（岩土工程专业论文）非饱和土动应力变形特性试验研究.pdf

北方交避大学坝l ：学位沦文 攮要 摘要 阳 饱和土在地球上分布很广，多年来，各国学者和工程技 术人员对：匕工设施的抗震性携邀行了大量鲍硬究工佟，对提高 土工设施的抗震熊力作出了很大贡献。值与诧间时，这些研究 工作主耍采用酌参数都是饱和土的抗震性能指标，丽与工程实践 密切联系的地表土几乎都是非魄和。因此，其力学特性熬研 究寄缀大的工程实际意义。卢i 本文对菲饱和土进行了的动三轴试验研究，实验仪器为耳 前比较先进的m t s 8 5 8 ，2 t e s t s t a r i i 双向滚压镧殿工动三 轴仪，该仪器藏压系统包括径囱秘轴商，两个方商都可潋施加 动荷载，并胃戳选择采翔应力或应交两种控制模式。基于目前 循环荷载下非饱和土的研究现状，本文主要进行了 e 饱和在 循环穗载l 乍用下的试验研究，讨论了圉压、键藕波、循环应力 ( 应变) 幅蘸浚及刍羁载蠲数对菲饱和土动变形的影响。同时， 通过试验绘制的动应力一成交关系曲线，选择迓用于j 饱积 的动本槐模型势确定模型参数，研究参数与键秘度以及其他影 峨因素的关系。 关键词：非饱和土；动三轴；动应力应变特性；动模餐 阻尼比；残余变形 北方交通人学坝i 学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t u n s a t u r a t e ds o i li sd i s t r i b u t e dw i d e l yi nt h ee a r t h f o rm a n y y e a r s ，s c h o l a r sa n de n g i n e e r sa l lo v e rt h ew o r l dh a v ed o n em u c h a b o u ta n t i s e i s m i cq u a l i t i e so fc o n s t r u c t i o n sa n dm a d eg r e a t c o n t r i b u t i o n si ni m p r o v i n gt h ec a p a b i l i t i e so fr e s i s t a n c et o e a r t h q u a k e h o w e v e r ，m o s to ft h ep a r a m e t e r su s e di nt h e s e r e s e a r c ha r eo b t a i n e df r o ms a t u r a t e ds o i l ，s ot h er e s e a r c ho f m e c h a n i c sc h a r a c t e r i s t i c so fu n s a t u r a t e ds o i li sv e r yi m p o r t a n t t h et h e s i ss t u d i e dp r o p e r t i e so fu n s a t u r a t e ds o i lb yc y c l i c t r i a x i a lt e s t s t h ei n s t r u m e n t m t s 8 5 8 2 t e s t s t a ri i u s e di n t h et e s ti sa d v a n c e di nt h ew o r l dw h i c hh a st w os y s t e m st oe x e r t p r e s s u r e ：a x i a lp r e s s u r ea n dr a d i a lp r e s s u r e a tt h es a m et i m e ，w e c a ns e l e c tc o n t r o lm o d e - - l o a d i n gc o n t r o lo rd e f o r m a t i o nc o n t r o l a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t c o n s i d e r i n gt h es i t u a t i o no fr e s e a r c hi nc y c l i cp r o p e r t i e so f u n s a t u r a t e d s o i l ，t h e a r t i c l e c h i e f l ys t u d i e dt h ec h a r a c t e r so f d y n a m i cs t r e s sa n dd e f o r m a t i o no fu n s a t u r a t e ds o i la n dd i s c u s s e d t h ef a c t o r s ，s u c ha s c o n f i n i n gs t r e s s ，s a t u r a t i o nd e g r e ea n d a m p l i t u d eo fc y c l i cl o a d i n g ，w h i c hi n f l u e n c et h en a t u r eo fi t t h e n i ts e l e c t e dt h ep r o p e rd y n a m i cs t r e s s - s t r a i nm o d e lt os i m u l a t et h e m e c h a n i c sp r o p e r t i e so fu n s a t u r a t e ds o i l ，d e f i n et h ep a r a m e t e r si n t h em o d e la n ds t u d yt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ni n f l u e n t i a lf a c t o r s a n dp a r a m e t e r s k e yw o r d s ：u n s a t u r a t e ds o i l ；c y c l i ct r i a x i a lt e s t ；d y n a m i cs t r e s s e sa n d d e f o r m a t i o n ：d y n a m i cm o d u l u s ；d a m p i n gr a t i o ；r e s i d u a ls t r a i n 2 j ! 塑窒望叁堂堡! ：兰丝堡皇 堡二里! 堕坠 第一章绪论 1 1研究的背景及意义 随着社会和经济的迅速发展，人口愈来愈集中在城市。世 界上多次破坏性地震都集中于城市。世界范围内地震活动频繁， 极大地推动了人们对土体地震失稳破坏的认识。我国地处环太 平洋地震带和喜玛拉雅一地中海地震带之间，是一个多地震的 国家，本世纪以来发生多次强烈地震，城市抗震防灾问题日显 突出，而如何针对地震荷载安全经济地进行设计、施工是抗震 防灾的首要问题。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。 多年来，各国学者和工程技术人员对土工设施的抗震性能 进行了大量的研究工作，对提高土工设旌的抗震能力作出了很 大贡献。但与此同时，这些研究工作主要采用的参数都是饱和 土的抗震性能指标，而很多建筑物和构筑物的地基是由非饱和 士构成的，很多土工构筑物也是位于非饱和土中或由非饱和土 构筑的。 非饱和土在地球上分布很广，与工程实践密切联系的地表 土几乎都是非饱和土。干旱与半干旱地区，由于蒸发量大于降 水量，地下水位较深，这些地区的表层土是严格意义上的非饱 和土；土坝、铁路和公路路基填土，机场跑道的压实填土都是 处于非饱和状态，亦即非饱和土；即使港口平台、管道等离岸 工程中所遇到的土也是含气泡的非饱和土。可见非饱和土才是 工程实践中经常遇到的土，饱和土是非饱和土的特例，真正意 义上的饱和土在工程实践中很少遇到。作为经济建设主战场的 第l 页 ! ! 塑窒望叁兰堡主兰竺堡兰 一羔三兰l ! i 堡 我国许多大中城市的高速发展的市政工程建设中有许多工程都 在地下水位以上或者降水后的非饱和土层介质环境中进行，这 使非饱和土层成为工程建设的主要介质环境，这种情况在华北 地区尤其在北京更为明显。此外，我国北方地区还有很多非饱 和土边坡、用于非饱和土上的挡土墙、路堤、河岸堤、土坝等 等。非饱和土是具有负孔隙水压力的土，即具有基质吸力的土， 基质吸力的存在是造成非饱和土和饱和土工程性质明显差异的 根本原因，基质吸力在控制非饱和土的力学性状方面起着十分 重要的作用，它显著地影响土的强度和变形特性。 非饱和土是一种多相体系，其工程性质及对动力荷载的反 应与饱和土有一定差别，因此在以非饱和土为介质环境的工程 在设计理论和设计原则上不能完全引用饱和土的理论，而应采 用相应的非饱和土的动力性能指标，但过去很少能这样做，这 有多种原因，其中之一是非饱和土的性质比饱和土要复杂得多， 对其动力性质的研究更困难；另一原因是通常是非饱和土比相 应的饱和土具有更高的强度和更好的稳定性，用饱和土的动力 指标进行抗震分析和设计应该是偏于安全的。但这并不能直接 作为实际上的设计依据，因为非饱和土在强度和稳定性方面的 “富余”程度是未知的；特别是饱和度( 含水率) 与非饱和土 力学性质的关系，对由于周围环境的影响而饱和度经常变化的 土工基础的稳定性和变形分析，具有更重要的意义。 1 2 文献综述 膨胀土、残积土、湿陷性黄土和压实土都属于非饱和土范 畴，另外由于城市建设工程中的施工降水和过量开采地下水也 认为形成非饱和土。由于非饱和土与工程密切相关，其研究意 义早被意识到，它的研究历史与饱和土一样悠久。非饱和土力 学的研究大致可以分为三个阶段：2 0 世纪6 0 年代以前，非饱和 土力学研究的主要特点是以毛细作用为主要研究内容，但是由 于忽略了对非饱和土其他方面的研究，因此，研究进展缓慢， 第2 页 ! ! 塑奎塑查兰塑! ：堂笪堡兰翌二翌! 堕 所取得的成果也有限。2 0 世纪6 0 年代至8 0 年代末，这一研究 阶段的特点是将饱和土力学的有关理论借用到非饱和土力学研 究中，以b i s h o p 和f r e d l u n d 【2 3 1 为代表。此阶段对非饱和土的 强度问题取得了一些公认的成果，对变形问题还处于探索阶段。 2 0 世纪8 0 年代术以来，对非饱和土的变形进行了较为有效的研 究。a i o r l s o ( 1 9 9 4 1 和t o l l ( 1 9 9 0 ) t ”分别提出了土的弹塑性本构模 型，a l o n s o ( 19 9 2 ) 根据非饱和土和膨胀土的变形特性提出了描述 膨胀土体积和剪切变形的本构模型；陈正汉( 1 9 9 8 ) 和杨代泉 ( 1 9 9 2 ) 提出了非饱和土的非线性弹性模型6 l “【9 1 。另外，k o h g o 1 0 1 等( 1 9 9 3 ) 、w h e e l e r ( 1 9 9 5 ，1 9 9 6 ) i i “1 和f r e l u n d ( 1 9 7 9 ) 分研究了 非饱和土的一维固结理论；陈正汉( 1 9 8 9 ，1 9 9 2 ) 【叫引用混合 物理论研究了非饱和土的固结理论；杨代泉( 1 9 9 2 ) 用非饱和 土的非线性弹性理论研究了非饱和土的固结变形：殷宗泽 ( 1 9 9 8 ) 将三维固结理论简化为二维，研究了非饱和土的二维 固结理论。随着对非饱和土研究的深入，己逐渐认识到建立非 饱和土力学理论不能光靠借用饱和土力学理论，必须用新的理 论从新的角度对非饱和土进行研究。徐永福( 1 9 9 7 ，1 9 9 9 ) 用 分形几何理论研究非饱和土的强度问题，建立了非饱和土强度 理论和地基承载力理论 1 3 1 - 1 5 。今天，虽然还有许多理论和和实 践问题有待进一步解决，但是非饱和土力学作为传统土力学的 延伸和补充已经初具雏形，可以说非饱和土的理论体系正在逐 步形成。目前，非饱和土力学的研究正朝着三个方面继续取得 迅速进展；一是建立更能准确反映实际性状的非饱和土力学理 论；二是发展更适用于测试非饱和土力学参数的仪器设备和试 验方法；三是在工程实践中运用非饱和土力学基本原理解决遇 到的问题，提高工程的设计与施工水平，并验证非饱和土力学 理论的正确性和使用性。 1 2 1 非饱和土的应力理论和强度理论 从力学角度来说，非饱和土区别于饱和土的最重要的特征 第3 页 北方交通人学坝l 学位论艾 第一章 绪论 就是土中存在负的孔隙水压力。描述非饱和土的力学性状一般 采用两个状念变量：( 盯一“。) 和( “。一“。) 。其中( “。一“，) 被 称为基质吸力。它反映以土的结构、土颗粒成分及孔隙大小和 分布形态为特征的土的基质对土中水分的吸持作用，研究表明 基质吸力是决定非饱和土力学性状的重要控制因素。 1 2 2 非饱和土的应力应变关系 非饱和土是多相复合介质。其本构关系应包含多方面的内 容。目前研究非饱和土应力应变关系主要是研究它的弹塑性应 力应变关系，并且研究观点众多，大致可分为三个流派，一是 借助有效应力概念，把临界状态模型用于非饱和土：二是使用 临界状态的概念，在剑桥模型的基本方程中考虑基质吸力的影 响，三是以塑性理论为基础，把饱和土视为饱和土在吸力等于 零的特例。但是由于研究对象的复杂性，对与非饱和土的本构 关系进展不大，尤其对于动本构而言，研究成果和深度还远远 不够，特别是还不能全面系统的了解非饱和土在地震荷载作用 下的变形特性及其对实际工程的影响程度。 1 2 3 国内外的研究进展 e r t e n 和m a h e r 基于对含细粒的渥太华砂的常规动力三轴实 验结果，验证了由n a m a t - n a s s e r 和s h o k o o h 根据能量概念所提 出的超孔压增长的理论模型。这种用循环振次，归一化剪应力 幅及初始和最小孔隙比预测超孔压的能量模型能够拟合松砂， 中密砂和中密粉土的有关实验结果，并探讨了细粒含量对孔压 增长的影响。 王建华、要明伦【l6 】针对软粘土变形的特性，根据非等向硬 化模量场理论建立了一个总应力形式的增量弹塑性模型，并研 究了利用动三轴实验结果确定模量参数的方法。很好的描述了 软粘土的不排水累积应变和弱化特性，与p r e v o s 1 总应力模型 第4 页 北疗交通人学坝i 学位论殳 第一章绪论 相比具有较简便的硬化规则，且跟踪循环应力路径所需的记忆 参数较少，便于计算应用。 h i c h e r 和k o r d j a n i 运用h u j e u x 所提出的随机硬化多机构本 构理论来模拟砂在较宽应变范围内的静一动力特性。在弹性范 围内体应变和偏差应变采用非线性的等向增量形式来表达，其 中体积模量和剪切模量依赖于平均有效应力；在塑性范围内采 用单一硬化的多机构模型，分别建立单调和循环荷载作用下的 加载屈服面方程及其演化规律。这种应力应变关系可以用由常 规三轴试验所得到的一套参数反映从微幅到大应变整个范围的 静动力特性。 y o n g 和s h a c k e l 在建立了弹性横观各向异性应力应变关系 的基本方程的基础上，采用了真三轴仪近似地确定了四个横观 各向异性本构参数，并利用模糊逻辑加权因子来估计由此对试 验的士样所得到的主应变的差异。 b y r n e 和m e i n t y r e 提出了增量型有效应力应变本构模型。 在m a r t i n f i n n s e e d 【2 2 】模式的基础上基于常体积摩擦角建立了 体应变和剪应变耦合关系的改进形式；而剪切应力应变关系仍 然采用d u n c a n 。c h a n g 双曲线模型1 2 3 j 作为骨架曲线，改进其相应 的卸载和再加载轨迹。 a n a n d a r a j a h 利用他自己基于边界面塑性理论所提出的弹塑 性本构模型对土层的液化特性和土- 结相互作用系统进行了有 效应力有限元数值分析，并与离心模型试验结果进行了比较。 j p b a r d e t 提出了s e a l e dm e m o r y 模型1 1 8 】，它描述了土在一 维循环荷载下的应力- 应变关系滞回曲线，把非线形塑性模量转 化为一个线性分布，然后用这种简化了得分布求循环荷载下的 塑性模量。 c h i n gs c h a n g 1 9 1 把粗粒土作为一个颗粒的集合体在微观力 学的基础上提出了一个连续性模型。这种连续性模型考虑了土 颗粒在大变形下的滑移和分离机制，认为在大变形下阻碍颗粒 滑移的因素之一是不一致的应变场。模型引入一个分配法则描 述了不一致应变场。运用颗粒间相互作用的性质，导出宏观应 第5 页 些查窒翌叁兰塑! ：茎垡堡兰 一羔三i 王! ! 坠 力应变特性，如：模量和强度，明确解释了材料本身各向异性 等微观结构对它们的影响。讨论了颗粒间相互作用和应力引起 的各向异性，应力路径，塑性流动，剪胀，阻尼比，主应力轴 偏转等的关系。 徐献芝【2 0 i 等在k e l v i n v o g i t 模型的基础上建立了考虑土体 孔隙比的非线性本构关系，考虑了土体本构关系中土体结构的 变化。 关于非饱和土的动力特性，过去主要对用于填筑路堤等构 筑物的土在长期循环荷载下的强度以及回弹和永久变形模量等 进行了较多的研究。 e d r i s t 2 1 i 对路基土动力特性的研究表明，土的吸力、饱和度 等是影响土的永久变形的重要因素之一。 q i a n t 2 2 】等对非饱和砂的剪切模量与毛细效应之间的关系用 共振柱进行了试验并证明毛细作用显著增大了动剪切模量。 近年来，我国学者在非饱和土动力学方面也进行了大量研 究工作，在非饱和砂土、湿陷性黄土和膨胀士的工程性质，动 力特性，本构关系等方面取得了国际水平的研究成果。 胡瑞林、李焯风f 2 3 1 等通过室内模拟强夯试验研究了黄土在 动力荷载作用下的强度及其变化规律，并加以分析，认为土体 强度的变化主要受微结构状态调整制约，而土粒尺寸和取向的 非均匀发展以及微观损伤的再扩大是加固土体强度降低的主要 原因。 党进谦、郝月清【2 4 】通过分析比较原状黄土和重塑黄土的试 验特性，认为土体的结构特性是很重要的因素，黄土的结构强 度与其初始含水量之间成对数关系，结构强度与其凝聚力之间 有显著的线性关系，并给出了黄土结构强度终止含水量的定义。 张高宁【25 j 采用动、静三轴仪测定了黄土的动力参数。考虑 了土的扰动和离散性、试样的密度、温度、动静应力条件对其 的影响。并建议考虑试验过程中的橡皮膜的约束作用影响。 1 3 本文的主要工作 第6 页 ! ! 堑窒塑叁堂些! ：堂垡堡兰兰兰邑! 咝 综上所述，关于饱和土的动力特性和非饱和土的静力特性， 各国学者已经做了比较充分的试验和研究，得出了一些重要的 规律：相对而苦，非饱和土动力方面的研究有所欠缺，而这方 面的研究成果在工程实际中有重要的意义。基于目前循环荷载 下非饱和土的研究现状，本文主要进行了以下的工作： 1 、非饱和土在循环荷载作用下的试验研究 通过动三轴试验绘制非饱和土的骨干曲线和应力应变滞回 圈，分析以下因素对土体动力特性的影响 ( 1 ) 田压影响 ( 2 ) 饱和度的影响 ( 3 )循环应力( 应变) 幅值的影响 ( 4 ) 加载周数的影响 2 、循环荷载下非饱和土的应力应变关系研究 通过试验绘制的动应力一应变关系曲线，选择适用于非饱 和土的动本构模型并确定模型参数，研究参数与饱和度以及其 他影响因素的关系。 3 、非饱和土残余应变的研究及其影响因素 第7 页 北方交通人学坝i 。学位论义 第二章非饱和土的动三轴试验 2 1 引言 第二章非饱和土的动三轴试验 非饱和土指的是具有负孔隙水压力的土，即具有基质吸力 的土，基质吸力的存在是造成非饱和土和饱和土工程性质明显 差异的根本原因，基质吸力在控制非饱和土的力学性状方面起 着十分重要的作用，而基质吸力与含水量有关，含水量与基质 吸力的关系称为土水特征曲线，施工降水、排水、管道漏水以 及降雨入渗都会导致土体含水量发生变化，这些都显著地影响 土的强度和变形特性。 动荷载下土的动应力应关系是表征土动力学特性的基本关 系，也是分析土体动力失稳过程中一系列特性的重要基础。 由于非饱和土的工程性质与饱和土有很大差别，因此在以 非饱和土为介质环境的工程在设计理论和设计原则上不能完全 引用饱和土的理论，而应采用相应的非饱和土的动力性能指标， 然而现有的非饱和土的工程设计理论仍然沿用饱和土的理论， 较少考虑或者基本不考虑基质吸力和含水量对土体强度和稳定 性的影响。造成这种状况有多种原因，其中之一是非饱和土的 性质比饱和土要复杂得多，对其动力性质的研究更困难；另一 原因是通常非饱和土比相应的饱和具有更高的强度和更好的 稳定性，用饱和土的动力指标进行抗震分析和设计应该是偏于 安全的。但这并不能直接作为实际上的设计依据，因为非饱和 土在强度和稳定性方面的富余程度是未知的；同时饱和度( 含 水率) 与非饱和土动力特性的关系，对由于周围环境的影响而 饱和度经常变化的土工基础的稳定性和变形分析具有重要的意 义。 关于非饱和土的动力特性的试验研究国内外进行的比较 少，过去主要对用于填筑路堤等构筑物的土在长期循环荷载下 第8 页 ! ! 塑銮望查兰塑l ：堂些堡苎 笙二翌j ! 堡塑圭竺垫三塑蔓竺 的强度以及回弹和永久变形模量等进行了较多的研究。q i a n 等 对非饱和砂的剪切模量与毛细效应之问的关系用共振柱进行了 试验研究，其中包括孔隙比、围压、颗粒形状和粒径分布对剪 切模量的影h i 自，结果表明毛细作用显著增大了动剪切模量。 s t e p h e n l 2 6 i 对海床非饱和砂中波的传播特性以及波产生的应变 和孔隙压力进行了研究。h s u i ”j 等对海床非饱和砂的动力响应 和液化问题进行了分析。j a m e s h h a r d c a s t l e 2 8 1 等对东华盛顿地 区的非饱和砂j 二进行了共振柱和动扭剪试验，研究了剪应变幅 值、围压、饱和度对剪切模量和阻尼比的影响。j w p a p p i n l 2 9 】 用动三轴仪研究了非饱和粗粒土在重复荷载作用下的应力应变 特性，讨论了一个弹性应变模型对非饱和粗粒土的适用性。近 年来，我国学者在非饱和土动力学方面也进行了大量研究工作， 在非饱和砂土、湿陷性黄土和膨胀土的工程性质，动力特性， 本构关系等方面取得了国际水平的研究成果。张在明 3 0 1 等对北 京地区的动模量和阻尼及其非线性特性进行了试验研究，其中 包括北京地区的非饱和土。宋强【3 1 l 等对非饱和粘土的动强度进 行了试验研究。 综上所述，在循环荷载作用下非饱和土的研究方面虽然有 所成就，但是出于非饱和土内在结构和在循环荷载作用下表现 出的的复杂性，至今还没有比较普遍而深入的有关非饱和土动 力变形的特性和应力应变关系的试验成果。而在实际工程中， 非饱和土的存在非常广泛，因此研究非饱和土体在循环荷载作 用下的性状有着较大的实际意义。 对于非饱和土，基质吸力是影响其力学性质的关键因素。 本文针对不同饱和度的土体( 即基质吸力大小不同) 进行动三 轴试验，主要研究非饱和的饱和度以及其他因素对非饱和土应 力应变关系的影响程度。 1 ) 循环应变幅的影响 2 ) 围压的影响 3 ) 振次的影响 通过对这些影响因素的研究，确定在以后的模型中需要考 第9 页 儿= 方交迎人学坝i 学位沦义第一章非饱和土的动三轴试验 虑的主要因素，并为以后建立模型和实际计算提供参数。 2 2试验方案 2 2 1 试验仪器 试验在目前比较先进的m t s 8 5 8 2 t e s t s t a r i i 双向液压 伺服土工动三轴仪上进行。仪器由施压控制系统、实时控制系 统、进排水系统、三轴室、各种传感器元件所组成。配套系统 有：电动机、空压机、计算机辅助系统。其中施压系统包括径 向和轴向，两个方向都可以施加动荷载，并可以选择采用应力 或应变两种控制模式。加荷过程由伺服双向反馈控制，并有各 种错误检测功能( 提示、连锁、关机) 来避免以外发生。围压 有气压机提供，并最终由水压来完成作用。整个试验过程由总 控制箱来控制。试验方案由计算机以比较友好的模式化程序输 入，试验过程中产生的各种试验数据( 轴向应变、径向应变、 轴压、围压、孔压、时间) 以及经计算产生的各种试验数据( 如 有效应力、球应力等) 可由计算机自动采集储存。同时可利用 计算机界面来跟踪试验进度，并绘出需要的试验曲线。 2 2 2 原状土样的制备和基本物理参数的测定 试验分为两组，分别取自北京某地下试验楼基坑和北京市 某住宅小区基坑。a 组采用力控制；b 组采用变形控制。在保 持其原状性质的基础上，共制备了8 0 多个土样。 本试验采用圆柱形土样模拟土单元体。试样直径5 e r a ，高 9 e r a 。根据土工试验规程测定原状土的物理特性指标；两组 试样测得的结果如表2 ，1 所示；由原状土制备饱和度不同的土 样，由于原状土含水量高，为获得其它饱和度稍低的土样，采 用烘干原状土体的办法。具体操作为：将原状土体放入烘箱， 控制每批土样的烘干时间，取出土样后，密封静置2 3 天，然 第l o 页 北方交通人学坝i 学位沧史 第二章非饱和土的动三轴试验 后测定每批卜- 体的含水量、密度， 共获得了多种不l 司饱和度的土样。 ( 包括原状土样) 所示： 计算相应的饱和度。试验中， 它们的各个参数如表2 2 、2 3 表2 1两组原状土样的物理力学指标 物 含密 土 孔饱塑 理水 度 粒 隙 和性 参 j 二l h比比 度 指 数 u p 重数 g c m 3 g s e s i p 测 a 2 971 9 1 22 6 5 50 8 l 8 9 71 0 2 纲 定 值 1 3 组 17 21 8 12 6 9 0 7 46 3 41 4 0 表2 2a 组不同饱和度土样的物理参数 物理参数 密度 含水率( ) 饱和度( ) p 蝤c 确 十样组别 土样1 7 11 6 01 8 3 士样2 l o 3 1 6 33 5 4 十样31 7 2 1 8 1 6 3 4 十样4 2 7 3 1 9 5 9 7 0 2 2 3 试验内容 本章通过试验研究确定影响非饱和土循环特性的主要因 素，试验内容主要包括以下几个方面： ( 1 ) 试验加载条件 整个试验采取两种加载控制方式：力控制和变形控制 第1 i 页 ! ! 变笙塑叁竺堡! ! ! 些堡兰 a 、变形控制 第二章非饱和土的动三轴试验 首先在动三轴仪上采用应力控制使试样在原有上覆土层压 力下固结，固结比由下式确定 弘嚣= 去 表2 3b 组不同饱和度土样的物理参数 、物理参数 密度 含水率( )饱和度( ) p ( 咖国 十样组别 十样l 7 1 91 8 5 3 5 6 2 十样2 9 1 6 1 8 74 4 3 5 十样3 1 4 01 7 8 5 3 2 0 十样4 1 3 1 51 8 75 7 7 6 。f 二样5 1 7 1 6 1 8 56 7 0 7 十样6 1 5 2 22 0 27 9 2 4 十样7 2 3 3 81 8 58 0 8 0 十样81 9 8 1 2 0 3 8 9 8 1 1 ：样9 2 5 1 52 0 39 7 式中：盯。和盯。分别为轴向固结应力和侧向固结应力，蚝为 侧压力系数。 待固结变形稳定后，将仪器设为应变加荷控制方式，在不 排水( 气) 的条件下采用多个物性相同的试样独立测定不同动 应变幅下的相应动应力，进行相应指标的计算：荷载波形采用 正弦波。加载波形如图2 1 ：每级动应变分别循环1 0 周。 b 、应力控制 试样固结阶段和循环加载阶段均采用力控制，不同的应力 幅值施加于各自独立的土样。加载示意图如图2 2 第1 2 页 ， 北方交通人学硕l + 学位论史 第一二章非饱和土的动三轴试验 重 i q - 4 可 尊 4 r 垲 厘 时间 图2 2 加载示意图 ( 2 ) 围压的影响 这部分试验分别对在不同围压下饱和度相同的非饱和土施 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 压变化的情况下非饱和土体的性状有何变化。 ( 3 ) 加荷周数的影响 为确定加荷周数对土体循环特性的影响，分别在不同饱和 度，固结比为1 2 的情况下，对土体进行加荷周数为1 0 、2 0 、 5 0 、1 0 0 、2 0 0 、5 0 0 、1 0 0 0 的试验。 第1 3 页 盆!屈if；孔艟石惦“ 阳 驰 图形 如 ；| |h 加 0 l 3 互 图 蜘 北方交通人学坝j 学位沦史第二章非饱和_ 十的动三轴试验 ( 4 ) 饱和度的影响 非饱和土的吸力大小决定着它的力学特性，针对初始饱和 度不同，即仞始吸力不同的土体进行循环加载试验，确定饱和 度对非饱和土变形发展的影响。 2 2 4 试验步骤 试验的主要步骤如下： l 、制样： 1 ) 将取回的土样分为多组，之一为原状土，同时测定原状土体 的物理参数。 2 ) 根据试验所需饱和度，制备其他各组饱和度分别如表2 2 、 2 3 所示的土样。 2 、装样 3 、施加围压对试样进行固结。 4 、根据试验内容选定试验方案，输入计算机中进行试验。 5 、试验结束后，将三轴室内的水排出，拆除试样。 6 、每次试验的数据由计算机自动采集。对这些试验结果进行 对比分析。 2 3 循环荷载幅值的影响 2 3 1 应变幅值的影响 从试验数据整理的图2 3 中可以看出，随应变幅值的增大 应力应变滞回圈所包围的面积逐渐增大。 第1 4 页 北方交通人学坝j 学位论文 第二章非饱和土的动三轴试验 辱彦豸荔萎 豸纛毳家易 霪霪缓覆谬男 ， 辔歹 影 2 3 2 应力幅值的影响 2 5 0 受2 0 0 r 1 5 0 翅 蒋1 0 0 口 霉5 0 0 轴向动应变( ) 图2 3 应变幅值的影响 r竹y - y ) -n ：7 玩m m h 6| i 蝴峨黝豳 | | 嗡嘲穗 vv旷vvvv0v v v v 张 轴向动应变( ) ( a ) 23 456 轴向动应变( ) ( b ) 第1 5 页 幛ds于r翅蒋喧嚣 喜湖渤瑚姗o o生v妖翅需叵辑 北方交通入学硕i 学位论义 第二章非饱和七的动三轴试验 1 4 0 0 1 2 0 0 生1 0 0 0 藿s o o 需6 0 0 - i g 撰4 0 0 一1 、州 啊m 砷珊枷 r 吖n玎164 啪a 髓氇磷帆 弼啊 4 474 舢fil th i 1 lf棚 f “f ，姗、1 1 f t 嘲 目y ，f p i il i i舢绷伽翻 02 4 6 81 0 轴向动应变( ) ( c ) 幽24 不同应力幅值作用下的应力应变关系盯3 = 1 5 0 k p a ( a ) 盯d 。7 5 k p a ；( b ) c 7 d2 1o o k p a ；( c ) o d 。1 2 5 k p a 2 5 2 0 邑 猷1 5 竭 尽1 0 挥 5 0 ( a ) 一 。+ ( b ) # ，* ，_ ， 。 ( c ) , - - u1 0 0 2 0 03 0 04 0 05 0 06 0 0 循环旅敬( n ) 图2 5 不同应力幅值下的变形曲线吒= 1 5 0 k p a ( a ) 吼。1 2 5 k p a ；( b ) o d = l o o k p a ；( c ) = 7 5 k p a 从以上图中可以看出，在小应力幅值作用下，土体初期变 形增长较快，在较短的时间内进入振密状态。随着循环次数的 增加，变形的增大速率减小；而在较大的应力幅值作用下，土 体变形不断增大，达到振稳状态需要相对长的时间，同时变形 增长速率随循环次数的增加而增大，直到破坏。 2 4 加荷周数的影响 控制循环荷载作用下非饱和土应力应变特性的一个重要因 素是加荷周数。以下各图分别为饱和度不同的土体的应力应变 第1 6 页 ! ! 塑奎塑叁堂塑l ：堂丝笙塞 笙三垦! ! 塑塑圭塑垫三塾堕堕 关系随加荷周数变化情况。 t 0 勺6 0 生 。5 0 r 瑚4 0 需 叵3 0 撰2 0 1 0 7 0 6 0 生5 0 案 翅 需 垃 攘 4 0 3 0 2 0 1 0 0 0 7 0 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 0 n凇獭嬲黝黝 ? 黝黝黝黝：殇纱 锄黝黝铴缈僦 00 10 20 3040 5 轴向动应变f ) ( a ) n = 2 0 - 5 0 0 6 彳多渤缓觊骁励纱 彪黝锄黝 磋缎黝黝 多7 o 0 50 1 0 o 1 5o 2 00 2 5o 3 0 轴向动应变( ) ( b ) n = 1 0 0 1 3 0 | | | | j | | | | | | | | | | j ! 塑銮望叁兰塑! ：兰竺堡= ! ! ! ； 塑二童堑塑塑竺垫兰塾苎堕 2 5 0 0 0 s 0 0 0 s 0 0 2 5 0 一 盘2 0 0 毫 靛1 $ 0 趟 磊1 0 0 厘 挥5 0 0 n7 7m懒白 j 】蛐h | 4lt 啪6i g i l l j | i ?7 i l懒洒黼 r矿r矿k v0 w 张v埘- _ _ 。 00 5 2 5 0 勺2 0 0 生 - i r l s 0 翅 幅1 0 0 叵 霉5 0 0 0 1 01 5 2 02 5 3 03 5 轴向动应变( ) ( a ) n = 2 0 - 5 0 汤缓缓琵 荔缓缓 黪 0 0 0 50 1 00 1 50 2 00 2 50 3 00 3 6 轴向动皮夺( ) ( b ) n = 1 0 0 - 1 3 0 _ ，r r 0 0 50 1 00 1 5 0 2 0 轴向动应夺( ) ( c ) n = 1 0 0 0 一1 0 3 0 图2 7 十样s , = 6 3 4 ；盯3 = l s 0 k p a ：仃d = 8 3 k p a 第1 8 页 爷生一氓髑搽叵攥 ! ! 查銮望叁兰堡! ：兰垡堡苎 笙= 童! ! 塑塑圭盟垫三塑鎏墅 00 10 20 30 40 50 60 7 妯向动应变“、 ( a ) n = 2 0 5 0 砑 。盈，二曩r _ 盈p么矿 一 7jr j 7j r r 二啊 0 0 0 6 0 1 20 1 80 2 40 3 0 轴向动应变( i ) ( b ) n = 1 0 0 - 13 0 j 曩 j ， ， o ， 矿一 r 厂一， 白 0 0 0 4 0 0 8 0 1 20 1 60 2 0 轴向动应变f n ( c ) n = 1 0 0 0 1 0 3 0 幽2 8 十样s ，= 3 5 4 ：仃3 = 3 0 0 k p a ：c r a = 3 8 7 k p a ： 第1 9f ( 瑚姜蛳姗瑚o 勺生一r趟臀叵暴 喜i湖咖舌伽湖瑚m o 勺璺一r斟蒋匠幂 喜!啪瑚耋暑湖撇o 一蛊彦r趟臀厘暴 北方交通人学坝位论文 第一章非饱和土的动三轴试验 ? 0 0 6 0 0 马5 0 0 裔4 0 0 臀3 0 0 口 霹2 0 0 1 0 0 0 么誓，r z 一 。 1 ) 时，动应变振幅随着动应力的 循环作用而向压缩方向偏移，动应力作用停止后，动应变不能 全部恢复原位而保留有不可恢复的残余应变。l e e ，l k 将 非均等固结时，动应力作用下的残余应变定义为最大压缩应变， 即占，如图4 1 ： 郁寿松、石兆吉1 32 】认为，晶作为残余应变是不妥当的。因 为岛包含了可恢复的弹性应变，而正确的定义应该为动应力 停止后土体残留的应变值，在循环荷载下的动三轴试验中则被 取为动应力作用前后试样的高度差与动应力作用前试样的高度 第4 ，页 j ! 塑奎望查兰塑! ：堂竺笙兰 笙堕垦苎塑翌圭垡叁壅堡堕望墅里! 銎l 之比，即： “) - 生磐 ( 4 - 3 ) 式中，( ) 表示动应力往返作用n 次所产生的残余应变， h 和( ) 分别表示动应力作用前和作用n 次后的试样高度。 按此定义，残余应变可以从试验中记录到的轴向应力和应变时 程上确定。 o 0 o | |!t 4 ，| | ：s ，i n 一一丁l r t 厂 一 j 二：0 一、b ic l ，一u 图4 1 残余应变定义 4 2 2 往返荷载下的残余变形特性 n 对四组不同饱和度的土样在动三轴仪上进行不排水试验， 通过计算机自动采集的应力和应变数据分析非饱和土在不排水 条件下的残余应变特性。对不同的组别，围压口；分别采用4 5 、 6 0 、1 0 0 、1 5 0 、2 0 0 、2 5 0 、3 0 0 、4 0 0 k p a ，固结比k c = 叫以采 用1 2 。 4 2 3 非饱和土残余应变的主要影响因素 非饱和土残余应变的主要影响因素可归纳为两类，一类是 第4 6 页 ! ! 塑銮塑叁兰堡! ：堂笪堡塞 笙! ! ! ! 童j ! 堕塑圭垡叁錾丝堕垫壁里堕 土的物性参数，即内向因素；另一类是外因因素，即土中固结 应力条件、动应力幅值和循环荷载作用次数。 1 、物性参数的影响 此试验中只考虑饱和度作为物性参数对非饱和土体残余应 变的影响。 掌 一 震 、 n ( a ) n ( b ) 第4 7 页 j ! 塑奎堡叁兰堕! ：兰丝丝苎 笙婴至j ! 塑塑圭墅叁壅型塑蔓堕塑窒 享 、 零 n ( c ) n ( d ) 第4 i 页 ( e ) ! ! 查銮望叁茎塑! ：堂些笙苎 笙型兰! ! 堡塑圭垡叁茎垄堕望些! ! 堕l 零 、 图4 2 不l 司饱和度f 轴向残余应 变与循环周数关系 从以上各图中可以看出饱和度的大小对非饱和土的变形有 很大的影响。在相同的初始应力条件下和物理状态下，饱和度 的的大小决定了土体的变形和孔压变化特性。加载初期，饱和 度低的土样变形发展较快，但是当加载周数到一定次数时，土 样变形逐渐变缓，土体达到一种振稳状态。而高饱和度土样或 者接近饱和的土样在整个加载过程中，变形始终处于一种持续 缓慢增长状态，最终发生塑性破坏。这说明，对低饱和度或者 接近千土的非饱和土，由于有较大的基质吸力，强度较大，有 较强的抵抗塑性变形的能力，但容易发生脆性破坏。随着饱和 度的增大，基质吸力减小，土体强度变低，循环荷载下会产生 较大的残余变形增长。所以，当土体经受一定的循环荷载后， 如果由于降水或其他原因引起饱和度的增大，即基质吸力的增 大，会引起土体塑性变形的增大，最终导致土体由于过大的变 形发生破坏。动应力水平越高，累积塑性变形随含水量增加的 幅度也就越大。随饱和度的增大，土体的结构强度连续降低， 而且在低饱和度下的降低幅度远大于高饱和度下的降低幅度。 当其初始含水量较大时，在较小的法向应力作用下，应变发展 相当快。由试验结果可以推断，对于非饱和土应存在一个界限 饱和度，当土体的饱和度小于该值时，土的累积塑性应变随饱 第4 9 页 ! ! 塑奎望查兰堡= ! ：兰竺笙兰塑型重苎堂塑型鋈竺望望翌；苎! ；! ! 塑一 和度的增加变化很小，故低饱和度土体或者干土在循环荷载下 的残余应变值可以按照其在静荷作用下的变形估计计算。大于 该临界饱和度值以后，累计塑性应变就会岁饱和度的增加而迅 速增大。 2 、应力条件的影响 这其中包括固结应力、围压以及动应力幅值的大小。由试 验分析可以得出不同饱和度的土体在往返荷载作用下残余轴应 变和振次关系曲线有相同的变化趋势， ( 1 ) 固结压力的影响 试验结果表明，在一定振次和动应力下，残余应变随固结 应力的增大而减小，但当轴向固结应力大于某值时，残余应变 反而增大。产生这种现象是因为土体具有一定的地基承载力， 当地基土中的静压力小于地基承载力时，静固结应力越大，固 结变形量就越大，此时土体的孔隙结构尚未破坏，只是压密程 度增高，遭受动应力时，产生的残余应变就小；而当地基土中 的静压力大于地基承载力时，在固结应力状态下，土体的孔隙 结构已经受到一定程度的破坏，虽然又达到了新的平衡状态但 是部分粘聚力己损失，这时，残余应变主要由颗粒填入孔隙而 产生。因此，在这种情况下固结应力越大，孔隙结构破坏程度 越高，遭受动应力时，残余应变也就越大。 ( 1 ) 围压的影响 术 n ( a ) 第5 0 页 j ! 查窒望查兰堡! ：堂些堡苎 笙型望! ! 塑塑圭垡叁銮丝堕堕鉴! ! 堕l 零 、 享 、 n ( b ) ( c ) n ( d ) 图4 3不同围压下轴向残余应变与循环周数关系 第5 1 页 北方交通人学颂i 。学位论文 第州章廿饱和土残余变形的试验研究 ( 2 ) 动应力l 幅值的影响 初始应力条件一定时，作用在试样上的动剪应力越大，所 引起的残余轴应变就越大。如图4 4 ： 紧 a n n ( b ) 第5 2 页 北方交通大学硕一l 学位论史 第q 章非饱和土残余变形的试验研究 掌 术 、 n ( d ) ( 3 ) 振次的影响 n ( e ) 图4 4 不同动应力幅值下轴向残余应变与 循环周数关系 根据上述试验结果，可看出非饱和粘性土在固结不排水条 件下的残余轴向应变6 p 与往返加荷次数n 的关系。在一定初始 应力条件和动剪应力条件作用下，残余轴应变随着振次的增大 而增大，当振次大于一定次数时，残余应变的增长变得缓慢。 第5 3 页 2 1 0 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 1 北方交通人学f i ! j i ：学位论史 第p q 章1