩一土复台体性状研究2 0 0 5 年3 月 场停机坪、过江隧道以及公路和铁路的路基在相应的交通荷载作用下发生沉 降。( 3 ) 大脉冲的爆炸荷载引突发性沉陷及不均匀沉降，这种沉降具有明显的 速率效应。 动荷载中的地震荷载是一种短期的循环荷载，在地震期间，粘土层可视为 处于不排水状态；而各类交通衙载是一种长期的循环荷载，此时，粘土层可视 为部分排水。饱和软粘土在动荷载作用下引起的残余变形可以分为两部分：动 荷载作用下土体中的不排水残余应变引起的瞬时变形和土体中孑l 隙水压力消 散引起的再固结变形。正确估算建筑物在循环荷载作用下的沉降，对实际t 程 具有重要的意义。 作为工程结构物基础的桩，也要受到各种动荷载的作用。如：在地震地区 的桩基，地震时所有建筑物都要受到一个附加垂直或水平外力的作用，这种附 加力是动态的，最终通过结构传至基础上，使得桩发生相对土体的振动，若产 生的变形和位移过大，将在基础与土体的界面上出现脱离、移动和软化等现象， 影响基础的承载能力甚至破坏。大型工业动力设备，如，大型电机和发电机、 活塞式压缩机、冲击机器、金属切削机床、破碎机、振动台等，在运转时引起 振动，若其振动过大，将影响到机器加工精度，甚至损坏机器使之无法正常工 作，并影响附近的设备、仪器和人员的正常工作和生活，使用桩基作为此类设 备的基础时，桩基的动力特性是至关重要的。随着对海洋资源的开发利用，人 类已能在深水域进行开采石油的工作了。深水海域中海洋平台常使用锚桩式锚 着物以保持上部结构的稳定。在正常情况下，锚桩将承受静拔荷载作用，而因 海洋风暴和波浪的影响，锚桩还要承受附加的轴向循环荷载。研究轴向动静拔 力作用下桩基的行为是安全设计海洋平台和海上生产的前提。大吨位高速度的 公路、铁路运输业的发展，使得桥梁承受着更丈的动力荷载，这种频繁长期地 加卸载作用对桩基础将产生不利的影响。 对于桩基的动力承载问题，以往的办法是将桩的静承载力作一定的折减， 2 北京交通火学硕t ：学位论文循环荷载作用下水泥十枇一士复仑体性状研究2 0 0 5 年3 月 对桩基础振动位移的控制则往往是加大基础的质量。这些处理方法都是经验性 行为，虽然曾经发挥过很大作用，但它忽视了影响桩、士体系的其他因素，造 成工程的浪费和不安全。研究发现，桩基在承受动荷载时，随着外力的加载和 卸载，桩与土体问发生动剪切和动压缩，土体强度减小并可能在桩、土界面出 现滑动和脱丌，使得体系阻尼减小，荷载传递发生改变，因而桩的承载力减小、 变形增大。有些情况f ，桩基所承受的动衙载的量级远小于其静承载力，卸造 成桩基础失效破坏。 1 2 柔性桩的定义 按桩体相对土体变形程度及成桩情况，可将现有的桩分为三大类 刚性桩。比如混凝士桩、钢管桩等。此类桩体的弹性模量远比土体的变形 模量大，往往忽略桩体本身的变形，因此称为刚性桩，多用于将荷载传递到较 深的土层中去。 散体材料桩。比如碎石桩、砂桩等。密实的碎石、砂土等的变形模鼍较大， 应用于软土处理对，此类桩的变形模量不好计算，受桩周土性质的影响较大。 当土体较密实或抗剪强度较大，对桩体的约束力就大，桩体不会产生鼓胀现象 或鼓胀现象较小时，桩体强度就大，反之就小。 柔性桩。比如水泥土桩、石灰土桩等。此类桩体的变形模量与土体的变形 模量较接近，桩体本身的变形不能忽略，挖开周围土体，桩体能够独立存在， 该类桩体可归为柔性桩类，多用于软土地基处理。 1 3 水泥土一土复合体发展的回顾 本课题研究水泥土一土复合体的有关阀题。 水泥土搅拌法是适用于加固饱和粘性土和粉性土等地基的一种方法。它是 利用水泥等材料作为固化剂通过特制的搅拌机械，就地将软土和固化剂( 浆液 或粉体) 强制搅拌，使软土硬结成县有整体稳定性、水稳性和一定强度的水泥 3 北京变通大学硕士学位论文循环苟载作用下水泥土桩一土复合体性状研究 土，从而提高地基强度和增大变形模量。根据施工方法的不同，分为水泥浆搅 拌和水泥粉喷射搅拌两种。从第二次世界大战后美国研制成功第一台搅拌桩机 械开始( 称为m i x e d i n p l a c ep i l e ，简称m i p ) ，世界多软土国家相继引入此法。 1 9 5 3 年f 1 奉引进此法。1 9 7 4 年研制成水泥搅拌固化法( c l a ym i x i n g c o n s o l i d a t i o n ，简称c m c 法1 。 在高速公路、铁路与机场跑道建设中，经常需要面对各种软弱地基，必须 进行地基处理。近年来，随着地基处理技术的普及、提高和发展，各类复合地 基在这些： 程当中得到了愈来愈多的应用。其中柔性桩复合地基是最常用的一 类。水泥搅拌桩、粉喷桩、旋喷桩、石灰桩、灰土桩及各种低强度混凝土桩( 如 c f g 桩、二灰混凝土桩等) 复合地基都可以归为柔性桩复合地基，其中水泥 土桩土复合体是较为常用的一种。 复合地基的两个基本特点是：1 ) 加固区是由土体和增强体( 桩体) 两部分组 成的，是非均质的、各向异性的；2 ) 在荷载作用下土体和增强体共同承担荷载 的作用。对水泥土桩一土复合地基，目前的研究主要集中在静荷载作用下复合 地基的变形性状上。加固区的变形计算方法可分为两类：1 ) 采用“群桩”分析 法，在应用有限元计算时，将桩体与土体分别设置单元，两者之间用接触面相 连接，可以模拟桩、土、下卧层间的相互作用，正确分析复合地基的承载机理， 但桩土间的相互作用关系难以确定；2 ) 将加固区视为由桩、土二相组成的均质 各向异性复合材料，通过恰当方式建立反映复合地基整体特性的本构方程1 3 ”。 经常采用的复合模量法，就是这种方法的典型代表。杨涛、殷宗泽等1 2 7 1 根据 桩土界面应力及竖向变形连续条件建立了复合本构方程，桩土可以采用任意的 线性与非线性本构模型。但桩、土界面的竖向变形很多情况下并不连续。所以 其应用也受到了一定的限制。下卧层的变形计算一般采用分层总和法。采用有 限元计算时采用剑桥模型、邓肯一张模型等本构模型来模拟士体的变形性状。 在静载情况下其计算结果较好。 4 北京交通大学硕士学位论文循环荷载作用下水泥土桩一土复仑体性状研究2 0 0 5 年3 玎 目前静荷载作用下路基的稳定问题得到了较好的解决，由于承载力不足造 成的路基失稳已很少发生。但因长期循环荷载作用而产生的工后沉降问题仍很 突出。高速公路的桥头跳车现象严重，铁路的路桥过渡段部分也是路基病害的 多发区。而且如果路基t 后沉降量过大，会造成线路状况恶化，车辆通过时的 动应力将明显加大，导致产生更大的沉降，形成恶性循环。徐建平等【2 0 j 认为 当汽车行驶在不平顺的路面上时，可以将汽车简化成一个单自由度系统，而且 将对路面产生较大的动荷载。谢世波等【2 1 】对列车不同速度下轮轨竖向附加动 荷载进行了分析，认为行车速度、轨道不平顺、轨道刚度以及车体和簧下质量 是影响附加动荷载的主要因素。在我国现有的机车车辆和轨道条件下，提速后 产生的竖向轮轨附加动荷载已达到或超过国外高速铁路标准。即在当前列车向 “高速化、重载化”发展，高速公路上的车流量越来越大的情况下，作用在路 基表面的动荷载会有很大的增加，这会导致工后沉降问题更加突出。路基本体 在施：【过程中如达到规范规定的压实度，其本身在循环荷载作用下的永久变形 量是很小的，大部分的工后沉降主要是由于基底部分在循环荷载作用下产生的 沉降造成的，因此研究循环荷载作用下水泥土桩一土复合体的变形性状具有重 要的理论与实际意义。 1 4 水泥土桩一土复合体在循环荷载作用下的特性研究进展 要提出能反映土体实际情况的方便、实用的沉降计算方法，首先必须对循 环荷载作用下土体的特性有清楚的认识和了饵。以下就国内外循环荷载作用下 土体性状和模型的研究情况作简要综述。 1 4 1 本构模型研究现状 研究循环荷载作用下土体的性状，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性，因此较难 用应力应变关系来反映，现有的模型往往是建立在总应力路径下的应力应 5 北京交通人学硕士学位论文 循环荷载作用下水泥土桩一土复台体性状研究2 0 0 5 年3 月 变模型。 目前已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【1 8 】。 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。但由于这类模型加载与卸载时模量相同，因此不能 计算土体在循环荷载作用下发生的残余变形，也不能考虑应力路径的影晌以及 土体的各向异性。 土的弹塑性模型建立在弹性理论和塑性增量理论基础上。它由屈服条件、 硬化规律、流动法则三部分组成，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。关于土塑性理论的研究最早可追溯到d r u c k e r 和 p r a g e r 1 4 l 提出考虑静水压力对土屈服影响的圆锥形屈服面；接着d r u c k e r 、 g i b s o n 和h e n k e l 首先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扩胀，从而建立了第一个可用于土的加工硬化塑性 理论；其后，英国学者r o s c o e 、s c h o f i e l d 和t h u r a i l i a h 在此基础上经过对 正常固结重塑粘土三轴试验力学特性的细致研究，成功地提出了土的塑性帽盖 模型，被称为剑桥模型。这是土的塑性理论中一直被公认为最经典的模型之一， 并逐步发展成为临界状态土力学，我国学者魏汝龙根据不排水三轴压缩试验的 应力路径资料，得出屈服面在平均压应力和主应力差坐标平面内般成椭圆 形，剑桥模型则是其特殊情况1 3 2 l 。 近年来又有不少描述循环荷载作用下土体特性的弹塑性本构模型。 c a r t e r 等人( 1 9 8 2 ) 提出了土体的临界状态模型，是在修正的剑桥模型基础上 引入了一个反映士体在加卸载过程中软化的参数，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 n d 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i f 的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 a 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 6 北京交通人学颤l ：学位论文循环荷载作用f 水泥土桩一士复含体性状研究2 0 0 5 年3 月 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。 由于上体复杂的非线性、非弹性很难模拟，特别是当荷载包括循环穑载、 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。通过土体 在循环衙载作用下的变形特性的研究发现，经典的弹塑性动本构模型有一定的 局限性，它采用等向硬化规律，一个屈服面，通常认为当应力路径在屈服面内 时，土体只产生弹性变形。它不能描述循环加载路径，不能描述卸载的塑性变 形。事实卜- ，当应力点在屈服面内时，随着应力路径的变化，仍然可能产生不 可恢复的塑性变形。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，因而不少学者认为单一屈服面难以 解释士体的这些变形特性，于是提出了多重屈服面模型的概念。即：塑性应变 分为几个部分，与此相应规定有几个屈服面，每个屈服而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 可以分别不产生塑性变形、产生部分塑性变形和产生完全塑性变形。按照这一 概念，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 ) 提出了不摊水情况下粘土的多重屈服面模型【3 5 】( 图1 1 ) ，由 于拉伸与压缩时土体的性状不同，所以屈服面的中心不在原点，其中心偏离原 点反映过去的应力历史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 反映正常固结粘土各向异性的多重屈服面运动硬化模型：r a m s a m o o j 和 a l w a s h ( 1 9 9 0 ) 运用排水荷载下的各向同性硬化及不排水荷载下各向同性硬化 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 【1 8 】。 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 北京交通大学硕上学位论文 循环荷载作用下水泥土桩一十复合体性状研究 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。 描述土体在往复荷载特别是循环荷载f 的弹塑性性状，m r o z 等( 1 9 7 8 ) ， d a f a l i a s 等( 1 9 7 5 ) 【8 1 做了许多的研究。通过简化m r o z ( 1 9 6 7 ) f d 一孺 d ：名 。 8 蝣2 蜇 峥， n ) t 6 图i ip r o v o s t 多重屈服面模型 提出的多重屈服面塑性理论概念，d a f a l i a s 和p o p o v ( 1 9 7 5 ) 例及k r i e g ( 1 9 7 5 ) ”l j 提出了边界面模型( 图1 2 ) ，在这些塑性模型中，多数是以金属材料的屈服面 模型为基础，改进提出土体的双屈服面和多屈服面模型。d a f a l i a sp o p o v ( 1 9 7 5 ) ， k r i e g ( 1 9 7 5 ) 的模型中定义了两个面，外面的面称为边界面或记忆面，里边的称 之为加载面或屈服面汹1 。根据非等向硬化规律，各个面都可以移动并改变形状。 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，加载面或其它屈服面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，士 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。加载面在应力空f 目l e e 的位置和大小随着塑性应变的产生和发展在边界面 型型塑望垦= ! j ：竺竺兰竺垡塞：= ! | ! 二煎! 燮堡旦! 查塑篓二茎鱼堡壁鲨型塑 ! 塑i 笙! 旦 口 曩囊 么鼍卜9 r n 啦 舶 。历 户- 窖空甸边界面 图1 2 d a f a l i a s 等边界面模型 内移动和胀缩，不能与边界面相交，但在共轭点处可以相切；( 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景的插值规则，计算塑性 应变增量。目前，双屈服面塑性模型已经广泛应用于研究土体在复杂加载条件 f 士体反映。 m r o z 等( 1 9 7 8 、1 9 7 9 ) 1 x 0 1 采用椭圆形边界面，d a f a l i a s 和h e i 瑚a n n ( 1 9 8 0 ) 1 昀 模型中边界面由两段椭圆和段双曲线组成，用半径映射规则确定实际应 力点在边界面上的“像”； g h a b o u s s i 和m o m e n ( 1 9 7 9 ) 、p 0 0 f o o s h a b 和s t o l l e ( 1 9 8 7 ) t 1 3 1 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；有一些运用 双面模型估算土体应力应变的基本特性的成功结果( t s e n gl e e1 9 8 3 ： m c d o w e l l 1 9 8 5 a ，b ) 吲。a n a n d a r a j a h 和d a f a t i a s ( 1 9 8 6 ) 1 1 3 】提出一个新的双面 模型，运用了新的往复硬化准则，它包含了偏应变和体应变，并且考虑了土体 初始各向异性和应力引起的各向异性；m a n z a r i 和d a f a l i a s ( 1 9 9 7 ) 1 2 0 1 f f 黾一个 9 北京交通大学硕士学位论文 循环荷载作用下水泥十桩一十复合体性状研究2 0 0 5 年3 月 针对排水和不排水条件下士体在静载和循环荷载的临界状态双面模型。 虽然，双面塑性模烈取得了很大的成功，但j i a n g ( 1 9 9 4 a ) 【1 3 】对些基本 的双面塑性模型进行了细致的研究，指出其不能反映土体在复杂加载条件下所 有的重要的实验特性。m r o z 等( 1 9 8 1 ) l 乃】也指出其不足，并发展了三面模型。 以往的双面模型虽然有很大的改进，但还不能合理、满意地预测士体在复 杂的加载条件下的基本特征，也来具备充分的记忆能力来区分特定的加载路 径。根据土体在往复荷载作用下单轴和三轴试验应力应变关系的分析( m r o z a n dn o r r i s1 9 8 2 ：m r o za n dz i e n k i e w i c z1 9 8 4 ) 【1 0 1 ，循环荷载下，好的弹塑性模 型应该采用菲等向硬化和有“记忆”畿力的边界面。非等向硬化把等向硬化和 运动硬化结合起来，等向硬化的概念由边界面代表，运动硬化的概念由屈服面 及其变化规律代表，边界面的大小和中心位置取决于土的应力历史和当今的应 力状态。这个边界面不同于牾界状态土力学中的边界面，在这个边界面内不存 在单独弹性区，因此，以后加载时不仅当应力点越过边界面时会因硬化而使其 大小和位置发生变化，而且当应力点在边界面以内时，也会因新的塑性变形而 使其大小和位置发生改变。这样，边界面主要对应力历史有影响，起“记忆” 作用。在边界面和起始屈服面之间，有许多套叠分布的屈服面，它们随应力应 变的变化而发生相应的移动和收缩。李涛( 2 0 0 2 ) i t 3 结合了经典临界状态模 型和以往双面、多面模型的优点，以土的临界状态理论为框架，定义新的运动 硬化规律，建立了新的具有“记忆”功能的粘性土在循环荷载f 的弹塑性双面 模型。 国内对边界面模型研究较晚，郑大同，( 1 9 8 3 ) 以1 w a n ( o 丑 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l 弼1 。谢一环等( 1 9 8 6 ) 【2 5 】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 ) 1 2 叼根据 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；王建 1 0 北京交通大学硕 ? 学位沦文循环荷载作用下水泥土桩一土复合体性状研究2 0 0 5 年3 门 华等( 1 9 9 6 ) 【3 0 l 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 体的等向弱化和蠕变；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丽，克服了边界面的奇异性1 3 ”。 目前已发展的各种弹塑性动本构模型，与非线性全量理沦相比，理论基础 坚实，适用条件广泛，能够较好地模拟粘上的各向异性，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。因此尚 需在现有研究基础上使弹塑性动本构理论逐步加以发展和完善。有鉴于此，基 于多机构概念的塑性模型及其新颖的建模思想是值锝注意的新发展，且自口研究 土体非线性动本构理论的另一大类是较新的内时理论。 内时理论是由k cv a l a n i s 首创的，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1 1 5 1 。我国学者陈仲颐和陈 正汉曾撰文分别介绍了简单内时理论与新内时理论在土力学中应用。内时理论 最基本出发点是塑性和粘弹性材料内任一点的现时应力状态，是该领域内整个 变形和温度历史的泛函，特别重要的是变形历史是用个取决于变形过程中材 料特性和变形程度的内蕴时间作为基本变量来度量，内时理论建立在以内变量 理论为其基本网络的不可逆热力学基础之上，通过对由内变量表征的材料内部 组织不可逆变化所必须满足的熟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响应特性，最后它能够以显式的本构方 程形式表达出来。内时理论实质上属于塑性理论的范畴，但该理论不以屈服面 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a 屈 北京交通人学硕一i ：学位论文循环荷载作用下水泥土桩一土复合体性状研究 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。 1 4 2 复合土体性状研究现状 当前对循环荷载作用下土体性状的研究主要集中在各种天然土体上。地基 在循环荷载作用下引起的累积变形可以分为两部分：在循环荷载作用下士体中 残余应变引起的变形和土体中由于循环荷载引起的孔压的消散产生的固结变 形。h i c h e r & l a d e 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。i s h i h a r 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1 3 】对不同超圃结比的土体在有效应力空间中提 出了循环临界状态线。周建等研究了循环荷载作用下饱和软粘土的应变软化与 孔压特性。王林t , 1 2 2 瞎通过室内模型试验，研究了交通荷载作用下路面与软 土地基的共同作用，得出了路面板的弯沉、应力以及永久变形的变化规律。蒋 军等通过循环加载固结试验，分析了不同加载波形循环荷载作用下饱和重塑粘 土的沉降特性。蔡袁强等1 2 3 1 分析了循环荷载作用下成层饱水地基的一一维固结， 对地基中有效应力与变形的发展规律进行了研究。 林琼( 1 9 8 2 8 1 利用萧山粘土进行了不同置换率的水泥土一一土复合体试 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他，当m 讯。 增大m 值，复合土体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。在罨换率相同的条件下，增加水泥土水泥掺合比a 。，复合土 体压缩量减小。水泥土一土复合土体压缩试验的曲线如图1 3 所示。从图中可 以看出，复合土体的压缩变形随竖向压力p 的增大而增大，但当竖向压力p 小于某个值时，试样的压缩变形非常小：但当竖向压力大于该值时，压缩变形 北京交通大学硕。卜学位论文循环荷载作用下水泥土桩一土复台体性状研究2 0 0 5 年3 月 明显增大。t a t s u r oo k u m u r a ( 1 9 8 9 ) 定义该垂直压力为屈服压力p v 。p v 值随复 合：上蜀换率m 和水泥土水泥掺合比a 。的增大两增大。刘一林( 1 9 9 1 ) 【3 1 】利用宁 波粘土进行了不同置换率的水泥土士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 土体的应力应变形状类似于超固结上的应力应变关系曲线形状。围压减 小，复合士体置换率提高，水泥掺和比增大，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，复合士体有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、最换率提高，水泥掺和比增大而减小。 i 1 饥 1 1 ，k p 8 “l - _ 1 5 ，l 幂一 b 埔一乱2 悔，r 苇两 图1 3水泥土 ：复合试样压缩曲线 目前对循环荷载作用下水泥土桩复合体的性状研究成果还非常少。张 1 3 “ 北京交通大学硕t 学位论文 循环荷载作用下水泥土桩一士复合体仕状研究 建明掣”l 通过室内模型试验，研究了动荷载作用下冻土巾桩的沉降规律，指 出冻士中桩的沉降过程主要是冻土在剪应力作用下的流变过程。但由于冻土的 特殊性，其成果难以得到广泛的应用。彭雄志( 1 9 9 9 ) 1 2 9 l 就单桩在循环荷载 作用下的动力特性进行一些室内试验和模型试验的研究，着重对桩的动力特 性、影响因素进行了研究，指出轴向受压桩在循环荷载作用下发生强迫振动， 在其上静载定时，存在一个极限动载值。当动应力小于该值时，桩顶轴向位 移的幅值较小，桩顶轴向累积位移将随时f i i i j 增长丽趋于稳定：当动应力达到或 超过该值时，桩顶轴向位移的幅值较大：桩的极限动承载力受其卜荷载、土层、 桩土的接触情况等因素的影响，当桩承受轴向动力荷载作用时，在承受小于极 限动承载力的外力作用时，桩顶动位移幅值不随动载循环次数的增加而改变； 当外荷载超过桩的极限动承载力时，桩顶累积位移以较快的速度不停滞地发 展，桩土体系发生软化或破坏。在软土中桩的轴向动力行为与软土的动力特性 是高度相关的。侯永峰等i 2 4 l 通过水泥复合土的不排水动三轴试验，分析了水 泥复合土在循环荷载作用下的应变与i l 压特性。但由于在室内三轴试验时，没 有考虑桩体与土体的模量比变化的影响，复合土的受力条件与实际情况差别较 大，所以尚需进一步的研究。 1 5 本文的研究背景和主要工作 综上所述，对循环荷载作用下天然地基的变形与孔压性状的研究已取得了 一定的成果，对静荷载作用下复合地基的变形性状的研究成果也较为丰富，而 对循环荷载作用下复合地基的研究成果还很少。但在实际应用当中，对工后沉 降敏感的路桥过渡段的基底经常需进行加固处理，如在秦沈客运专线中很多路 桥过渡段均是采用粉喷桩进行地基处理：在沪宁高速公路中，水泥搅拌桩也得 到了广泛的应用。京沪高速铁路也将通过较多的软土地区，水泥土桩一土复合 体将得到广泛的应用。基于上述原因，进行循环荷载作用下水泥土桩一土复合 1 4 ! ! 塞茎望查兰塑! ：堂壁笙兰塑堡堕垫堡旦! 查堡壁二! 堡垒堡丝鉴塑塑! ! 堕生! 旦 体变形性状的研究十分重要。水泥土桩土复合体基础是软弱地层上常使用的 基础形式，那么水泥士桩土复合体在轴向动力荷载作用下的承载特性和动力 响应必将成为高速铁路建设十分关心的问题。随着京沪高速铁路建设程序的推 进以及对沿线现场勘测勘探工作和设计工作的深入，出现在沪宁段的深厚软弱 地基将对基础的设计产生重大影响。铁路动荷载刘桩基础将会有多大的影响， 水泥土桩一土复合体的承载力在列车动力作用下将会有多大的减小，它受哪些 因素的影响：水泥土桩一土复合体基础的沉降将如何发展，它是否会稳定；动 力作用下水泥土桩一土复合体的动位移幅值有多大，受何因素控制等问题，是 铁路建设者必需面对的问题。因此有必要对此进行专门研究。 本文的研究目的是通过实验对循环荷载作用下水泥土桩一土复合体的变 形性状、阻尼比和回弹模量进行分析研究，总结出循环荷载作用下水泥土桩一 复食体的变形与孔压发展规律，从而为公路、铁路、机场跑道等工程的工后 沉降计算提供一定的理论依据。 为达到研究目标，本文主要进行以下几方面的研究： 1 、分析循环应力比对应变的影响。 2 、研究围压对应变的影响。 3 、研究水泥士桩一土复合体置换率对应变的影响。 4 、研究加载周数对应变的影响。 5 、研究复合土的回弹模量与阻尼比在循环荷载作用下的发展规律。 研究方法和试验内容 在充分查阅并借鉴大量既有成果基础上，通过室内动三轴试验，研究循环 荷载作用下水泥土桩复合土体的变形特点与规律。 试样制备时，水泥土的水泥掺和比分别为1 0 和2 0 ： 试验内容主要包括； l 、加荷周数的影响 北京交通大学硕士学位论文循环荷载作用下水泥土桩一士复台体性状研究2 0 0 5 年3 月 为研究加荷周数对土体的影响，分别在循环应力比为0 3 、0 5 、0 7 、0 8 、 0 9 情况下，对水泥上桩一土复合体进行加荷周数为1 0 、5 0 、1 0 0 、2 0 0 、5 0 0 、 1 0 0 0 、5 0 0 0 、1 0 0 0 0 的试验。 2 、围压的影响 分别对1 0 0 、2 0 0 、3 0 0 k p a 的围压下的复合上体施加不同大小的循环荷载。 进行不同加荷周数的试验，以确定围压对水泥土桩复合土体的性状有何影响。 3 、霞换率的影响 在相同的循环应力比时，比较不同置换率下复合土体的应力应变关系，置 j 换率分别为5 2 、1 0 4 、1 5 6 ； 北京交通大学钡卜学位论文 循环荷载作用下水泥十桩土复合伴性状研究 第2 章循环荷载作用下口埘为2 0 的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t 具有天 然含水量高、孔隙比大、压缩性高、灵敏度高、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要进行地基 处理。水泥搅拌桩复合地基是加固深厚软粘土地基的一种常用方法。自7 0 年 代引入我国后，得到迅速广泛的应用，并取得良好的经济效益和社会效益，获 得了宝贵的经验。对机场跑道、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。 软土地区的水泥土试块实验室研究表明：淤泥质粘土掺入一定量的水泥搅 拌后，其抗压、抗拉、抗剪强度得到改善，复合地基承载力明显提高。水泥在 原状土中起到胶凝和骨架作用，加强了土颗粒之间的联结性，降低了孔隙率和 原状土含水量。水泥土的抗压强度要比原状土强度高数十倍。水泥土的抗拉强 度和抗剪强度比原状土也有较大提高。 水泥和土混合在一起，水泥水化后形成的各种水化物在士颗粒周围结晶出 来，图2 1 为一组淤泥质粘土及水泥土的扫描电镜照片。可以看出水泥的加入 己从根本上改变了土体的结构，水泥包裹着土颗粒并把它们粘结成一个整体。 7 天龄期的土颗粒周围充满了水泥的胶凝体，并能发现少量的水化物结晶；1 4 天龄期时结晶生长、延伸并填充土体的空隙；2 8 天龄期时，土体己完全被水 泥水化物及其与士体问的化合物所包围，形成密簇构造；两个月龄期的照片放 大了1 0 0 0 0 倍，可清楚地显示出构造中的一些细节，其中大块的是土体，空隙 t 京交通大学硕卜学位论文 循环持载作用下水泥土桩一土复台体性状研究2 0 0 5 年3 月 中长满了水化物及其与土体反应的结晶。特别是钙矾石针状结晶的很快生长， 并交织在一起，形成空间刚络结构。土体被包围在水泥构成的网络之中，形成 r 种特殊的水泥土结构，从而大大改善了上体的强度。 通过试验表明，水泥复合土的应力一应变关系接近于超同结土，即表现出 明显的非线性关系，图2 2 所示为两组典型掺入比、围压、不同置换率条件下， 水泥复合土三轴试验结果。 ( b ) 7 天水泥土 ( c ) 1 4 天水泥土( d ) 2 8 天水泥土( c ) 6 0 天水泥十 图2 1 士加固前后的电镜照片 北京交通大学硕i ：学位论文 循环荷载作用下水泥_ _ 卜桩一卜复合体性状研究 2 0 0 5 年3 门 0 00 4n 81 216z 0z 4z 83 2 e ( ) 面 ： p 旷 0 00 40 81 2 162 0 2 42 83 2 ( ) ( a )( b ) 图2 2 水泥复合土的麻力一应变关系 ( a ) 口。= 1 0 ，m = 1 5 6 ( b ) a w = 2 0 ，m = 5 2 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，但循环荷载作 厢下软粘土的试验研究国内外有不少人做过。早期的有s e e d 和c h a n ( 1 9 6 6 ) 【1 】以及t h i e r s 和s e e d 等人( 1 9 6 8 、1 9 6 9 ) 2 1 做的循环三轴和循环剪切试验， 分析了粘土的应力应变关系并建立了数学模型；s a n g r e y ( 1 9 6 8 ) 【3 】、f r a n c e