（岩土工程专业论文）交通荷载作用下粉煤灰的动强度及孔压特性试验研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 工程中的路基往往处于十分复杂的初始固结状态和循环加载条件，而位于路基中不 同位置的土体单元不仅处于三个主应力大小不等的三向受力状态，而且大主应力方向与 竖轴的夹角可能从o o 到9 0 0 之间变化，因而定义初始固结应力状态仅采用固结压力数值 本身和固结比还不够全面。另一方面，交通荷载作用下路基中的循环剪切应力路径比较 复杂，仅使用主应力方向发生9 0 。突变的循环三轴和循环扭剪试验尚不能准确描述该种 应力路径。 本文利用大连理工大学土木水利学院岩土工程研究所与日本诚研舍株式会社共同 研制开发的“土工静力一动力液压三轴扭转剪切仪”针对饱和粉煤灰进行了三种固结比 匠( 1 0 、1 5 、2 o ) 情况下的不排水动三轴试验和循环圆耦合剪切试验及四种初始主应 力方向角( 0 0 、3 0 。、4 5 。、9 0 。) 情况下的不排水循环圆耦合剪切试验，研究不同的复 杂初始固结条件和循环剪切应力路径对饱和粉煤灰动强度及孔压特性的影响。 本文探讨了固结比及初始大主应力方向角对饱和疏松粉煤灰动强度的影响，初步探 讨了不同的循环剪切试验方法、不同的破坏标准以及选用不同指标作为动强度参数等对 试验结果的影响。结果表明：固结比及初始大主应力方向角对饱和粉煤灰的动强度具有 明显的影响，选取不同的破坏标准和采用不同指标作为动强度并不改变试验结果的规 律，但是采用不同指标作为动强度对于固结比的敏感程度有较大差别。 本文通过对试验结果的回归分析建立了峰值孔压比与振次比之间的函数关系，并给 出了参数的拟合结果，一定程度上完善了孔压应力模式；建立了峰值孔压比与广义剪应 变之间的函数关系，一定程度上完善了孔压应变模式。结果表明：固结比除影响参数的 取值外并不影响孔压应力模式与应变模式的函数形式，而初始大主应力方向角与固结比 有相似的结论，9 0 0 除外。初始大主应力方向角等于9 0 0 是一种非常特殊的状态，其孔压 应力模式需另外一种完全不同的函数描述。而关于初始大主应力方向角为9 0 。时的特殊 性在动强度试验结果中得到了体现。 由于土体固有各向异性和诱发各向异性，使得土体在不同的固结状态下的各个应变 分量的发展特性不尽相同，并且广义剪应变的发展也有较大差别，本文对此也进行了一 定的讨论。 关键词：交通荷载；饱和疏松粉煤灰；动强度；孔隙水压力；初始主应力方向角；固结 比 交通荷载作用下粉煤灰的动强度及孔压特性试验研究 t h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho fd y n a r n i cs t r e n 舀ha n dp o r ew a t e rp r e s s u r e o ff 1 y a s hu n d e rt r a f f i cl o a d a b s t r a c t t h er o a df o u n d a d o ni 1 1p m j e c ti su s u a l l yi nc o m p l e xi i l i t i a lc o n s 0 1 i d a t i o nc o n d “i o na 1 1 d c y c l i cl o a d i n gc o n d m o n t h es o i lu 血ti 1 1d i f f c 种n tp o s i t i o no fr o a df 0 1 】1 1 d a t i o ni sn o to n l ya t m r e e 一e n s i o n a lp r e s s u r es t a t e ，w 1 1 i c h 也r e ep r i n c i p a ls t r e s s e sa r ev a r i a d o n a li nm a g 越恤d e ， m es l a n t i n ga n g l eb e t w e e nt h eb i g g e s t 两n c i p a ls 仃e s sa 1 1 dv e r t i c a la 五sm a yv a r y 丘o m0 。t o 9 0 。耽e r e f o r e ，也ed e f i n j t i o no fi n i t i a lc o 璐o l i d a t i o np r e s s u r es t a t e 出础di n c l u d em o r e p a r a m e t e r sr a t h e rt h a nj u s tc o n s 0 1 i d a t i o np r e s s u r ea n dc o n s 0 1 i d a t i o ns 缸e s sr a d o m o r e o v e r ，i t i sc o m p l e xt od e s 谢b et h ec y d i cs h e a rs 订e s sp a mo fm a df o u n d a 廿0 nu n d e rt r 施cl o a d i n g n i sn o ts u i t a b l eo n l yu s i n gc y c l i ct r i a ) 【i a lt e s 忸o rc y c l i ct o r s i o ns h e a rt e s t sf o r9 0 。c h a i l g eo f p r i n c i p a ls t r e s s e sa x e s _ t h es o i ls 诅t i ca n dd y l l a m i cu 】缸v e r s a lt r i a 妇a 1a n dt o r s i o m ls h e a ra p p a r a n l sw a sf a c i l i z e d b yd a l i a ni 坷v e r s 时o ft e c h n 0 1 0 9 ) ra n ds e i k e i lh c a 1 1 dm a d eb ys 出e n ，j a p 趾m a p p a r 咖sw a su s e dt op e 舳u n d r 捌c y c h ct r i a x i a lt e s t sa n d1 1 n d r a i n e dc y c l i cc y c l e c o u p l e s h e 盯t e s t s f o r n l r e er 撕oo f c o n s 0 1 i d a 廿o n p r c s s u r c 恐= 1 o 、1 5 、2 o 耵1 ec y c l i cc y c l e c o u p l es h e a rt e s t sw e r cp c r f o r m e df o ri n i t i a ls l 趾血ga n 舀e so fp r i n c i p a ls 屯r e s sa x e s = 旬。， 3 0 。，4 5 0 ，9 0 。b e h a v i o ro f d y n a m i cs 恤m g t ha n dp o r ew a t e rp r e s s u r eo f s 栅a t e dl o o s e 丑y s a s h 1 l n d e rm u l 廿一d i r e c 廿o m la n i s o 虹o p i cc o n s o l i d a t i o nc o n d 试o na n dd i 段砌n tc ”l i cs h e a rs t r e s s p a 也w a si f m s t i g a t e d 1 nt 1 1 i sa r t i c l e ，也e 如n u e n c eo fc o n s o l i d a t i o ns 仃e s sr a d oa n di i l i t i a l 砸n c i p a ls t r e s s d i r e c t i o na n g l et ot h ed y m i m i cs 台e n g 血o ft h es a 加m t e d1 0 0 s en y s a s hw a sd i s c u s s e d ，a l s o 也c i n f l u e n c eo fc y c l i cs h e a rs 缸e s sp a 也a n df 越1 1 1 r ec r i t e r i o na n dd y n a i n i cs 扛e n g md e f - m m o nt o 也er e s u l t s i b s u l t ss h o w e d 也a tt h ee 任b c to f 也ec o n s o l i d a d o ns t 陀s sr 撕oa n di n m a l 口r i l l c i p a l s 仃e s sd i r e c t i o na n g l et o 拙【ed y l l a r n i cs 订e n g l ho fs a t l l r a t e dn y s a s hw a sd i s 血c t t h e 订e n do f r e s u l t s 、a sa l m o s ts a m eu n d e rd i f 挹r e n tf 甜1 1 1 r ec r i t e r i o na n dd y n a m i cs 廿e n 蚰d e f 砬t i o n ， 计m ei tw a sd i f f e r e n tf o rd y l l a m i cs t r e n g t l lw i t l ld i 腩r e n td e f i 丑i t i o nu n d e rd i 圩c i t e n t c o n s o l i d a b o ns t r e s sr a t i o t h r o u 幽r e g r e s s i o na n a 】y s i so f 把s td a t a m er e l a t i o n sb e m e e nt h er a t i oo fp e a k n o r m a l i z e dp o r ew a t e rp r e s s u r ea n dr a t i oo fn u m b e ro fc y c l i cl o a d i l l go rg e n e r a l i z e ds h e a r s 把酊nw e r ee s t a b l i s h e d ，a n dm ep a r a m e t e r sw e r eo b t a i n e d t h er e s u l 乜s h o w e dm a tt h es t r e s s p a t t e m sa 1 1 dt h es 订a i np a t t e m so fp o r ew a t e rp r e s s u r ew e r en o te f k c t e db vt h ec o n s 0 1 i d a t i o n s t r e s sr a t i oe x c e p tt h ev a l u e so fp 缸a m e t e r i tw a st 1 1 es a m ef o rt h ei n i t i a jp r i n c i p a ls t r e s s 1 1 大连理工大学硕士学位论文 d i r e c t i o na n 2 l ea 1 1 dc o n s o i i d a t i o ns 订e s sr a t i ob u t9 0 0 nw a sas p e c i a ls “u a t i o nf o rt h ei n i t i a l p r i n c i p a ls t r e s sa n 刚e9 0 。，a n dr e 铲e s s i o ns 仃e s sp a t t e mo fp o r ew a t e rp r e s s u r ew a sd e s c r i b e d i na n o t h e rd j 妇e r e n tf n n c t j o n 翔t h e rt h a nt h es i i n j l a rh y p e r b o l i c 如c t i o na si tw a sp e r f o n n e d u n d e r 也ec o n d m no fo t h e ra 1 1 9 l e s t h i sp a r t i c u l a r i 哆o f9 0 0w a sc o 曲砷e dm m ed y n 锄i c s 打e n g mr e 砌t s f o r 也ei 芏1 ：h e r e n t 姬di 1 1 d u c e da i l i s o 怕p yo fs a 咖t i o nl o o s en y a s h ，t h es t r a i nc o i n p o n e n t s w e r ed i f f 矗e n t1 1 n d e rd i 船r e n tc o n s o l i d a t i o n ，a sw e ua st 1 1 ec h a n g e so fg e n e r a l i z e ds h e a rs 订a i n a 1 lo f 吐l i sw a sa l s od i s c u s s e d 王nm e 口a p e r k e yw o r d s ：t r a f 6 cl o a d i n 茹s a t 瑚t e dl o o s e 母a s h ；d y n a m i cs 仃e n g t h ；p o r ew a t e r p r e s s u r e ；t h ei n i t i a lp r i n c i p a ls t l e s sd i r e c 6 0 na n g l e ；c o n s o l i d a 娃o ns t r e s sr a t i 0 i n 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 工大学或者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：邋日期：三型 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的 复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：如亟 导师签名- 盆玺 一年上月盟日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题研究的目的及意义 粉煤灰是燃煤发电厂在煤燃烧后，用机械或静电回收装置回收后的一种工业废渣l j j 。 具有比重小、粘粒含量少、土粒分布集中比较均匀、静力强度较高但易于振动液化等特 点。 改革开放以来，我国电力工业发展很快，至2 0 0 3 年年底全国发电装机容量己达 3 9 1 4 0 7 8 万千瓦，其中火电为2 8 9 7 7 0 9 万千瓦，占总装机容量的7 4 。目前我国火力 发电使用的能源主要是煤炭，去年我国煤炭产量1 6 6 7 亿吨，发电用煤就占了煤炭总产 量的5 0 ，同时产生了2 亿吨灰渣【2 】。随着我国国民经济的快速增长，电力需求将有大 幅度的增长，为了缩小电力需求和供给之间的缺口，必然要新增发电机组，这就导致粉 煤灰的排放量也会巨增。如此多的粉煤灰如何处置并加以有效利用，是每个火力发电厂 乃至整个电力行业必须面对和解决的问题。利用它不仅可以节约大量能源和相关资源， 而且还可以有效降低环境污染，将废物变为资源，从而带来更多的经济效益、环境效益 和社会效益，不利用它，将成为阻止电力企业可持续发展的制约因素。因此电厂需把粉 煤灰作为一种资源。既创造一定的经济价值，又缓解了发电与排灰之间的矛盾，起到真 正服务于社会的作用。 目前，世界各国都很重视粉煤灰资源利用。西欧等一些发达国家粉煤灰资源化率相 当高，日本、荷兰利用率已达到1 0 0 。我国粉煤灰利用率近几年也有较大幅度提高， 2 0 0 0 年的利用率已达到5 8 。但利用情况很不均衡，有的地区到1 9 9 5 年才结束向江河 直接排放的历史，有的省地至今利用率尚不到1 0 。总体说来，我国粉煤灰综合利用率 还较低，资源化率则更低。这一状况己引起相关部门和电力企业界的高度重视，加强粉 煤灰综合利用的要求已呼之欲出【3 】。 粉煤灰能在公路路基中推广运用就是其中一种行之有效的办法。粉煤灰路堤根据施 工方法分为纯粉煤灰路堤和灰土间隔路堤。纯粉煤灰路堤因其用灰量大，板结后密实度 高，自重轻路基沉降小，施工中受雨季影响小等特点，在实际施工中比较容易推广【4 j 目 前国内济青、莘松等高等级公路均得到了很好的应用。 以往研究交通荷载作用下路基的动力特性是为了弄清楚路基的液化及沉降杌理，但 是大部分研究注重循环特性，试验也是以三轴，单剪和扭剪为主。在这些循环变形模式 中，当施加的剪应力方向改变时，动主应力方向发生9 0 。交替突变。而在交通荷载作用 下，路面或地铁下面的路基土单元的受力状态也是交替变化的，并成圆形。重复的汽车 或火车车轮作用，产生一系列循环荷载，传递到下覆土层中。当车轮处于距所研究土单 交通荷载作用下粉煤灰的动强度及孔压特陛试验研究 元一段距离时，最大应力分量是水平剪应力。丽在某一时刻，当车轮正好位于土单元之 上时，水平剪应力消失，而应力差分量处于主导地位；当车轮荷载离开时，土单元又处 于受剪状态，最终处于无应力状态。因此，在车轮荷载通过时，土体单元出现由单剪引 起的剪应力分量转为三轴模式又转为单剪模式，由车轮荷载所引起的剪应力的循环交替 也是伴随着主应力方向的旋转而发生的。由交通荷载引起的循环应力随主应力方向的改 变，其循环应力大小也在改变，而其放大倍数在某一方向是保持不变的h 】。依据此种推 断，则交通荷载作用下路基中的应力路径如图1 1 所示，显然三轴，单剪和扭剪变形模 式与此差异很大。应寻找一种更接近于实际情况的试验剪切方法，目前所能实现的只有 如图1 2 所示的动主应力轴连续旋转圆形应力路径与之最为相近。 曲 (、 l o o o 次后，粉煤灰的动强度指标逐渐趋稳定；2 ) 动载条件下， 持续应力水平的降低会减小粉煤灰的动强度；3 ) 在动载条件下，粉煤灰的动强度具有 较好的水稳性。 郑萍，郭佩玖【2 6 j 通过动三轴试验，归纳总结了多种粉煤灰抗液化强度曲线以及孔压 发展变化规律曲线： 盯。2n ? ；卅c r o2c ( f ) 4 ；砒f2p ( f ) 8 ( 1 4 ) 通过对实验数据的整理，认为f i n i l 等人提出的非均等固结试验中循环加荷引起的 孔压发展方程式：吧2 + 形s i n 。i _ ( m 。尸。一1 j 是试用的。其分析认为：干密度， 固结比对液化特性有影响，面围压对液化特性影响较小。 郭佩玖，胡成【2 7 】在另一篇文献中说明了如何用图解法求得破坏面的法向应力和初始 剪应力以及在最大偏应力情况下的液化周期应力，并拟和成晓和确双线性表达式： f d = + 6 口允+ c 口+ d 口缸口 ( 1 。5 ) 其中，萨研吼，为初始剪应力，田c 为初始法向应力，勺为破坏面动剪应力，其 余的为试验常数。按照s e e d 的意见，在地震作用下，土层内破坏面为水平方向，因而 在粉煤灰坝体计算中，只要计算出坝体内各水平面上的初始应力状态，求得各点对应的 氏、d 即可得到坝体各部分的抗液化强度。 周克骥，华静如 2 8 j 等在对沙岭子电厂粉煤灰动力实验的结果进行研究认为：凰= l 时，孔隙水压力发展主要是与轴向动应力和密度等因素有关，孔隙水压力比“国与轴向 动应变在半对数坐标上呈抛物线关系；五= 2 对，孔隙水压力比国与残余动应变自的 关系则不同。此关系主要受密度的影响。 汪闻韶等1 2 训通过试验发现相对密度对某些粉煤灰动强度的影响不如饱和砂土明显， 有时增加相对密度对增加粉煤灰的动强度贡献不大。在相同的固结应力比和相对密度条 6 大连理丁大学硕士学位论文 件下，围压愈高、抗液化自力愈强；对同一固结应力比和同一围压下的试样，随着相对 密度的增大，抗液化能力也增高；但是对同一围压的试样，当相对密度低于6 5 左右时， 抗液化能力随固结应力比的增大而降低。 1 2 2 不同实验条件下子l 隙水压力模型的建立 波浪的作用使海床产生超孔隙水压力，超孔隙水压力的累积有可能导致沙质海床的 液化或粘性土强度与刚度的降低何不和恢复变形的发展，直接影响了海洋建筑物及地基 的稳定性。因此，建立波浪等复杂循环荷载作用下超孔隙水压力升长模式是非常必要的。 迄今为止，国内外学者已经提出了考虑不同因素的多种振动孔隙水压力计算模型，如应 力模型、应变模型、内时模型、能量模型、有效应力路径模型和瞬时模型等。 应力模型主要有：s e e d 等根据饱和砂土试样在均等固结不排水条件下的动三轴试验 资料提出的一种计算平均振动孔隙水压力的应力模型： 旦：土+ ! a r c s i n 【舀i 一1 盯： 2 万 “l 。 f 1 6 、 式中劝试验常数，取决于土类和试验条件。一般情况下取为o 7 。但是这一公式仅 适用于等压固结j 严1 0 的振前应力条件。 在非均等固结时，有时无法确定出土体初始液化时的循环振次m ，因此，常用平均 振动孔隙水压力达到侧向固结压力一半时的循环振次5 0 来代替m 。为此，f i n n 将s e e d 的公式推广到了非均等固结的情况： 麦寺扣啦c 告虬 n 叫。2 石 一虬o r 17 、 口= 口l 十口2 足。( 1 8 ) 其中，、砸为与土性有关的试验常数。 徐志英对于s e e d 和f i m 的结论进行了简化，但是在排水条件下这些模型均不能反 映土的反向剪缩特性【3 0 】。 张建民【3 l 】更进一步将饱和沙土在往返荷载作用下平均振动孔隙水压力的增长规律 分为a 、b 、c 三种类型如下： a 型 ( 1 9 ) 交通荷载作用下粉煤灰的动强度及孔压特性试验研究 b 型 c 型： 蜥的确定如下 “= 一“。s m 万 “+ 2c 扣c o s 石 嘶2 m 1 。肌5 盯j 其中，瑚为动荷作用强度系数，m s 为应力应变条件系数。 魏汝龙嘲建议的公式： 式中，葡和勺为初始剪应力和屈服剪应力，日，6 ，c ，d ， 为试验常数。 石桥根据往返三轴试验结果，给出计算孔压的增量公式： ( 1 1o ) ( 1 1 2 ) ( 1 1 3 ) 嘏嘞_ 1 ) 务( 焘 4 嘞 式中卟崩、n 为三个试验参数， 另外，石桥又根据扭剪试验结果， 它们与固结应力比凰有关。 得出类似的计算孔压的增量公式 书- ) ( 悬悟丁 ，；， 式中c l ，c 2 ，c 3 及c c 由试验确定。 刘颖 3 3 1 建议的公式与( 1 1 1 ) 类似，取l 巴一c sj岛，得到下式 f 刍盟1 _ 且 王志良提出如下公式 鹕舡) 务( 刹 旧 击 r 一也 1 i i r “】 一0 ，义 埘一 一 一 = c 旦“ 大连理工大学硕士学位论文 等2 啊l 专卜l 苦j 等 。、 式中 0 扣：) 和 z 机仃：) 为未知函数，可毗由试验求得。 应变模型最著名的是m a n i n _ f i i m s e e d 根据排水和不排水往返剪切试验结果，认为 不排水条件下的平均振动孔隙水压力等于排水时永久体积边形与回弹模量的乘积，即： “= 丘r s v d f 1 1 8 、 e ：垦 7 垅( 盯：) ” f 1 1 9 、 = c l ( ，一c 2 ) + 亡导 ，+ l 4 钿 f 1 2 但是该方法并不真正反映孔隙水压力的发展机理，原则上只适用于静力上处于压缩 状态，并在动力上处于剪切或纯剪切状态的土体【3 0 1 。 沈瑞福掣1 1 ，3 习通过对部分主应力轴连续旋转剪切试验和常规扭剪试验的回归分析， 建立了孔隙水压力和广义剪应变之间的关系，但并未考虑初始主应力方向的影响。另外， 李万明掣3 棚针对粉土初步研究了初始主应力方向角对空压的影响，但因空心试样的内外 侧压相同，使得初始主应力方向变化与中主应力系数有关。 沈瑞福，王洪瑾等3 5 j q 使用双向振动的动力扭剪仪实现动主应力方向连续旋转，着 重研究这种加载方式下土样中孔隙水压力发展规律。通过对系统试验资料的回归性分 析，将孔隙水压力表示为振动次数的函数或者是广义剪应变的函数。最后通过算例说明 利用孔隙水压力公式判断海床土体在波浪荷载下发生破坏的可能性，并用常规动扭剪实 验资料做对比，说明不考虑动主应力旋转可能带来的差别。 别社安、赵子丹、刘同利、王永涛等口刀在波浪水槽中进行了波浪作用下的孔隙水 压力量测试验，并给出和分析了部分试验数据。试验中的波浪采用了规则波和不规则波。 认为：1 ) 波浪作用下沙床下中的孔隙水压力存在幅值衰减和相位滞后现象；2 ) 波浪的 特征参数( 如水深、周期等) 和沙床土的特征参数( 如渗透系数) 对孔隙水压力的相应 有显著的影响：3 ) 在波浪作用下，土与水的混和介质具有非线性特征。 别社安、赵子丹【38 j 还以动弹性固结理论和线性渗流理论为基础，建立了求解随机波 浪作用下饱和沙质海床中孔隙水压力响应的有限元方程，并用w i l s o n - e 法进行了动力响 应求解。计算孔隙水压力与模型实验的量测值吻合较好。通过计算讨论分析了沙质海床 交通荷载作用下粉煤灰的动强度及孔压特性试验研究 中的孔隙水压力响应。通过计算解释了其关于海床的孔隙水压力对于规则波和不规则波 的响应是相似的试验结果1 3 7 j 。 周海林、王星华【3 9 】利用动三轴实验，对砂土液化中的孔隙水压力发展进行了研究， 根据孔隙水压力发展过程中的不同现象，将该过程划分为4 个阶段，并将孔隙水压力与应 变、应力路径相联系，总结了各种因素对砂土液化中孔隙水压力发展的影响。用剪胀、 剪缩、卸荷体缩理论来解释砂土液化过程中出现的各种现象，分析认为，砂土应力状态 与孔隙水压力发展之间的关系密切，剪胀与卸荷体缩是影响孔隙水压力发展的主要因 素。 大连理工大学的郭莹、栾茂田等【帅l 针对福建标准砂肛3 0 ，在三向非均等固结条 件下，利用研制的土工静力一动力液压三轴。扭转多功能剪切仪针对多种不同初始主应 力变化方式进行了循环扭剪试验，讨论了初始主应力方向变化等初始固结条件对饱和松 砂不排水条件下孔隙水压力变化规律的影响，对循环扭剪过程中主应力方向与中主应力 系数的变化进行了分析，给出了孔隙水压力随循环次数的变化规律。结果表明： 分别以最大孔隙水压力和液化破坏时循环次数归一化后的孔隙水压力比和循环次 数比之间的关系依赖于循环剪应力幅值和初始主应力方向： 归一化后的孔隙水压力比与广义剪应变之间的关系和循环剪应力幅值、初始主应力 方向无关，可以统一地采用双曲线模式表达，其中的两个待定参数依赖于初始主应力方 向； 非均等固结条件下的循环扭剪试验能够实现大主应力方向在一定范围内变化或维 持在4 5 。方向上不变、且在循环剪切中始终保持中主应力系数为o 5 不变的各种单向循 环剪切应力条件； 在各种初始固结条件下，动剪应力幅值对饱和砂土的循环孔隙水压力发展规律具有 显著的影响，初始固结条件不同，孔隙水压力增长模式差异较大。 s e e d 等【4 1 1 和i s l l i h a r a 4 2 删等分别研究了多向振动情况下砂土孔隙水压力和液化特 性，i s h i h a r a 等m 】还进行了多向不规则振动试验。s p i e 廿u s z c z 5 预测了在不排水条件 下饱和密沙的超孔隙水压力的消散与局限性变形，并且与试验的数据进行了比较。 h w i z h a n g ，l s 姐a v i a ，及b a s c h r e n e r 【4 6 】用应力局部变形分析与多相材料模型的方 法模拟了部分饱和与完全饱和砂剪切带的发展过程，应用改进的广义塑性本构关系，基 于一般的平均理论框架，在刚度上考虑了吸力作用，得到了对于完全饱和不排水条件下 膨胀地质材料的局部应变现象非常重要的负的孔隙水压力。 冯秀丽、叶银灿等【47 j 选用近海分布较广的粉土为研究对象，利用室内动三轴试验结 果，找出动荷载作用下粉土的动应力应变关系，分析模拟波浪荷载作用下粉土中的孔压 大连理工大学硕士学位论文 响应、临界循环次数，确定波浪作用下粉土的应力状态、破坏临界循环次数，判断不同 深度处的粉土发生液化的可能性及发生液化所需要的时间；研究了粉土在动荷载作用下 的强度降低。 另外，国内还有部分学者对冲击荷载作用下砂土的孔隙水压力模型进行了研究，孟 祥跃、张均锋等 4 8 j 利用自制的仪器实测了饱和砂柱自由落体撞击地面后前期快过程和后 期慢过程的孔隙水压力的变化。在此基础上，给出了前期快过程中冲击压力波形的传播及 其与落高、测点位置等的关系，并探讨了后期超孔隙水压力与落高、砂样、测点位置以 及饱和砂土的液化、密实之间的关系。 大连理工大学的栾茂田、钱令希【4 9 】针对层状饱和砂土，求解了由t e r z a g m 固结理论 与不排水条件下孔隙水压力增长模式相耦合的含有源项的扩散方程，得到了一个较为一 般的孔隙水压力场封闭型解答。辅以一定的数值计算可以具体的预测层状饱和沙土振动 中孔隙水压力扩散与消散过程及液化势。 孙锐等1 5 0 】通过动三轴液化试验，提出了一个新的适用于非均等固结下饱和砂土孔压 的增量型简化计算公式。认为，描述非均等固结对饱和砂土液化影响较为合适的方式是 以凰一1 的幂函数模式，建立了非均等固结下孔压变化的相对增量硎u o 与固结比的增量 凰1 之间的关系，即u u 。2c l 一( 世c 1 ) l 1 。系数c l _ b 是一个远小于1 的数，表明孔压 增量在匠接近1 时降低速度较快，在凰继续增大时降低速度变慢并趋于平缓最后。试 验与计算的对比表明，新公式不仅能描述等幅正弦荷载作用时不同固结比下饱和砂土的 孔压增长，而且也能较好地描述随机地震荷载作用时非均等固结下饱和砂土的孔压增长 过程。 何杨【5 l j 以残余孔压为研究对象，通过对试验结果的回归分析建立了残余孔压比与振 次比之间的双曲线关系，并给出了参数的拟合结果，完善了孔压应力模式。建立了残余 孔压比与广义剪应变之间的双曲线型函数关系，这种函数中的两个参数依赖于初始主应 力方向角，完善了孔压应变模式。 曹亚林口2 】等用往复动荷作用下滞回圈所包围的面积来代表振动循环一周土中损耗 的能量值。当引入一个无量纲能量昧之后，所得到的叫矿j 一n 曲线有显著的回归关系。 可以表示为： 兰：肼，r 盯0 ( 1 - 2 1 ) 交通荷载作用下粉煤灰的动强度及孔压特性试验研究 徐杨青等f 5 3 】运用内时塑性理论，建立了预测均匀和不均匀波浪循环荷载下不排水时 孔隙水压力的模型，该模型不仅可以较好地拟合试验数据，还能在一定程度上说明循环 荷载作用下孔压上升的机理，可较为方便地用于波浪循环荷载作用下的液化势分析中。 徐干成、谢定义、郑颖人【5 4 】基于f i m 等提出的内时孔隙水压力模型，通过应变控 制式扭转仪，研究了饱和沙土的孔隙水压力，以有效应变路径的长度参数作为内时变量 提出了一种扭转荷载作用下饱和沙土的孔隙水压力模型。结果表明这种新的内时变量对 于循环直剪，循环三轴和应力控制式试验有很好的适用性。 1 3 论文研究内容 综上所述，粉煤灰复杂初始固结状态下处于动主应力轴连续旋转的复杂加载时的动 强度及孔隙水压力的反映是值得探索的。本试验采用大连理工大学与日本诚研社株式会 社合作研制的“土工静、动力液压三轴一扭转多功能剪切仪”模拟了如图1 2 所示圆形 的应力路径来近似模拟交通荷载。在此中循环变形模式中，实现了动主应力方向的连续 旋转，与初始大主应力方向角的多种情况，比三轴，单剪和扭剪试验能更好的模拟交通 荷载作用下路基中的实际情况。主要研究内容如下： ( 1 ) 针对饱和疏松粉煤灰不同的初始固结状态下，不同的试验手段所得的动强度 进行了比较。试验手段包括普通动三轴和耦合试验，初始固结状态主要考虑了固结比 凰和初始大主应力方向角嘞。 ( 2 ) 探讨了不同的破坏标准和动强度指标对试验结果整理的影响。 ( 3 ) 建立了不同初始固结状态下粉煤灰在耦合试验中的孔隙水压力应力模式表达 式和应变模式表达式。初始固结状态同样主要考虑了圆结比凰和初始大主应力方向角 锄o ( 4 ) 探讨了不同的初始固结状态对于耦合试验中粉煤灰试样广义剪应变的变化规 律的影响，为在复杂应力条件下研究粉煤灰土体的变形特性提供了试验基础。 大连理工大学硕士学位论文 2 试验仪器和试验内容 2 1 试验仪器 2 1 1 概述 本论文中试验所用设备是由我校与日本诚研舍共同研制的“土工静力一动力液压三 轴扭转多功能剪切仪”【5 5 5 6 1 。本章中关于仪器性能，参数及计算方法部分均来自于文献 5 5 1 。整个试验体系由液压加荷系统、主机系统、气水转换系统( 含空压机与真空泵) 、模 拟控制系统及计算机数字元控制系统( 含i ，o 箱和扩展箱) 、计算机数字记录系统等五部 分组成。配备的传感器共有1 1 个，分别用于测量竖向荷载、扭矩、竖向大幅值位移、 竖向微幅位移、转角位移、微幅转角位移、内侧压力、外侧压力、孔隙水压力、试样体 变、空心圆柱试样内腔体变、k o 固结时试样外部体变等1 2 个参数。其中在空心圆柱试 样的双向耦合剪切试验中采用了双出力传感器，可同时测得竖向荷载与扭矩，并与竖向 微幅位移传感器、两种角位移传感器一起置于三轴压力室之内。 其中气水系统是用于向试样体提供无气水、真空、侧压和反压的系统。液压系统是 提供油压力驱动竖向荷载和扭矩的装置，荷载就是通过油压系统施加给试样体。可以通 过模拟控制系统来控制液压伺服阀，向试样体施加竖向荷载或扭矩，再由与试样体相连 的传感器得到反馈信息，从而实现对试样体的应力控制或应变控制的试验。设备的主要 指标如下： 最大竖向荷载：2 0 k n ； 最大扭矩：5 0 n m ； 最大反压、孔压及内外侧压：1 0 0 0 好a ； 最大内外侧压差：2 0 0 k p a ： 最大竖向位移：土5 0 n 1 i n ； 最大竖向小位移：土1