土动力学的发展现状及存在的问题.doc

土动力学的发展现状及存在的问题 韩烨（山东建筑大学，道路与铁道专业，2014150108）摘要; 阐述了土动力学的发展现状及研究进展，综述了目前土体动力本构模型、动力分析现状和进展。指出室内土动力测试的研究方向与重点是试验研究材料的扩大与延伸、复杂应力状态下土动力特性研究、小应变下土动力参数的求取及动力参数影响因素的探讨3个方面;对动强度与液化基本概念作了较深入的探讨。关键词; 动力本构模型；室内土动力测试;动力特性;动强度0 引言：中国位于世界两大地震活动带(环太平洋及喜马拉雅构造带）之间，地震区域广阔而分散，地震频繁而强烈。据历史记载,几乎中国各省都曾发生过破坏性地 震。20世纪全球发生的7级以上强震中，中国占35%， 有3次震级为8级以上的巨大地震发生在中国4。中国是世界上地震灾害最为严重的国家之一。地震使城市房屋、工业厂房与设备、城市建设、交通运输、水电设施及临近的水利工程遭受严重破坏。土动力学是土力学的一个分支，是研究动荷载作用下土的变 形和强度特性及土体稳定性的一门科学。作为一门发展中的学 科,近年来，无论是对土的动力性质的认识还是在工程中的应用， 都有了新的发现和进展。1 土体动力本构模型研究在实验室中以等幅等周期的循环荷载模拟地震动 荷载作用于土上，土在受周期荷载作用时，应力应变关 系不能以一条单纯的直线或曲线来表达，而是在每一个 荷载循环内表现为一滞回圈，如图1所示。若将土视为粘弹性体，则此滞回圈表达了粘弹性体的能量耗散。不 同荷载循环顶点(具有最大周期剪应力士 和最大周期 剪应变士XJ的连线称为骨架曲线，骨架曲线通常非常 接近于单调加载时的应力应变曲线。骨架曲线和滞回曲线分别反应了土在周期荷载作用下应力应变的两大特性，即非线性和滞后性。为了模拟这两大特性，国内外学者做了大量研究，提出了许多动本构模型来描述骨干曲线和滞回曲线。目前已提出的动本构模型主要分为3类，即粘弹性、弹塑性和内时动本构模型。目前，具体建立的动本构模型已多达数十个,大致可分为两部分，即粘弹性理论和弹塑性理论。1.1 粘弹性理论常用的粘弹性理论有等效线性模型和曼辛型非线性模型两大类。前者把土体视为粘弹性材料，不寻求滞回曲线(即描述卸载与再加载时应力一应变规律的曲线)的具体数学表达式，而是给出等效弹性模量和等效阻尼比随剪应变幅值和有效应力状态变化的表达式；后者则根据不同的加载条件、卸载和再加载条件直接给出动应力应变的表达式。在给出初始加载条件下的动应力应变关系式(骨干曲线方程)后，再利用曼辛二倍法 得出卸荷和再加荷条件下的动应力应变关系，以构成滞回曲线方程。HardinDmevich 模型、Ramberg Osgood 模型、双线性模型及一些组合曲线模型均属于等效线性模型。粘弹性理论是目前生产应用中的主流，尽管还存 在多方面的不足，如不能考虑应变软化、应力路径的影响、土的各向异性以及大应变时误差大等等。但它毕竟是试验结果的归纳，形式上也比较直观简单，经过适当的处理和改进后结合动力有限元程序，同样可以计算出循环荷载作用下土工构造物的孔隙水压力和永久变形的平均发展过程。1.2 塑性理论自20世纪70年代以来，对饱和砂土弹塑性动本构模型展开较为广泛的研究，所采用的途径一般有：1)采用单调加载条件下所建立的模型,选用较为复杂的硬化规律，如采用将等向硬化规律和运动硬化规律相结合的所谓非等向硬化规律或者允许边界面产生扩张或收缩运动。总的来说，这类模型与饱和砂土实际性状之间有较大差距。2)以其他形式的塑性理论为基础所建立的动本构模型，如采用塑性模量场理论、边界面理论、多机理概念的塑性理论等。基于这几种理论的塑性模型代表了目前循环荷载作用下土的本构理论研究现状与水平，该文在谢定义等归纳的基础上，结合新近的研究成果作了阐述。塑性硬化模量场理论的基本概念是:在应力空间中定义一个边界面和一个初始屈服面。边界面是初始加载过程中形成的相应于最大加载应力的最大屈服面，在边界面内侧有一簇套叠着的互不允许相交的几何相似屈服面，它们随塑性应变的产生和发展在边界面内以一定的规则依次产生胀缩和移动，来模拟材料的非等向加工硬化特性。其中每个套叠面以及边界面都代表有一定的硬化模量值，故这簇套叠面当前的相对位置既反映了材料过去的应力历史，又代表了应力空间中塑性硬化模量场当前的大小及其分布。当套叠屈服面在应力空间中随应力点的变化而平移和胀缩时，应力空间中的塑性模量场,即随着应力点的移动而不断变化，从而可描述土在循环荷载作用下的卸载非线性、再加载和反向加载时出现的不可恢复塑性变形的形象。基于上述思想所建立的塑性土模型，常称之为多面模型或多屈服面模型。他们模型的主要差别在于边界面与套叠面的形状及其移动规则以及硬化模量场的研究方法不同。上述多屈服面塑性模型为描述土体的真实特性提供了极大的普遍性和灵活性，但它们要求在数值计算时对每一个高期积分点所有屈服面的位置、尺寸及塑性模量进行记忆，对计算机的内存要求过高。为了避免在有限元计算时对应力空间中所有屈服面进行跟踪，一些学者提出了两面模型，即只采用初始加载面和边界面，在这两个面之间的套叠屈服面场用解析内插函数来代替，加载面上的塑性模量取决于加载面上的应力点与边界面上相应共轭点之间的距离。近代试验土力学深刻揭示了土在非比例加载下的重要变形特性，也暴露了经典弹塑性理论在描述中性变载、旋转剪切应力路径下土体变形时的无能为力。为此,20世纪80年代中期， Dafalias提出了边界面低塑性理论，即应力增量与应变增量的非线性理论。考虑到引人增量非线性将增加数值积分的困难,Dafalias将这种非线性限定在流动法则与应力增量方向的相关性上。1989 年,王志良在加里福尼亚大学发展了这一理论，建议了一个描述砂土旋转剪切特性的边界面低塑性模型。 20世纪80年代以来，国内在动力弹塑性模型方面也取得了长足的进展。沈珠江在借用理性力学及内时理论中的减退记忆原理和老化原理的同时，提出了塑性应变的惯性原理、协同作用原理及驱动应力等新概念，在此基础上建立了一个反映砂土在循环荷载作用下的广义弹塑性模型，数值模拟与多种应力路径下试验结果的对比表明了其合理性。谢定义及其课题组经过多年的不懈努力，建立了饱和砂土的瞬态动力学理论体系该理论体系的一个重要特点是将循环荷载下饱和砂土的应力、应变、强度及破坏视为一有机联系的发展过程,并针对这一过程的不同点提出反向剪缩、空间特性域、时域特性段及瞬态模量场具有理论和实际意义的新概念，开辟了对动强度变形瞬态变化过程进行定量分析的新途径。王建华等基于硬化模量场概念，对饱和软粘土的动力特性进行了弹塑性分析。徐干成等对饱和砂土的循环动应力应变特性进行了弹塑性模拟。陈生水等基于标准砂和粉煤灰两种典型无粘性土的试验研究，建立了一个描述无粘性土复杂应力路径下应力应变特性的弹塑性模型，强调塑性应变的大小和方向不仅与当前的应力状态有关，而且还决定于当前应力增量的方向。2 土动力学的测试技术2.1原位测试技术原位测试技术是土动力学的一个重要分支，是土动力学在工程应用方面的重大进展。目前在国内应用最为广泛的原位测试技术主要有以下几个方面。1)桩的动力测试:a.桩的完整性和质量检测;b.桩的承载力检测；2)地基的动力测试:a.动荷载试验法,类似于动测桩的共振法，它是在研究各类土的动、静模量比Ed/E0的基础上提出来的，然后根据规范规定的容许沉降S，定出各类地基的容许承载 力f0;b.类似于动测桩的动参数法，求出地基的抗压刚度系数Cz后，按动力基础设计规范反求f0;3)土层的波速测试:a.钻孔法;b.表面法2.2室内测试技术现代土动力学自1964年日本新泻(Niigata)地震和美国阿拉斯加（Alaskan)地震、1976年中国唐山地震后，受到了普遍高度重视及广泛深入的试验研究。査阅大量的文献资料，笔者认为近年来室内土动力测试的研究方向与重点可归纳为以下几点。2.2.1试验研究材料范围的扩大与延伸当前，室内动力特性测试所研究的材料，不仅局限于砂性土和细粒土，还涉及到黄土、膨胀土、冻土等各种 具有特殊性质的区域性土，并延伸至尾矿料、粉煤灰、海洋土及垃圾土等。例如:巫志辉等系统研究了陕北洛川标准剖面原状黄土的动变形和强度特性;王兰民等研究了饱和黄土的液化机理，建立了饱和黄土孔隙水压力和应变的增长模型，定量研究了黄土液化的主要影响因素;雷胜友等研究了非饱和膨胀土在长期重复荷载下的动应力应变关系、动强度特性及它们的主要影响因素；徐学燕等据大量的低温动三轴应力应变试验资料给出了冻土的动弹模、动泊桑比、动剪模、动阻尼比的数值及它们与冻土温度和振动频率的关系;王余庆等使用动单剪仪对大石河3种尾矿砂样的动特性进行了研究，成果已用于大石河尾矿坝的震害分析；周健等对某电厂灰坝采用粉煤灰作为筑坝排水垫层的可行性进行了研究，并对某灰渣坝在8度地震作用下的稳定性进行了三维有效应力动力分析;简连贵等采用共振柱试验，研究了初始剪应力对海外回填土壤动态特性的影响;周健等利用循环三轴试验，分别模拟交通荷载和地震荷载，对城市垃圾土的动模量和振动残余应变试验结果进行分析并给出了计算公式。2.2.2复杂应力状态下土的动力特性研究一般的动三轴仪以试件45斜面上应力模拟现场土的应力状态，不能真实反映地震时土的应力状态的复杂性。因此，一些学者使用循环扭剪仪模拟现场地震时的应力状态，研究土料的动力特性。例如:牛建新等1 使用国内研制的首台循环扭剪三轴仪研究了饱和砂的动强度和液化特性，系统地进行了等压无预剪固结、等压有预剪固结和偏压无预剪固结的不排水试验；王洪瑾等2利用空心圆柱扭剪仪，对瀑布沟心墙土料系统地进行了复杂应力状态下初始主应力偏转角0以及中主应力参数b对土动力特性影响的试验研究。初始主应力偏转角对土的动强度有不可忽视的影响。随着0的增加，动强度降低。与0= 0的常规动扭剪试验比较，在b=0.25接近平面应变条件下，破坏振次Nf=1030范围内，0 =70时动强度降低可达 30%。中主应力参数b对土的动强度也有影响，但影响程度相对较小。当b0.25时，动强度变化不大;当b =0.250.5时，动强度随b值的增加而明显降低，但降低值不超过9%。中主应力参数b和初始主应力转角对振动累积孔压有重要影响，当0定时，破坏孔压比随b值的增加呈抛物线增长;当b值一定时，随0增加呈线性增长。2.2.3小应变下土动力参数的求取无论是动力模型，还是静力模型(例如Duncan Chang模型），都定义初始动模量Ed0或动剪模量Gd0是d0的模量。土体此时处于弹性状态，因此是弹性模量或最大模量，即 Edmax=Ed0，Gdmax=GdO。Edmax和Gdmax是反映土动力特性的重要参数。但由于测量仪器的限制，常规动静三轴试验只能量测到d= 10-410-2, 应变趋于零时的最大弹性模量则由试验曲线外延至应 变为零处推求，因此求取的Edmax和Gdmax也是该应变水平的模量。但对大多数土体而言，该应变水平对应的已不是土体的弹性状态，求取的模量也就不是符合原本物理意义的初始模量。对于大多数土体而言，d= 10-6的 模量比该应变水平对应的模量高510倍。杨桂芳就静力本构模型及其参数对计算结果的影响作了详细研究，表明静力参数的变化对计算结果有显著影响3，而动力参数的变化更将成倍地影响计算结果。这就是国内近20年来提供的Gdmax数值相差较大、计算的变形等 结果明显或成倍地高于实测值的原因。因此，任何方法都必须是在足够小的应变条件下求取的Ed才能作为Ed0,这样才符合原本物理学定义的d0的Ed作为 Edo(Edmax)的要求。SL23701999土工试验规程推荐使用共振柱试验量测土体小应变范围的动模量和阻尼比。事实上，Hardin早在1972年就提出可由共振柱和现场波速法测求Gdmax，其后也有一些学者使用共振柱仪和动三轴联合测定全应变范围的动模量曲线，却无法克服试验点离散且衔接不好的缺点。因此，许多学者致力于小应变测量仪器的装置研究和改进。例如，何昌荣1994年使用自制的电阻式应变仪，对10多项工程较准确地量测到d=10-610-2,从而求得微应变下的动模量。2.2.4动强度和液化及动力参数影响因素的探讨人们对土动强度的认识是不断变化和发展的，严格地讲，关于土动强度的研究，迄今还不完善。汪闻韶将动力荷载分为冲击和循环两大类，详细论述了动力作用下土的强度问题。现今一般定义土的动强度为一定振次Nf(定时间）下，使土体达到某一破坏标准所需的动应力幅值。因此土的动强度与振次和破坏标准密切相关。破坏标准有孔压和变形两类:孔压标准又有极限平衡标准为临界孔隙水压力）和液化标准两种，变形标准可根据实际工程设计的需要选用215%，510%或 1010%。衡量一个土体是否破坏的标准，因情况而异，尤其在动力作用下的破坏标准，更有其特殊性4。液化实质上是动强度问题，但它因具有强度丧失的急剧性和突发性特点，而不同于一般的动强度问题。美国土木工程师协会岩土工程分会土动力学专业委员会对“液化”一词的定义是:“液化是使任何物质转化为液体状态的行为或过程。就无粘性土而言,这种由固体状态变为液体状态的转化是孔隙水压力增大和有效应力减小的结果”5。在对土体的液化稳定问题做定量分析研究时， 主要有“临界孔隙比”概念和“初始液化”概念。前者以 Casagrande为代表，其基本出发点是剪切过程中，密砂 剪胀，松砂剪缩，因此必然存在一临界孔隙比，在剪应力作用下体积不发生变化。若砂土层的孔隙比大于临界 孔隙比，那么地震作用会使砂土层的体积减小，在不排水条件下孔隙水压力就会增高，可能发生液化破坏。后来，Casagrande 和 Castron重新调整了 Casagrande 提出的“临界孔隙比”的概念和试验方法，进一步提出了 “稳态抗剪强度”(steady2state shear strength)的概念， Poulos、Castro等的工作都可以说是这方面研究的深入与继续。后者以Seed和Lee12为代表，他们以动荷作用下饱和砂土的孔压值为依据，认为孔隙水压力上升至 围压时为“初始液化”。从液化的应力状态出发，强调液化标志着土的法向有效应力等于零，土不具有任何抵抗剪切的能力。我国近年来的液化研究工作基本上接受并沿承了此种观点。另外，谢定义6认为应避免在液化用词涵义上无味纠缠，可以将土体处于液化应力条件 的状态称为液化应力状态(简称液化状态），将土的结构破坏、孔隙水压力上升、强度降低的整个过程称为液化发展过程(简称液化过程），将现场喷砂冒水、大幅度滑 流、土中建筑物上浮与地表建筑物下陷等现象称为液化宏观现象(简称液化现象)。这样，液化状态即为液化过程充分发展的结果且液化现象是液化过程中各种因素影响下发生的表现特征。影响饱和土抗液化特性的主要因素有:土性条件，主要指土的密实程度和颗粒特征;起始应力条件，指动荷载施加前土体所承受的静应力状态，若为偏压固结，主要指固结应力比或初始剪应力的影响;动荷条件，指动荷波形、振幅、频率、持续时间及作用方向 等7,8。动模量阻尼比的影响因素有1315个9，其中 4个主要影响因素是动应变幅、固结围压力、固结主应 力比或初始剪应力、孔隙比或相对密度，另外不同土类、 粒径大小和级配、加荷频率和周次及饱和度等因素也有定程度的影响对动强度和液化及动模量阻尼比的影响因素及各因素的影响程度，众多学者对不同土类展开了大量研究，但需指出的是，某些因素对土的影响并未形成一致结论，而且对于不同的土类，某些因素的影响也不尽相同，例如振动频率对粘性土的动力特性及动孔压发展变化的影响。因此，为获得准确可靠的土动力参数，并为今后的试验研究工作奠定基础，有必要对各影响因素作进一步探讨。3. 结论经过各国学者的艰苦努力，土动力学这门学科已取得了令人瞩目的成果，在工程实践中发挥了愈来愈大的作用。该文简要叙述了土体动本构模型、动力分析