（岩土工程专业论文）交通荷载作用下饱和软粘土的孔压特性研究.pdf

中山人学硕士学位论文 p o r ep r e s s u r ec h a r a c t e i u s t i co f s a t u r a t e ds o f tc l a yu n d e rt r a f f i c l o a d s m 旬o r ：g e o t e c l l i l i c a le n g i n e e r i n g n 锄e ：z h a og u a n g h u i s u p e r v i s o rp r o f e s s o r ：t a n gl i a n - s h e n g a bs t r a c t s o rc l a yi sag e n e r a lt e mo fac l a yw h i c hi so 仆i 班w a t e rc o n t e n t ，v o i dr a t i o ， a 1 1 dl o ws h e a r ，h i 班c o m p r e s s i o n ，l o wp e 肌e a b i l i 够，h i 曲s e n s i t i v i t ) r s o rc l a ya n di t s c o m p o u i l df i o u i l d a t i o nu n d r a i n e dc o n d i t i o n ss t u d yu n d e rc y c l i cl o a d i n g ，i n c l u d i n g 、 e a n h q u a k el o a d i n g ，w a v el o a d i n g ，打a m cl o a d ，e t c h a v eb e e nai m p o r t a n tt o p i c w 胁 t h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m y ，m o r eh i 曲r i s eb u i l d i n gal a r g en u m b e ro f h i g h w a yc o n s t m c t i o n ，a n dt h er a l p i dd e v e l o p m e n to fo a s h o r ep l a t f o m si ns o rc l a y a r e al e a dt om a n yn e wg e o t e c l l l l i c a le n g i n e e r i n gp r o b l e m s ，m o r e o v e r ，i nm a l l yc a s e s ， t h e yr e s u l ti ng r e a td i s a s t e r sb e c a u s eo fm l k n o w nt ot h em o v i n gl o a do fs o rc l a y t h e m a i nf a c t o r t h a ti n n u e n c e sm ed y n 锄i cr e s p o n s eo fs a t u r a t e ds o rc l a yi st h ei n c r e a s eo f p o r ew a t e rp r e s s u r e t h e r e f o r e ，i no r d e rt oe x a c t l yd e s c r i b et h ec h a r a c t e r so fm e s a t u r a t e ds o rc l a yu n d e rt h et r a f ! e i c l o a d i n g ，i n d o o rm o d e lt e s t sa n di n s i t ei ns i t u m o n i t o r i n go ft h ep i l o tw e r et a k e ni nt l l i sp a p e r i nt i l i sp 印e r ，t h r o u 曲m o d e ls i m u l a t i o nt e s ta n do n - s i t em o n i t o r i n go ft h e p r o t o t y p et e s ta n dt h e o r e t i c a la n a l y s i su 1 1 d e rd i f f e r e n tc y c l i cl o a d i n gc o n d i t i o n s ，ih a v e d o n et l l es t u d yo nt h ep r e s s u 】r ec u | n u l a t i v ep r o p e r t yo fo v e r - s t a t i cp o r ew a t e ra n d “s l a wo fd e v e l o p m e n t ，a i l de x p l o r et h er e a s o n ss u b 伊a d es o rs o i lr e s u l t i n gi nc u m u l a t i v e c h a r a c t e r i s t i c su n d e r c y c l i cm o v i n gl o a d i n ga n di t sp r i m a r ) re f f e c tf a c t o r s t h e r ea r es o m ec o n c l u s i o n si nt l l i sp a p e ra sf o l l o w i n ga s p e c t s ： ( 1 ) g e t t i n gt h ep r e c i o u sd a t ao fp o r ew a t e rp r e s s u r ee m e r g i n g ，d e v e l o p m e n t ，a n d c 啪u l a t i o ni 1 1s u b g r a d es o rs o i lu i l d e r 舰m cl o a d i n gt h r o u 曲t h em o d e ls i m u l a t i o n t e s t sa 1 1 dp r o t o t ) ，p em o n i t o r i n gt e s t s ( 2 ) o b t a i l l i n gt h ec 啪u l a t i v ec h a r a c t e r i s t i c sa 1 1 dt h el a wo fd e v e l o p m e n to fp o r e w a t e rp r e s s u 】r ei i ls u b g r a d es o rs o i lu n d e rt r a 伍cl o a d i n gt h r o u g ht l l ed a t a 锄a l y s i so f l i i 交通荷载作用下饱和软粘n 十的孔压特性研究 赵广辉 m o d e ls i m u l a t i o nt e s t sa n dp r o t o t y p em o n i t o r i n gt e s t sa n dt h ea n a l y s i so fp r e v i o u s s t u d i e so ns t a t i c sa n dd y n a m i c st r i a x i a lt e s t ( 3 ) g e t t i n gt h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e n u ：，( 1 一u 二一1 ) ，f 一l 孑一la n dt h e n u m b e ro fc y c l i cl o a d i n g ( n ) b a s e do ni s h i b a s h ia n ds h e r i fe t c ，e x p e r i e n c em o d eo f v i b r a t i o np o r ew a t e rp r e s s u r eg r o w t ht h r o u g ha n a l y z i n gt h er e s u l to ft h em o d e l s i m u l a t i o na n di n s i t ei n s i t um o n i t o rt e s t sa sf o l l o w s ： 盟- - ；：，- 1 1 = 嘉n ( 景尸 k 2 、盯| v l ( 4 ) n u m e r i c a ls i m u l a t i o no np o r ep r e s s u r em o d e lb yt h eu s eo ff l a c 3 da n d c o n t r a s tw i t hp o r ew a t e rp r e s s u r ec u r v e sg o t e ni nt h em o d e ls i m u l a t i o na n di n - s i t e i n s i t um o n i t o rt e s t s o b t a i n i n gt h ea c c u r a c ya n dv a l i do fn a m e r i c a ls i m u l a t i o n ，a n d c a nb eu s e di nt h ec a c u l a t i o no fm o v i n gp o r ew a t e rp r e s s u r e e n r i c h i n gt h e o r i e so fs o i ld y n a m i c s ，t h er e s e a r c hr e s u l t si nt h i st h e s i sc o u l dn o t o n l yp r o v i d eb a s i sf o rp r e d i c t i n gc u m u l a n to fd y n a m i cs t r e s s ，c u m u l a n to fp l a s t i c s t r a i na n dp e r m a n e n td e f o r m a t i o no fs u b g r a d es o f ts o i lu n d e rt r a f f i cl o a d i n g ，b u ta l s o o f f e rt h e o r e t i c a lb a s i sf o rd e s i g na n dc o n s t r u c t i o no fp a v e m e n ts t r u c t u r e sa n ds o l u t i o n t ot h ep r o b l e mo fs o f ts o i ls u b g r a d ed e f e c t s k e y w o r d s ：t r a f f i cl o a d i n g ；r o a d b e ds o f ts o i l ；p o r ew a t e rp r e s s u r e ；p o r ep r e s s u r e m o d e l ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h i sw o r kw a ss u p p o a e db ys c i e n c ep l a no fg u a n g d o n gp r o v i n c e ，c h i n a ( g r a n tn o 0 7 0 0 3 7 3 8 ) a n dn m i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d m i o no fc h i n a ( g r a n tn o 4 0 8 7 2 2 0 5 ) i v 第2 期 姜世金等：基于i ) s c a d e m t d c 的黑启动中发电机自励磁仿真 8 l l s 。 q 。 ( 3 ) 式中：q 。为电容x 。加额定电压时的充电容量；s 。为发电机的额定容量；k 叽为在空载额定电压时发电机 的短路电流对额定电流之比。 这些方法虽然简化了运算，但还是不够迅速、直观，也无法刻画出自励磁发生的程度，故而本文采用 了目前工程上比较流行的p s c a d e m t d c 来进行仿真。 3 基于p s c a d e m a d c 的自励磁仿真模型选择 3 1 p s c a d e m a d c 简介 交通倚载作用下饱和软粘十的孔压特性研究赵广辉 条件下的动三轴试验资料提出的一种计算平均振动孑l 隙水压力的应力模型，但 该模型只能考虑均等固结状态。f i n n 【9 】将s e e d 的公式推广到了非均等固结的情 况；徐志英l l o 】对于s e e d 和f i 皿的结论进行了简化，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。 张建刚j 更进一步将饱和砂土在往返荷载作用下平均振动孔隙水压力的增 长规律分为三种类型。应变模型最著名的是m a n i n f i n n s e e d 【1 2 】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 久体积变形与回弹模量的乘积所得到的模型。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。沈瑞福【l3 】等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。郭莹等和何杨【1 4 】针对饱和松砂在不同的初始大主 应力方向和中主应力系数情况下，建立了孑l 隙水压力增长的应力模式和应变模 式。 斯肯普顿( s k e n p t o n ) 首先提出大家熟知的孔隙水压力方程。曾国熙、亨克 尔( h e n l ( e 1 ) 和柴田侧等人作了进一步的研究，分别提出适用于饱和土和非饱 和土的用力不变量表达的孔隙水压力方程以及由三轴试验结果得到的考虑土压 力应变关系的孔隙水压力函数式。劳( 1 a w ) 和霍尔茨( h o l t z ) 论述了主应力 轴旋转对孔隙水压力系数a 的影响和孔隙水压力与土的应力应变关系【l5 1 。 m a t a s o v i cn 研究了粘土循环荷载作用下的孔压模型；m a t s u it 【1 7 1 研究 了粘土在循环应力作用下的应力应变历史和剪切特性；l oky i 堪】研究了正常固 结粘土的孔压与应变关系；b r o 、nsf 【1 9 】通过粉土的动三轴试验研究，研究了 影响孔压变化的因素；许才军，周红波例通过不排水循环荷载作用下饱和软粘 土的研究，建立了孔压的增长模型；周建，龚晓南【2 】进行了循环荷载作用下饱 和软粘土特性试验研究；k a z u y a u h a r aa n dt o y o t o s h iy a m a n o u c h i 【2 l 】建立的模 型认为孔压的变化可以不受加荷形式的影响，但循环荷载作用下孔压受许多因 素的影响，各种不同因素下孔压与应变的关系形式也不尽相同，单一荷载作用 下与循环荷载作用下土体的孔压无法用统一的表达式表达。d vr 锄s 觚l o o j a 1 1 da j a l w a s h 【2 2 1 建立的模型认为孔压的大小只与竖直方向应力的大小和土本 3 中山大学硕上学位论文 身的结构参数有关，没有反映其他任何因素对它的影响；a m r s a z z o u z 【2 3 1 建立 的模型只能计算土体破坏时孔压的大小，不能描述不同阶段孔压的变化情况。 1 2 2 试验蓁霎 翥墼冀薹菊美囊雾篓阵| 囊嚣孽箨防囊菱：囊薹羹一鲤冀韵羹翼囊徭巩；冀 羹薹萋蓠囊；薹强墼鋈霎雾毽薹妻鬟蓁羹鬻藿霎羹蓊蹩冀霆翳，霪霍翼雾墓囊 鬟垂錾薹羹螽霆雾蘑，滋壅 2 时变反应模型参数估计结果 2 0 0 22 3 2 0 0 42 5 20 0 6 2 a 口72 8 图7 我国对美国进口额增长率的时变反应路径 2 0 0 22 32 0 0 42 52 62 0 0 72 仪培 图8 对石油价格增长率的时变反应路径 该相依关系系数是全样本计算的结果，并不能反映各指标对我国银行体系信贷风险的动态时变影响。 利用g 叫s 8 8 o 软件编程获得模型估计结果，在估计过程中，为防止似然函数局部极值的出现，我们进行了对初值的选 择，进行了大量的实验和合理 。 69x 中坐套! 薹型壶：笠1 鲫翼；霎霎鏊薹；霎蠢琴蠹墼冀冀冀薹雾萋薹羹攀耋蘩蓁茎鬟薹霎霎 薹薹蚕舔! ；ji 耋虱i 鬈i i ；i 目i i 謦。奏毒 雪i ；。i 鐾一! ! ；l 季曩；基l l l l 旧摧；l i 囊囊j ；喜i 擎未霎囊零e l 震善霉! 囊芋! 璧j ，量争i 詹；喜一三主主；孳妻童蚕i ；塾i 窭鼢薹圣手；鬟量i i i 墓塞萼? 霞霎霎言量餮_ 鹾e 墓：主l 攀 羹j 百茎蓁 垂譬曼： 差毒；耋耋醒蓦| i 睦 i 曼窟i 鏊；雾蓬 i i 童鬻耋i 营疃驯i 妻霎童毒i 董； i 毫爹奏；霎蓁l i 鬟! 萎；j ；霎i 多辛每毒馐羹王羞喜；爹运 董j 蓥墨笔；薹i i 耋 ? ? i i 。争孝拿 尊l 量基三；圣i 载g i i i 餮鼍 扎薹；i i i ii | 叁i i 至i ! ；! i ! ；i 霎! i i 霉 霎0 i l 浆；自| 嫠j 妻! ! ；| l | 、，! 羹羹羹：萎墓； a i 手j l 耋i j 卜? ? i ；耋i 薹i g ；耋； 亨鑫=主荔孽雾蔓茹；霾j 薹薹i ；| ；鸶羹茎手；蔫萎鬟i 箩i i ；主j ：三! 专i 。爹氢皇j 至l - 垂囊i ；藿主i 妻妻蓊羞羹； i 毒藿冀；嚣! i 圣! ；耋耋i 一警i 蒌= i 奏ll 薹= 毒i 孝季孝麦；蓬；萝擘季差；主亨垂薹毫奏；t ii i ：霪垂量萋鏖i 妻! l l l l 鼍皇；， ；j 毒粤塞圣号i i i i i 重；垂；，鎏妻。l 茎薹i 。 ；乏；替i i i ；lg 零? 奏奎i 耄! 耋t ；喜w ：! ! 茎j 奏目! 亨i ；l l ； 羹蕊王囊 号冀差川毫萋7 j 耋董l 麓羹i 薹i 氢哇l 雾；羹i 主i ：尊三登三；1 1 垂董生基生i i i i ； ；1 摹刍篓= i 霎耋薹，? 薹；爹：i 霪耋蓬；害毒妄 i 霎 量害菁；菁嚣西，萋拿i 羔蓊拿耋童罾 i 萋耋蓬i ；薹薹薹薹雾! 一量i ；耄i 摹箩 勇考委；! 薹! l 。垂_ 主薹毫耋蓄錾瓣藿藿；i 每馨囊雾。鐾i 蠹重量lj 霎冀重i i ； 誊! 塞鼍主蚕一二耄 i 薹i ；毫_ i i ；蠢i 料；i i ! 零l “；i 耋= i i ! 茎蕤l l ! ? ；i ； 蓄! 毒! ；i ；羹耋琴；霪；l | | | = ：箨；手：；拿；囊i ；墓i 驴驴i i ；蠹l 主。i i i 二藿 藿：耋j ；i 薹：；! 耄二霪：蕊l _ i 雾i ；| ；。霎妻鎏薹l 蚕；髻叶三! i 蒌! 垂? ；川萋：鱼! ；i 羹；三， i 薹i 妻i 酋喜事! 垂翼耋；! 差霪至誊蓍i 三主薹囊章 l 暮薹垂妻i 主l | i 妻善妻茎；主主薹i 垂囊星! 萋i 霎三；葺董兰；l 霉i ，量三篓爹二t ! i 耋爹羔 二耄 爹j ll 雾 j i j 妻琴 量耋嘉 鎏。i 主戛争i 龟要；宇；雾i ! 目l 鎏l ! 妻邑霎蓁i ；三雩 荤i ! 耋薯鱼= ；囊兰葶哮莲i | l ； 墓l l l i 二! i ￥| 蠢蓁i ；囊警羹| 鎏霹；基 j 薹尹妻i ；：吕ii 二二霍i ；霪妻耋篓! 交通荷载作用下饱和软粘土的孔压特性研究赵广辉 力与应变之间的关系十分困难，即便建立了这种关系，由于其中含有诸多影响 因素，也不具有普遍性【5 】。因而有必要引入一个不随各种影响因素变化的客观 基准量，分别建立各种影响因素下孔隙水压力、应变与客观基准量的变化关系， 通过客观基准量间接确定各影响因素下土体的孔隙水压力与应变的关系。 另外，从已有关于主应力轴旋转的试验研究可知，主应力轴旋转会产生动 应力的累积，而动应力的累积会直接导致孔隙水压力的累积并最终产生永久变 形。目前，试验研究土样以分层沉积的砂土为多，无法验证纯主应力轴旋转引 起的孔压增量，己有关于砂土在主应力轴旋转过程中的孔压开展特征是否适用 于其他土质也有待于进一步确证。土体直接在主应力轴单向旋转条件下发生破 坏的试验研究很少，在较高的剪应力水平下主应力轴单向旋转时土体因孔压增 加而破坏的研究还比较缺乏。过去的试验循环频率很低，并不符合实际工程中 如交通倚载“低应力低频率长持续 的特点【3 1 。 基于以上分析，有必要开展更合理的模型模拟试验及现场原型监测试验研 究交通荷载下主应力轴旋转时路基软土中的动孔隙水压力发展和累积规律及其 对动应力和塑性应变发展和累积规律的影响。 1 3 研究内容与思路 1 3 1 研究内容 通过不同循环加载条件下的模型模拟试验和现场原型监测试验，结合理论 分析，研究交通荷载下路基土中动应力、孔隙水压力及塑性应变的发展和累积 规律，通过试验结果的拟合归一化处理及理论推导，建立孔隙水压力模型，主 要包括以下几方面： ( 1 ) 模型模拟试验及现场原位监测试验 根据几何相似及物理相似原理，设计了本文的模型模拟试验。模型试验主 要模拟实际路面结构中的面层、基层和路基土，其中，面层材料采用混凝土， 基层采用中粗砂，路基土用软粘性土，行车荷载采用改装的电动模型车。主要 测试不同车速、深度、荷载强度、加载次数等循环加载条件下路基土中的动应 力、塑性应变、动孔隙水压力的值。现场原型监测试验测试不同循环加载条件 7 中山大学硕上学位论文 下，实际公路路面结构中基层和路基土的动力变化值及孔隙水压力变化值。 ( 2 ) 动孔隙水压力的发展、累积规律 对模型模拟试验中获取的动孔隙水压力试验数据进行整理和分析，研究路 基土中孔隙水压力在行车荷载作用下的产生、发展、累积、消散过程及变化规 律，探讨行车速度、荷载大小、循环加载次数等因素变化时，路基土中孔隙水 压力变化规律与这些影响因素的关系。另外对周建、章克凌、陶振宇、刘胜群、 吴建奇、吴明战、周红波等所做的动三轴循环荷载试验结果进行综合分析，探 讨土体循环应力比孙超固结比d c r 、频率 主应力方向角口等因素的影响。 ( 3 ) 饱和软粘土孔压模型的建立 通过模型模拟试验和现场原型监测试验数据的分析，得出动孔压模型的参 数。 ( 4 ) 饱和软粘土孔压模型的数值模拟 利用f l a c 3 d 对孔压模型进行了数值模拟，并与模型试验及现场原位监测 试验所取得的孔隙水压力曲线进行对比分析。 1 3 2 研究思路 越来越多的研究者认识到：一方面，在循环荷载作用下，饱和粘性土的孔 压发展问题以及由此产生的强度和模量的退化，关系到建筑物基础的稳定性； 另一方面，作为建议完善的土的本构关系的根本依据，应该考虑到应力路径的 依附性问题，尤其是有效应力路径，而孔压成为一个重要的待测物理量【4 j 。 在交通荷载作用过程中，路基土中的任一点包含着主应力轴的不断旋转和 循环动荷载的反复加载过程，在此过程中，路基土中动孔隙水压力不断累积， 导致动应力不断累积，产生相应的塑性应变累积，当塑性应变累积到一定程度， 将使路面结构层产生破坏。本文即为了解决交通荷载作用下路基土中动孔隙水 压的累积特性及其对动应力和塑性应变累积特性的影响。 具体研究思路如图1 1 。 8 交通荷载作用下饱和软粘十的孔压特性研究赵广辉 图卜1 研究思路及技术路线流程图 9 中山大学硕上学位论文 1 4 研究目的和意义 在交通荷载作用下，路基土中主应力轴不断的连续旋转，且在路基土中发 生动应力累积现象，引起动孔隙水压力的上升和累积，导致塑性应变的累积， 产生过大永久变形。然而，至今仍缺乏一个合理的方式用以确定交通荷载下路 基中的动应力累积以及塑性应变。因此，如果能定量分析主应力轴旋转下路基 中的动应力累积特性及塑性应变累积特性，就能预控路基病害的产生和发展， 能够进一步把握路基路面结构发生破坏的各种控制因素及发育机理，避免路基 软土出现过量变形，使得路面在服务年限内达到安全与经济的目的，最终提高 路面设计与管理的效能，具有重要的理论及实际意义。 研究孔隙水压力模型与动应力及塑性应变累积的关系，为研究交通荷载下 路基软土的动应力累积量、塑性应变累积量及永久变形提供依据，能够进一步 把握路基路面结构发生破坏的各种控制因素及发育机理，避免路基软土出现过 量变形，使得路面在服务年限内达到使用安全，最终为实际工程中的路面设计 及日后管理、为更好的解决路基软土病害问题提供理论基础。 在循环动荷载作用下，孔隙水压力的发展是土体强度变形变化的根本因素 之一，也是用有效应力法分析土体动力稳定性的关键。循环动荷载作用下，饱 和软粘土的动力反应十分复杂，在不排水循环加载中，孔隙水压力的增长是影 响饱和软粘土动力反应的主要因素，且循环荷载作用下软粘土中孔隙水压力的 发展具有明显的滞后性。按照有效应力原理，土的强度和变形特性主要决定于 土骨架的有效应力状态及历史。因此，为了研究土的性状，本文通过研究交通 荷载作用下的孔隙水压力变化及其精确确定方法，j 下确地估计它的产生和消散， 从而更好地运用有效应力原理解答如地基承载力、沉降边坡稳定等工程实际问 题。 本文通过不同循环加载条件下的模型模拟试验、现场原型监测试验及理论 分析、对前人所做室内动静三轴试验的理论分析，探寻循环动荷载路基中的动 孔隙水压力发展、累积规律，分析影响孔隙水压力增长的因素，建立合理的孔 隙水压力模型，为有效应力分析土体动力反应提供合适的动孔隙水压力模型， 从而正确地估算孔隙水压力增长对土体循环动力特性的影响，准确地描述饱和 软粘土在循环动荷载作用下的性状。 1 0 中山大学硕士学位论文 表2 - 萎霾翼蠢霪薹皇至霉霎雾蠢 鬟一一冀b ；震 囊 e i 蓁雾雾蓁慧i 垂喃继 辇薹鎏需蓠萋冀薹黧群饕奏i 4 ： 霉；季：蓁羹霎雾纛蚕薹蒌 慢鬟一雾菱霎藤墨硝翻錾雾嶝i 2 i 羹霞塞錾雾薹薷墼霎誓鏊蔷羹蓁藁；经羹辩鋈萋雾蓍型鎏蓁囊霞；并势； 翁影囊鬟蓁雾篓羹蔷墓兑i 冀霪鏊蓟匪冀南羹羹；露霎一薹i 蠹| 蒸满羹篓| 薹冀i 雾 擎囊亳蕊蓊善霪圭羹蓁羹薹冀脞垂充分的证据说明相关 的基本面已彻底改变，我们只能正面理解这些信 息。据此，针对中国当前面临的问题，我们或许可 郑辉，周栎伟：大宗商品价格下跌：中国的机会? 素。其一，资源生产行业在这些年经历了许多并 购，导致行业集中度大幅增加，使得供应商的要价 能力得到提高。一般而言，这些厂商均为上市公司 等市场主体，在其流动性遇到问题时，通常的做法 也只能是竞争性增产。而当需求增加时，由于有回 旋余地，他们很容易构成某种心照不宣的共谋，通 过同时减产达到利润最大化。因此，在价格下跌 时，潜在的买方若沉得住气，供应商的要价能力说 不定反而不能兑现。其二，金融危机过程中各国央 行极度扩张流动性，导致未来存在通胀隐患。作为 预期，这种可能性确实在长期存在。但现阶段或未 来几年，尚处于经济危机爆发和发展之时，通缩是 更现实的预期。一旦有通胀预期，经济周期通常已 触底反弹了。 以上所谈论的基本面因素，都还有待进一步仔 细探究，其中的核心问题是如何理解世界商品市场 蠢鍪。圜露圜l 圈霹嚣霾冀雾羹雾s 蓁羹羹囊蓊冀 攀i 鏊一：冀鏊萋0 。- 0 毫垂垂 耋篱鏊 j 茎；鬟薹萋囊鬻雾誊蓬i 蓁| 萎羹雾薹蓁蓁墓鋈 薹窭纛薹蒜鍪。一鬻鬟囊；鬻鹱零乏三三薹蓁蓁薹 蓁雾雾冀霪! 冀雾耋蓁雾霎薹蓁蓁蓁! 蓁囊蓁萋萋 差霎至j j 耋薹薹= 蚕星重霎薹耋主? 蚕雷雪垂 薹蓁冀? 薹蓁蚕霉j 主主耋囊蚕蚕霎妻耋耋? 星 薹重量量量蓁囊萋萋| 萋薹篓萋；董茎；囊薹薹錾薹 薹? 鬟薹薹季蓁蓁蒌羹蓁鋈j 羹蚕冀羹墓器麓篱誊 矗雾鏊| 薹霎篓囊蓁。攀誊，薹薹篓薹萋萋囊薹薹薹 兰羞萋喜毫耋! 奏萋薹萋墨i i 羹雾；羹瑟 鬟鋈；薹覆鍪篙蒸囊羹囊羹羹鬻鬟；鬻羹薹蠢粪雾 嚣夔囊i 蚕霪薹囊霎羹鋈羹鬻 x 交通荷载作用下饱和软粘土的孔压特性研究赵广辉 加载次数为1 3 0 0 次，按3 种车重、3 种车速分别进行，共9 组试验，每组试 验做2 3 次，每次试验完毕重新搅拌土样，重新填埋，重复( 1 ) ( 6 ) 的步 骤。具体试验参数如表2 3 。 表2 - 3 循环动荷载试验参数 荷载重( 五驴 车速( 彰台) ( 7 ) 数据的采集、整理与分析 每次试验前，均先设置车载大小、加载频率及每一周期数据自动采集点， 设置完毕后，精心试验。试验数据由计算机及相应的数据采集仪自动采集，可 精确到小数点后6 位。其中，动应力的采集的数据点为l o 个s ，采集频率为l o h z ； 应变的采集的数据点为2 个s ，采集频率为2 h z ；孔隙水压力值采集的数据点为 1 个s ，采集频率为l h z 。试验中循环动衙载作用下土体破坏以应变达到5 为 标准。 动应力值采用每一周期动应力曲线的峰值与谷值之间2 0 个数据点的平均 值；孔隙水压力值按实际采集的数据点值确定；塑性应变值按每一周期应变曲 线的峰值与谷值之间1 0 个数据点的平均值。仪器设备实际采集的动应力、孔隙 水压力及塑性应变数据均为电子信号数据，必须乘以仪器设备的校正系数后， 才能转化为相应的动应力值、孔隙水压力值和塑性应变值，进行路基土力学特 性的分析。 2 3 野外监测试验 2 3 1 概述 为验证模型模拟试验中动应力累积数据的可靠性和精确性，本文的项目课 1 9 4 o o 4 o o 4 o o 3 3 4 3 3 4 3 3 4 o o 0 o o o o o o药笛筋邪钙钙钌 交通荷载作用下饱和软粘土的孔压特性研究赵广辉 若旋转过快，会产生对试样施加的轴向应力的后果，同样会扰动土样。对于土 样不均匀性的影响，应在试验过程中尽量保持试样的均一性【4 2 】。 动三轴试验的稳定性不好，孔压值是在试样底部测得，而且有滞后现象。 由于试验条件的限制，对于原状饱和软粘土进行试验时，试验结果会出现不同 程度的出入；同时由于制备土样时，土样的不均匀性，土样受到扰动，土样含 水量的变化等都会对试验结果造成误差。 2 5 小结 在交通荷载循环作用下，公路路面结构容易出现车辙、路面丌裂等病害， 主要是由于交通荷载在路基土中产生动应力的累积效应，引起路基土中塑性应 变的累积及永久变形的发生。但现有的室内动三轴试验不能模拟和量测动应力 累积现象，现场的原型监测数据也较缺乏。本章介绍的模型模拟试验和现场原 型监测试验就是为了解决这些问题【3 1 。 本章主要开展了交通荷载循环作用下的路基软土中力学状态的模拟试验及 现场原型监测试验，详细介绍了模型模拟试验的原理、目的、仪器设备及试验 过程、步骤等；并简要介绍现场原型监测试验的工程概况和试验方法等。试验 取得了交通荷载作用下路基土中动应力和塑性应变产生、发展、累积的第一手 宝贵资料，通过试验数据的整理和分析，为实际公路路基的设计和施工提供依 据【3 1 。 分析了三轴试验中可能产生的系统误差及引起误差的仪器，如电阻应变式 土压力传感器、1 0 2 7 信号发生器、y e 5 8 5 0 电荷放大器等。提出了试验中容易 出现误差的部分，如橡皮膜贯入效应，激振器下的机械调零等。 2 1 中山大学硕士学位论文 第三章饱和软粘土孔隙水压力特性研究 3 1 引言 交通倚载即是周期荷载，又是不规则荷载。车辆行驶对道路及路基的动力 作用会因为车型、车速不同而变化，因而交通荷载大小及作用频率都是呈动态 变化的。本文在研究时将交通荷载简化为长期的、有规律的循环动荷载考虑。 路基软土在循环动荷载作用下的变形性状远比受静荷载时复杂，变现为明显的 变形非线性、滞后性、累积特性，加上土中水的影响，使动孔隙水压力的表现 极为复杂【3 1 。 饱和软粘土及其复合地基在循环荷载( 地震荷载、波浪荷载、交通荷载等) 作用下的不排水工作性状，成为一项重要的研究课题【l j 。孔隙水压力的增长是 影响饱和软粘土的动力反应的主要因素，因此，为了准确地描述饱和软粘土在 交通荷载作用下的性状，本文通过室内模型模拟试验和现场原型监测试验，研 究了循环荷载作用下孔隙水压力的变化规律，分析了影响孔隙水压力增长的因 素，研究了主应力轴旋转时路基土的孔隙水压力增量等，从而为正确估计孔隙 水压力增长对循环性状的影响以及后继单调加载的应力应变关系和静强度的 预测提供依据。 3 2 孔隙水压力的累积规律及影响因素 3 2 1 概述 不同土体中循环孔隙水压力的特征不同。对于干的无粘性土来讲，循环荷 载将导致土体压缩。如果这种土体是饱和的，那么循环荷载将引起超静孔隙水 压力的生成，有时孔隙水压力很大可以引起土体液化；如果土体可以排水的话， 饱和无粘性土的沉降不仅在循环加载过程中产生，而且也在加载完成后产生。 对于部分饱和的粘性土来讲，循环加载过程中土体的沉降与无粘性土类似，在 同样的循环荷载作用下，完全饱和粘土产生的孔隙水压力随着加荷过程中土体 不断沉降而逐渐减小，特别是在加载以后。很明显，循环荷载下孔隙水压力的 交通荷载作用下饱和软粘土的孔压特性研究赵广辉 产生与无粘土性土及粘性土循环荷载下沉降的产生在某些方面是类似的【5 1 。 在循环动荷载作用下，孔隙水压力的发展是土体强度变形变化的根本因素 之一，也是用有效应力法分析土体动力稳定性的关键。循环动荷载作用下，饱 和软粘土的动力反应十分复杂，在不排水循环加载中，孔隙水压力的增长是影 响饱和软粘土动力反应的主要因素，且循环荷载作用下软粘土中孔隙水压力的 发展具有明显的滞后性，为了准确地描述饱和软粘土在循环动荷载作用下的性 状，必须先通过一定的循环动荷载试验，测量循环动荷载作用下不同加载周数 时孔隙水压力增量，然后分析影响孔隙水压力增长的因素，建立合理的孔隙水 压力模型，为有效应力分析土体动力反应提供合适的动孔隙水压力模型，才能 正确地估算孔隙水压力增长对土体循环动力特性的影响【3 1 。 交通荷载作用下软粘土中孔隙水压力的产生、发展、消散及累积规律较为 复杂，其影响因素很多，根据模型试验结果和原位监测试验结果分析，除了土 体的物性( 如土体类型、扰动程度、含水率、塑性指数、孔隙比等) 外，还受 荷载强度尸、行车速度1 ，、循环加载次数的影响；另外对周建、章克凌、陶 振宇、刘胜群、吴建奇、吴明战、周红波等所做的动三轴循环荷载试验结果的 综合分析，孔隙水压力的产生、发展、消散及累积规律还受土体循环应力比，7 、 超固结比d c 尺、频率 主应力方向角口等因素的影响。其中荷载强度p 可以 与循环应力比7 7 建立关系，行车速度y 可以与加载频率厂建立关系。本章就上 述几个影响因素，基于模型模拟试验结果，对循环动荷载下路基软土的孔隙水 压力的产生、发展、消散及累积规律进行探讨。 模型试验中孔隙水压力计埋深为2 0 o c m ，紧靠埋深1 5 o c m 的动土压力盒， 使采集的试验数据具有针对性和可比性【3 j 。 3 2 2 孔隙水压力口累积规律及循环应力比7 7 影响 饱和软粘土存在临界循环应力比，最早由l a r e w 和l e o n a r d s 提出，当初定 义为不导致土体破坏的最大循环应力比。后来s a n g r e y 等进一步证实了临界循 环应力比的存在。 循环应力比定义为【l 】： 中山大学硕上学位论文 7 7 = g 么 ( 3 - 1 ) 7 72 乃 l j 。1 ) 其中，g 伽为循环应力幅，乙为静力试验中土体不排水抗剪强度。 对应于同一加荷周数，随着循环应力比的增大，孔隙水压力也不断增大。 当循环应力比较小时，随着加荷周数的增加，土体的应变、孔隙水压力逐渐增 加，但增加的速率并不快，应变、孔隙水压力在较大的加荷周数下才达到破坏 值。当循环应力比逐渐增加到某一值时，孔隙水压力和应变随加荷周数的增加 迅速增加，并且在加荷周数较少的情况下很快破坏，此时对应的循环应力比即 为临界循环应力咄引。 图3 一l 是超固结比d 锨= 1 时，不同循环应力比下所得到的孔隙水压力 与振动次数之间的关系曲线，从中可以看出，在一定的循环荷载作用下，随着 循环次数的增加，孔隙水压力会不断增加，但是，孔隙水压力的增长速率同循 环应力水平有关，即存在临界循环应力比。当循环应力比比较大时，随着振动 次数的增加，孔隙水压力迅速上升，饱和土体很快达到循环破坏状态；当循环 应力比较小时，随着振动次数的增加，孔隙水压力逐渐上升，在循环加荷的最 初几周内，曲线比较陡峭，孔隙水压力增长较快，但当循环周数增加到一定周 数以后，孔隙水压力增长速度逐渐缓慢，直至达到一种平衡状念。对于本试验 而言( 周建利用应力控制的循环三轴试验) ，临界循环应力比为o 5 当循环应力 比小于0 5 时，土样在振动次数达到40 0 0 次时才发生破坏，而当循环应力比 大于该值时( 町= o 7 ) ，土样在振动次数为1 0 0 次左右时就已经发生破坏。除此 之外，试验中还可以发现，当循环应力大于临界循环应力时，当循环加载停止 之后，没有残余孔隙水压力产生；当施加循环应力小于该临界值时，循环加载 停止之后，将会产生残余孔隙水压力。由此可见，循环应力值的大小是影响循 环孔隙水压力产生、增长规律的主要因烈。 通过不同循环应力比下土体应变和孔隙水压力变化情况的研究，可以确定 土体中存在临界循环应力比，如果不存在临界循环应力比，土体中的应变、孔 隙水压力与加荷周数的关系曲线在不同循环应力( 对应于不同循环应力比的循 环应力比) 下的变化趋势应是相同的，不应象试验结果所示的那样有较大的突 变，正如m a t s u i 等人( 1 9 8 0 ) 的研究结果一样。s 锄笋e y 的研究表明，当循环 2 4 交通荷载作用下饱和软粘土的孔压特性研究赵广辉 应力比接近土体的临界循环应力比时，循环荷载作用下土体的静剪切强度将下 降5 0 。对于应变控制的循环三轴试验，土体也相应存在临界循环应变，即当 应变大于某一临界值时，土体对应的应力较大，且变化规律与应变较小时土体 应力的变化规律不刚5 1 。 饱和软粘土在循环荷载作用下的另一重要特征是存在门槛循环应力比 ( n 鹏s h o l dc y c l i cs t r e s s 黜i o ) ，即当循环应力比低于此值时，没有孔隙水压力 的积累生成，如图3 2 所示。m a t s u i 等人( 1 9 8 0 ) 对正常固结土和超固结土进 行应力控制的循环三轴试验发现了这一门槛循环应力比，当时他称之为“循环 剪应力较低的边界值”；对于应变控制的循环荷载试验，同样存在一个门槛循环 应变【5 】。 临界循环应力比和门槛循环应力比的概念在研究土体的循环特性中十分重 要，但目前几乎无人进行研究，建立模型时也没有考虑土体的这一临界特性， 循环应力比大于临界循环应力比和低于门槛循环应力比时对孔隙水压力的影响 是不同的，不能笼统地用同一模型简单地概括【5 】。 霄一o 1 5 al0 0 020 0 03o l a o4o o o 缀功次数朋次 图3 1 不同循环应力比下振动次数与孔隙水压力比的关系1 1 l o o o 0 o o 8 6 4 2 甜盘，f r 鹾* 麓瞎 中山大学硕七学位论文 i l ，振毙 图3 2 不同加荷周数下循环应力比与孔隙水压力比的关系0 5 i 3 2 3 孔隙水压力比累积规律及循环加载次数影响 图3 2 为模型模拟试验土中孔隙水压力与循环加载次数关系曲线。图3 2 a 为尸= 2 2 ok p a ，v = 2 4n 1 s 、倒o “s 时与孔隙水压力z ，关系曲线；3 2 b 为 p = 3 9 4k p a ，v = 3 0 “s 时与孔隙水压力“关系曲线；3 2 d 为p = 5 7 ok p a ， v = 2 4 州s 时与孔隙水压力“关系曲线。 s o 1 0 015 02 0 02 5 03 0 0 务环力簪栽凌数n 次 a ) p = 2 2 0k p a ，= 2 4 m ，s 2 6 b 5 4 3 2 ， o 孔貔糸握力毫雾 交通荷载作用下饱和软粘土的孔压特性研究 赵广辉 2 o 1 2 1 0 口5 01 0 01s o2 0 02 5 03 循环加戴次数n 次 b ) p = - 2 2 ol p a ，= 4 0m ，s o5 01 0 01 e o2 e o2 s e3 0 0 循环加裁次数n 次 c ) p = 3 9 4 i a ，= 3 o m ，s o5 01 0 01 5 02 2 5 03 0 0 锸环如棱次数f 次 d ) p = 5 7 0k p a ，y = 2 4 m ，s 图3 3 循环加载次数n 一孔隙水压力u 关系曲线 7 5 5 毒 3 2 1 o 孔豫教压力毫pa 8 8 4 2 o 孔豫承压力u| 8 8 4 2 o 孔缘承压力tl，kp|p 中山大学硕士学位论文 从图中可以看出【3 】：( 1 ) 图3 3 a 、c 表明，在较小荷载强度下，随着循环加 载次数n 的不断增加，孔隙水压力不断增长。在加载次数较少的情况下，孔隙 水压力较小，但发展迅速，孔隙水压力累积的速率较大；当达到一定加载次数 之后，孔隙水压力曲线出现拐点，孔隙水压力累积增量减小，孔隙水压力增长 速率明显减小，并逐渐稳定，之后不管加载次数多大，