（岩土工程专业论文）粘土砂土分层复合试样动力特性试验研究.pdf

硕l j 学位论艾 摘要 天然地层大多数情况下都是成层分布的。在实际工程中，为得到关心的场 地动力特性，往往要对各分层土分别取样进行土的动力特性试验，并依据此试 验结果通过波动理论或者集中质量模拟推算其他动力特性参数，甚至对复杂情 况必须采用有限单元法进行计算天然场地可供设计应用的动力特性参数。工程 建设中，在进行场地处理时，有时需要对场地地基采用挖除换填等方法，此时 为合理地确定一个既经济又安全的换填量，需要通过试验得到复合后土的动力 特性。 本文正是在这种背景下结合湖南省建设厅“地基基础上部结构动力相互 作用研究”课题，在室内设计制备粘土一砂土分层复合试样，与纯砂土试样及 纯粘土试样分别在三个不同围压( 皿= 1 0 0 k p a 、皿= 2 0 0 k p a 、以= 3 0 0 k p a ) 以及 不同固结比( 疋= 1 0 及k 。= 1 5 ) 的条件下，进行振动三轴试验，对试验成果进 行比较分析，得到分层复合试样与砂土试样、粘土试样动力特性的规律，认识 了三者之间的差异性并得到计算复合试样动力参数的简便计算公式。 从试验结果知道，在三种试样中，分层复合试样在滞回圈性状、骨干曲线 形态、动模量及阻尼比等动力特性都表现出与粘土试样较为接近的特性。表明 在分层复合试样中，砂土和粘土两种组分对复合试样动力特性的贡献权重不一 样，粘土试样的影响因子要大得多。现实工程情况，在成层地基中，粘性土层 相比砂土层对整个地基的动力特性参数影响较大。 试验研究得到的结果可对工程抗震和地基处理提供具有实际指导意义的 依据，也可为进一步理论分析提供验证资料。 关键词：动三轴；分层复合试样；动力特性；滞回圈；骨干曲线；动模量； 阻尼比 粘f ：砂十分层复合试样动力特忡研究 a b s t r a c t n a t u r a ls t r a t u mi sd i s t r i b u t e d m o s t l y i ns t r a t i 6 c a t i o n i n r e a l p r o j e c t s ，t h e d y n a m i c a lc h a r a c t e ro ft h ep a r t i c u l a rg r o u n di sn e e d e dt ob ei d e n t i n e d ，t h e r e f o r e e x p e r i m e n t a t i o n sa b o u tt h ec h a r a c t e r so fd i f f e r e n te a r t hl a y e r sh a v et ob ei d e n t i f i e d t h r o u g h r e l a t e d s a m p l i n gs e p a r a t e l y a c c o r d i n g t ot h er e s u l t sf r o mt h o s e e x p e r i m e n t a t i o n s ，o t h e rp a r a m e t e r so nt h ed y n a m i c a lc h a r a c t e r sa r er e c k o n e dw i t h v a r i a t i o nt h e o r yo rl u m p e dm a s sm e t h o d ，a n de v e nt h ea p p l i c a b l ep a r a m e t e ro nt h e d y n a m i c a lc h a r a c t e r so fn a t u r a ls t r a t u mi sn e e d e dt ob ec a l c u l a t e dt h r o u g hf i n i t e e l e m e n tm e t h o di nc o m p l i c a t e ds i t u a t i o n s b e s i d e s ，t h ed e s t i n e ds i t es h o u l db et r e a t e d w i t hc h a n g i n ga n df i l l i n g ，t h u st h ed y n a m i c a lc h a r a c t e r so ft h ee a r t hr e f i l l e ds h o u l d b ei d e n t i f i e di no r d e rt om a k et h eq u a n t u mo ft h er e f i l l i n ge c o n o m i c a la n ds e c u r e w i t hs u c hb a c k g r o u n da n di n l i n ew i t ht h ec u r r e n tr e s e a r c ht o p i c s t u d yo nt h e d y n a m i c a li n t e r a c t i o nb e t w e e nb u i l d i n g ss u p e r s t r u c t u r ea n df o u n d a t i o nb yt h e c o n s t r u c t i o n d e p a r t m e n t o fh u n a np r o v i n c e ，t h i sd i s s e r t a t i o nd e d i c a t e st oh o l d d y n a m i ct r i a x i a le x p e r i m e n t a t i o n ss e p a r a t e l yo nt h r e ek i n d so fi n d o o rp r e p a r a t i o n c l a y s a n dl a y e r e dc o m p o s i t es a m p l e ，t h es a m p l eo fs a n da n dt h es a m p l eo fc l a yi n c o n d i t i o n so fi n d i f l e r e n tc o n 行n i n gp r e s s u r e ( 吒2 1 0 0 k p a 、 2 2 0 0 k p a 、q 2 3 0 0 k p a ) a n di n d i f 琵r e n tc o n s o l i d a t i o nr a t i o s ( ，c = 1 oa n dk 2 1 5 )，t h u st h el a wo nt h e d y n a m i c a lc h a r a c t e r so ft h et h r e es a m p l e sb e i n gg a i n e da n dt h e i rd if f e r e n c e sb e i n g r e c o g n i z e ds i g n i f i c a n t a n t l yt h r o u g hc o n l p a r a t i v ea n a l y s i so ft h ee x p e r i m e n t a t i o n r e s u l t s p r o v e db yt h ee x p e r i m e n t a t i o nr e s u l t s ，s a n d c l a y1 a y e r e dc o m p o s i t es a m p l ei s s i m i l a rt ot h es a m p l eo f c l a y i ns u c hd y n a m i c a lc h a r a c t e r sa st h ec h a r a c t e ro f h y s t e r e s i sl o o p ，t h ec o n f i g u r a t i o no ft h eh y s t e r e s i sl o o p s ，d y n a m i cm o d u l u sa n d d a m p i n gr a t i o ，i n d i c a t i n gt h a ts a n da n dc l a yh a v ed i f f e r e n td e g r e e so fc o n t r i b u t i o nt o t h ed y n a m i c a lc h a r a c t e r so fs a n d - c l a yl a y e r e dc o m p o s i t es a m p l e ，w i t ht h es a m p l eo f c l a yh a v i n gl a r g e rd e g r e eo fi n f l u e n c e s a c t u a l l y ，i ns t r a t i f i e ds i t e ，c l a yl a y e rh a sa l a r g e rd e g r e eo fi n n u e n c eo nt h ep a r a m e t e ro ft h ed y n a m i c a lc h a r a c t e r so ft h ew h o l e g r o u n d s i l lt h a nt h es a n dl a y e r t h ee x p e r i m e n tr e s u l t sa r ee x p e c t e dt op r o v i d ep r a c t i c a lg u i d a n c ef o rt h es e i s m i c w o r ki nt h et r e a t m e n to ft h es i t ei n r e a lp r o je c t sa n dv a l i d a t i n gd a t af o rf h r t h e r t h e o r e t i c a la n a l y s i sa sw e l l 顾l j 学化论丈 k e yw o r d s ：d y n a m i ct r i a x i a lt e s t ；l a y e r e dc o m p o s i t es a m p l e ；d y n a m i c a l c h a r a c t e r i s t i c s；h y s t e r e s i sl o o p s；s k e l e t o nc u r v e；d y n a m i cm o d u l u s ； d a m p i n gr a t i o i v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： 文 同期f 月敌f 同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权湖南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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期 日期 们帝， 月 月 r ， 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 土动力特性研究的意义 地震( e a n h q u a k e ) 是指地球内部缓慢积累的能量突然释放或人为因素引起 的地球表层的振动，同火灾、水灾、风灾、滑坡、泥石流一样是人类面临的主 要自然灾害。在过去的5 0 0 年里，有多达7 0 0 多万人死于地震造成的各种危害， 还有数百万人亲眼目睹自己的生活来源和地方经济被摧毁。世界范围内发生的 重大地震1 3 次，其中1 9 7 6 年7 月2 8 日发生在我国的唐山大地震是迄今为止 4 0 0 多年世界地震史上最悲惨的一页。唐山地震的震中位于唐山市内，震源深 度1 2 公里，极震区以唐山为中心向四面延伸，约4 7 平方公里。地震产生的强 烈振动使唐山市遭受了极其严重的破坏，唐山市老区多为老式单层民房，震后 变成一片瓦砾。新市区大多是砖混结构多层建筑，几乎倒塌殆尽，钢筋混凝土 框架结构的高层建筑也未能幸免。铁路轨道发生蛇形扭曲或由于路基下沉而呈 波浪式起伏，地表产生宽大裂缝，桥梁普遍塌毁，地震构造裂缝延伸达8 公里， 裂缝带附近的强震波及我国东部的广大地区。本世纪以来，世界各地也发生了 多次重大地震。如2 0 0 3 年1 2 月2 6 日，伊朗东南部克尔曼省巴姆地区发生里 氏6 3 级强烈地震，造成至少3 万人死亡、5 万多人受伤。地震使位于古丝绸 之路的巴姆古城的7 0 住宅被夷为平地。2 0 0 4 年10 月2 3 日，日本新渴县发 生里氏6 8 级地震，随后又发生多次较强余震，造成至少3 5 人死亡、2 0 0 0 多 人受伤和重大财产损失。2 0 0 8 年5 月1 2 日中国汶川发生8 0 级地震，造成直 接经济损失达8 4 5 1 亿人民币。在此次地震造成的损失中，房屋的损失非常大， 民房和城市居民住房的损失占总损失的2 7 4 。包括学校、医院和其他非住宅 用房的损失占总损失的2 0 4 。另外还有基础设施，道路、桥梁和其他城市基 础设施的损失，占到总损失的2 1 9 ，这三类是损失比例比较大的，应该说7 0 以上的损失是由这三方面造成的。 可见，随着城市现代化与经济的高速发展，地震作用释放出的巨大能量不 但直接造成建筑物及设施的大量破坏，而且其次生灾害造成的损失也十分巨 大。地震所造成的巨大破坏促使从事地震工程的研究人员和岩土工作者必须进 行更为深入的研究，充分利用现有地震调查资料，最大限度地运用现代试验技 术、分析方法和计算理论对现有和即将建设的工程建筑物及设施的抗震性能进 行准确评估和预测，进而指导抗震设计并采取必要的减震防灾措施i l 】。 我国地处环太平洋地震带和喜马拉雅一地中海地震带之间，是一个多地震 粘十砂十分层复合试样动力特件研究 的国家，本世纪以来多次发生强烈地震，如唐山地震、海城地震、邢台地震、 营口地震、云南武定县地震和四川汶川地震给人们造成了重大的生命和财产损 失，对人民的生存和发展造成了严重的威胁。近年来，我国大陆发生的地震有 增多的趋势，且具有强度大、频率高、震源浅的特点。正由于地震对人类生活 的巨大破坏力，长期以来，人们一直在以不同的方法探寻其内在的规律性以及 对人类生存环境的影响，并试图减弱其影响，防震减灾工作越来越受到重视。 地震动是造成地面破坏的外因，场地条件是保持场地稳定的内因，场地条件显 著影响着地震动的工程特性并进而影响着震害的程度与分布。众所周知，由于 场地土的地质条件不同，地震作用下会产生明显不同的动力反应，因此场地土 的动力特性对场地土地震反应有很大影响。场地条件对地震反应及震害程度的 影响十分敏感，已引起地震及岩土工程界专家的日益关注，研究场地土动力特 性与地震反应分析对工程选址、结构设计、地基处理等方面都具有重要的指导 和应用意义。 土动力学问题是土工基础的一项重要内容。多年来，世界各国学者在土石 坝、挡土结构物、地下结构物、地铁和隧道、高层建筑物的抗震稳定方面取得 了大量的研究成果，推动了土动力学及地震工程学的研究和发展。除地震作用 下土及土结构物动力特性的研究之外，地基土在其它动力荷载作用下的强度 及变形问题也得到极大的重视，如机器基础的振动，近海结构物在波浪荷载作 用下的动力响应分析，输电线路基础、高层建筑物基础、大型桥梁基础在风荷 作用下的稳定问题，软基上路堤在交通荷载作用下的变形问题，油罐地基在充 水、排水的反复加卸荷作用下的稳定和变形问题等。可见，现阶段对土在各种 动力荷载作用下力学性状的研究仍具有十分重要的学术意义和工程意义。 1 2 土动力特性研究的情况 动力荷载作用下岩土介质力学特性的研究由来已久。早期的研究主要集中 在爆炸冲击荷载、地震作用、机器基础的振动等诸方面。如3 0 前后日本、德 国、苏联开展的机器基础振动设计方面的系统研究。c a s a g r a n d 、t a y l o r 和 w h i t m a n 则研究了应变速率对土强度的影响。关于砂土液化，c a s a g r a n d 曾试图 用临界孔隙比的概念解释砂土的液化现象。后来s e e d 和l e e 以孔压值作为判断 砂土是否发生液化的依据，并提出其后被广泛引用的“初始液化 的概念。上 世纪7 0 年代，c a s a g r a n d 重新调整了以前提出的“临界孔隙比 的概念和试验 方法，提出“流动结构 的概念【5 1 。我国学者黄文熙、汪闻韶从五六十年代起 即对土的动力强度和液化特性进行了系统而深入的研究。 上世纪7 0 年代，随着近海重力式石油平台的大量兴建，研究者们的注意 力集中在波浪等周期荷载作用下砂土液化的可能性和液化强度等问题，后来又 硕上学位论文 注意到了孔隙水压力消散的影响。另一方面，周期荷载作用下粘性土性状的研 究也取得较多的成果，a n d e r s e n 等人应北海重力式石油平台建设的需要曾对 d r a m m e n 粘土进行了系统而广泛的研究，分析了诸如试验方式、剪应力幅值、 超固结比等因素的影响，而m a t s u i 的研究则较多的关注了孔隙水压力的发展变 化，分析了残余孔压与剪应变之间的相互关系以及循环荷载作用历史对剪切特 性的影响。b a l i 曲曾给出一个较为完善的循环荷载作用下的固结理论。低路堤 在交通荷载作用下的变形特性也早已引起人们的重视。较早的如s e e d 及其同事 们的工作，后来k a w a k a m i 和o g a w a 、y a m a n o u c h i 和a o t o 以及l u o 等也继续 了这项工作。进入8 0 年代，这项工作进一步深入，y a s u h a r a 等提出了一个排水 循环荷载作用下土体变形的近似预测方法，f u j i w a r a 的研究则集中在排水条件 下考虑固结影响的变形计算。 近年来，各国学者从不同的方向对土动力学进行了深入研究【5 】。这些研究 的主要内容包括：土的动力特性和本构关系、地震液化势与地面破坏、动土压 力和挡土结构的抗震设计、土结构动力相互作用、土坡和土坝的抗震稳定性、 周期或瞬态荷载作用下的变形和强度问题等方面。其中，土的动力变形和强度 特性及本构关系模型是土动力学研究的基本问题，土的动力响应分析理论和计 算方法是进行场地地震危险性评价与土石坝、土坡乃至尾矿堆筑体和废弃物填 埋体及其加固所采用的主要手段之一。土与结构的动力相互作用问题是地震工 程中最重要的方面，由于涉及到上部结构、下部地基及其组成材料和远场地面 运动等多种因素，是结构动力学和土动力学中最为复杂的课题，一直引起结构 工程师和岩土工程师的注意。 在以往的地震反应分析中，地震作用一般以水平剪切为主，因此按s e r f f 假设可以将水平面近似作为最大剪应力作用面，地震产生的破坏就是在这些水 平动剪应力作用下产生的。然而日本阪神等地震的破坏形式表明竖向地震作用 产生的破坏是相当大的。19 9 5 年1 月17 日发生日本阪神大地震中，有许多结 构的破坏是由于竖向地震作用引起的。例如，地震对开挖式施工的地铁工程就 造成了严重的震害，有的因柱子被压碎而造成地面塌陷。日本大林组技术研究 所对三宫段尚未压坍的结构进行了分析，结果表明，柱子中间部位破坏，显然 是由竖向地震造成的。可见，在以往的抗震设计中，只考虑水平剪切的作用， 对工程抗震设计是不够安全的。这方面已引起学者们的重视。 关于土的动力性质及其基本理论可以概括为以下两个方面。 1 2 1 土的动力特征及其描述 建筑物地基和土工建筑物在动荷载作用下发生振动，土的强度和变形特性 都要受其影响，不仅表现出与静荷载作用下不同的特性，而且还因动荷载的加 粘十砂十分层复合试样动力特件研究 荷速率和加荷次数表现出显著的强度及变形差异。 动荷载作用下的应力一应变关系是表征土动力性质的基本关系，也是分析 土体动力失稳过程等一系列特性的依据。由于土具有明显的各向异性，加之土 中水的影响，使土的动力应力应变关系表现出非线性、滞后性及变形积累等 三种特征。骨干曲线表示最大剪应力与最大剪应变之间的关系，反映了动应力 应变的非线性；滞回曲线表示某一个应力循环内各时刻剪应力与剪应变之间的 关系，反映了应变与应力的滞后性。骨干曲线与滞回曲线共同反映了土体应力 一应变全过程。 实际应用中需要用某种数学或物理的模型来描述土在动荷载作用下的应 力一应变关系。动剪切模量与阻尼比是两个很重要的表征土动力性质的参数。 土在动力荷载作用下的变形特性受很多因素影响，在应变值很小时( 1 0 _ 4 ) ， 可作为弹性变形，常用弹性波速法和共振柱试验测定动剪切模量与阻尼比；当 应变值较大时( 1 0 - 4 ) ，非线性变形性质表现显著，用周期循环加载试验测应 力一应变曲线来确定动力参数。 影响土的动剪切模量与阻尼比的主要因素有剪切应力幅值、平均有效应 力、孔隙比、周期加载次数，此外还有周期荷载的频率、饱和度、超固结比、 土粒特性、土的结构性等因素。各种主要因素对剪切模量及阻尼比的影响规律 大致如下： 在很大的应变范围内，土的动剪切模量g 与平均有效应力的幂函数成线 性关系，但对不同的剪应变，l g g l g 曲线有不同的斜率。剪切模量随着剪应 变的增加而减少，对于不同的土，曲线斜率也不同。粘性土的剪切模量除了与 平均有效应力、孔隙比、剪应变有关外，还受超固结比影响，并且表现出时间 效应，即粘性土试样在固结已经完成后的次固结阶段，随着时间增长，剪切模 量会继续增长。 地基及土工结构振动时，阻尼有两类：一类是逸散阻尼，由于土体中积蓄 的振动能量以表面波和体波( 包括剪切波和压缩波) 向四周和下方扩散引起； 另一类是材料阻尼，由土粒间的摩擦、孔隙水和空气的粘滞性引起。在用有限 元法进行地震响应分析中，已经考虑了振动能量的扩散，故仅采用材料阻尼。 无粘性土的阻尼比受有效应力的影响明显，粘性土的阻尼比随着塑性指数的增 加而降低，随着时间增长而减少。各种土的阻尼比都随着剪应变的增加而增加。 1 2 2 地基土的液化问题 自1 9 6 4 年日本新泻地震和美国阿拉斯加地震以来，液化问题得到了逐步 认识和日益重视。液化是造成场地地震损害的首要原因之一，地震引起的地基 失事约5 0 起因于液化。美国土木工程师协会岩土工程分部土动力学委员会对 硕上学位论文 “液化”的定义是：任何物质转化为液体的行为和过程。就无粘性土及粘粒含 量较少的粉土而言，这种由固态向液态的转化是孑l 隙水压力增大而有效应力降 低的结果。地基土的液化主要受土性条件、初始应力条件、动荷载条件、排水 条件等因素的影响。目前，一般将土的液化机理概括为砂沸、流滑和循环流动 性三种形式。 判定地基土的液化可能性，是对比促使液化方面和阻抗液化方面的某种代 表性物理量的相对大小而作出判定的。c a s a g r a n d ( 19 3 2 年) 提出了临界孔隙比 法，认为存在一个剪切破坏时体积不发生变化，既不压缩也不膨胀的密度，其 相应的孔隙比就是临界孔隙比。m a c j i o b h h ( 1 9 7 0 年) 提出了临界加速度法。 s e e d ( 1 9 7 1 年) 提出的抗液化剪应力法，是目前国内外广泛应用的方法。使用 该方法的关键是正确确定地基地震剪应力响应过程及地基土的抗液化应力。 近年来，对地震液化的研究表现出一些新的特点： a 与以往注重实验室工作相比，近期更侧重于实例分析、现场研究； b 与过去强调孔压上升规律研究相比，自由场地的地面变形估计和液化对 建筑物及生命线设施的影响愈来愈受到重视； c 离心模型试验已成为一个主要且行之有效的工具，可实用于研究液化机 理，并可以对地面变形和液化影响各种结构设施进行定量评价； d 基于随机理论对液化破坏进行可靠性评估这是个新的研究方向，大多数 学者从两方面入手，一是从地基土性的空间变异性和试验参数的不确定性进 行，另一个是从地震发生及地震激励的随机性进行，但能够将二者结合起来的 研究成果至今不多。 另一方面，土的动力特性测试技术也得到较大发展。土动力测试技术可分 为原位的和室内的。原位测试技术包括：震法勘测( 跨孔法是其中之一) ； 采用振荡器的表面波测试法；低频循环加载测试法；动力旁压仪测试法； 根据地震记录，用反演分析法计算；此外还有一些简便易行的方法如，s p t 试验、c p t 试验、地震静力触探试验( s c p t ) 、电测技术等。 工程设计中最主要的动力参数是动剪切模量和阻尼比。现场测定动剪切模 量的方法较多，但由于现场取样扰动，一般现场测定值比室内测定值偏大。地 层波速度是推算动剪切模量的重要参数，其原位测试技术近3 0 年来迅速发展， 已提出的方法有：跨孔法、下孔法、上孔法、孔内法、孔底法，折射波法、反 射波法、稳态振动法、瞬态振动法( s a s w 法) 。 室内测试技术包括：循环三轴试验。利用与静三轴试验相似的轴对称 应力条件，通过对试样施加模拟的动主应力，同时测得试样在动荷载作用下所 表现出的动态响应，根据这几方面指标的关系，推算岩土材料的各项弹性参数 及粘弹性参数，以及试样在模拟某种实际振动的动应力作用下所表现的性状。 粘十砂七分层复合试样动力特性研究 振动剪切试验。地震作用引起地基土的动力变形，主要是由于从下卧层向上 传播的剪切波引起的。为了模拟这种动力条件，上世纪7 0 年代以来相继出现 了振动( 盒式) 单剪仪和振动扭剪仪。共振柱试验。根据共振原理对圆柱形 试样施加激振，改变激振频率使试样产生共振，并借此推求试样动弹性模量及 阻尼比等参数。共振柱试验是无损试验技术，其优越性表现在试验可逆、可重 复，从而可以得到稳定的测试数据。振动台试验是上世纪7 0 年代发展起来 的，最初应用于研究土层液化性状的大型室内动力试验振动台试验。它可以模 拟现场e 条件的大型均匀试样，也可以模拟地层受剪切波作用的现场动应力条 件，并可直接观测孔隙水压力及振动变形。离心模型试验。采用模型试验方 法，需将原型岩土体的尺寸按一定几何比例缩小为模型后，再对其按所要求的 相似条件选定材料，施加荷载，测定出应力、应变，最后反算到原型。要寻找 能够完全满足各种相似条件的材料往往很困难，而若选用与原型相同的材料， 又会歪曲原型的实际性状。9 0 年代以来，国内外拥有动力离心模型试验的研究 机构迅速增多。仅欧美、日本等国已拥有2 0 多台动力土工离心模型试验机。 1 3 岩土动模量和阻尼比研究的重要性 岩土的动模量和阻尼是岩土动力学特性的首要参数，是土层和地基地震反 应分析中必备的动力参数，也是场地地震安全性评价中必不可少的内容【2 4 】。 为了确定土的动模量和阻尼比，国内外许多学者进行了较广泛的研究，并取得 了许多有价值的研究成果。土的动模量和阻尼比分析虽然十分重要。但是由于 土本身的多变性及仪器设备水平等原因，使这一问题研究起来很复杂。其中， 考虑到地震这类动荷载作用下土体的变形和破坏特点，研究动剪切模量阻尼具 有特殊重要的意义。 岩土动模量和阻尼的重要应用之一是土体地震反应分析，其合理性和可靠 程度对土层地震动的分析结果将产生显著的影响。其中，土的非线性是影响土 层反应分析结果的主要因素之一，其重要影响己经成为公认的事实。对重要工 程，土的动模量和阻尼需通过试验获得，无试验资料时，也可通过规范中提供 的参考值得到。国内的一些规程、规范和论文给出了各类土的动模量和阻尼比 与剪应变的推荐关系，从曲线形状到定量上有较大差别，有些差别颇大，而这 种差别对土层反应分析中地表加速度和反应谱的计算结果有很大影响，有些甚 至不可接受，己给工作造成了很大误导。因此，必须对目前国内外试验结果进 行更系统分析和更深入的研究，给出符合客观实际情况的合理的土动力学参 数，供无试验资料和修订规范时使用。 硕士学位论文 1 4 选题背景及内容 振动三轴试验是室内研究土动力特性的有效手段，试验试样只要严格符合 制作要求，通过振动三轴试验，就可以得到不同试样的动力特性。从这个原则 出发，发展了通过室内试验对复合地基动力特性的研究，近段时间的研究成果 主要有：f a h o u m 对三种采用石灰处理粘土的动力特性作了试验研究【6 1 ；陈善民 通过动三轴和共振柱试验对水泥土的动力特性进行了研究【7 1 ；候永峰研究了循 环应力比等因素对水泥土复合试样轴向应变的影响【8 1 ；蔡袁强通过动三轴试验 研究了水泥土复合试样的动模量和阻尼比的变化规律，提出了一种简单实用的 计算复合试样动模量和阻尼比的方法【9 】。 地震对建筑物的破坏作用是通过场地、地基和基础传递给上部结构的；同 时，场地与地基在地震时又支承着上部结构，因此具有双重作用。任何一个建 筑物，都坐落和嵌固在建设场地的岩土地基上。研究场地和地基在地震作用下 的反应及其对上部结构的影响，正是抗震评价的重要任务。而由于天然场地其 地层大多数情况下都是成层分布的，在实际工程实际中，需要得到场地的动力 特性，此时需要对各分层土分别取样进行土的动力特性试验，分别得到不同土 层的动力特性，再通过波动理论或者集中质量模拟进行推算，甚至对复杂情况 必须采用有限单元法进行计算，得到天然场地可供设计应用的动力特性参数。 另外，在选择建筑场地时，应根据工程需要，掌握地震活动情况和工程地质的 有关资料，作出综合评价，尽量选择有利的地段、避开不利的地段，但有时候， 由于各方面的限制，并不能完全避开不利的地段，而需要在其上进行工程建设， 此时，就需要对场地地基采用挖除换填等方法进行处理【l0 1 ，这种情况下，为了 求得一个既经济又安全的换填量，也需要得到不同土的动力特性。 本文正是在这种背景下，依托湖南省建设厅“地基基础上部结构动力相 互作用研究 课题，设计粘土一砂土分层复合试样，与纯砂土试样及纯粘土试 样在三个不同围压( 以= l o o k p a 、m = 2 0 0 k p a 、正= 3 0 0 k p a ) 以及不同固结比 ( 疋= 1 o 及疋= 1 5 ) 下的试验条件下进行振动三轴试验，对试验成果进行比较 分析，研究分层复合试样与砂土试样、粘土试样在动力特性上的规律。 粘十砂十分层复合试样动力特性研究 第2 章土在动荷载作用下的应力应变关系及液化 土的动应力一应变关系( 动力本构模型) 是了解土体在动力荷载作用下土 体和土一结构动力特性的基础，也是利用数值计算手段( 如有限元法、边界元 法) 进行动力及稳定分析的前提条件。 2 1 土的动应力一应变关系的基本特点 土是由土颗粒所构成的土骨架和孔隙中的水和空气组成的，由于土颗粒之 间连接较弱，土骨架结构具有不稳定性，故只有当动荷载及变形很小时，土颗 粒之间的连接几乎没有遭到破坏，而土骨架的变形能够回复，并且土颗粒之间 相互移动所损耗的能量也很小时，才可以忽略塑性变形，认为土处于理想的粘 一弹性力学的状态。随着荷载的增大，土颗粒之间的连接逐渐破坏，土骨架将 产生不可恢复的变形，并且土颗粒之间相互移动所损耗的能量也将增大，土越 来越明显的表现出塑性性能。当荷载增大到一定程度时，土颗粒之间的连接几 乎完全破坏，土处于流动或破坏状态【l l 】。 土在动力荷载作用下的变形常常包括弹性变形和塑性变形两部分。动力荷 载较小时，主要表现为弹性变形，而当动力荷载增大时，塑性变形逐渐产生和 发展。因此，当土在小应变幅情况下工作时( 如机器基础的振动等) 土将呈现 出近似弹性体的特征。这种小应变幅的应力一应变特性，控制了波在土中的传 播速度，是确定地基及基础动力反应的主要因素。但是，当动应变幅增大时， 如地震、爆破和压密施工等，动荷将会引起土结构的改变，从而引起土的残余 变形和强度的丧失，在这种情况下，土的动力特性明显不同于小应变幅的情况。 此时，除了需要研究强度和变形的规律外，对于饱和砂土( 包括饱和的轻亚粘 土等) ，还必须考虑印结构破坏以及孔隙水压力的迅速增长而出现强度突然丧 失的现象( 即所谓振动液化现象) 。所以，对于动荷作用下土的动力性能问题， 必须首先区别小应变幅和大应变幅两种不同的情形。 另外，由于土具有明显的各向异性( 结构各向异性、应力历史的各向异性) ， 加上土中水的影响，使土的动应力应变关系表现得极为复杂。土在周期荷载作 用下的动应力应变关系有三个基本特点，即非线性、滞后性以及变形积累【1 1 】。 2 1 1 非线性 土的非线性可以从土的骨干曲线的实测资料反映出。沿途中初始剪应力为 零的平面上施加周期剪应力作用，则在一个周期内的应力应变关系曲线将形成 一个滞回圈。绘出不同幅值下周期应力和周期应变的关系曲线，则所得各应力 8 硕士学位论文 应变滞回圈顶点的轨迹被称为土的应力应变骨干曲线。骨干曲线表明了最大剪 应力和最大剪应变之间的相互关系，反映了应力应变关系的非线性，也反映了 土的等效变形模量的非线性。 2 1 2 滞后性 土体应力一应变关系中的滞回圈则表明了某一个循环内剪应力和剪应变 之间的相互关系，反映了应变对应力的滞后性，表现着土的粘性特性。由于阻 尼的影响，应力最大值与应变最大值并不同相位，变形滞后于应力。 2 1 3 变形积累性 由于土体在受荷过程中会产生不可恢复的塑性变形，这一部分变形在循环 荷载的作用下会逐渐积累。即使荷载大小不变，随着荷载作用周数的增加，变 形愈来愈大，滞回圈中心不断朝一个方向移动。滞回圈中心的变化反映了土对 、荷载的积累效应，它产生于土的塑性即荷载作用下土的不可恢复的结构破坏。 变形的积累效应也包含了应力应变的影响。 土的动应力一应变关系，也并不是简单的表现为这三个特性的组合。土的 各种特性之间有着特定的依赖关系。对简单问题，可以将这三者分别加以考虑 得到土的动本构关系，它可以在一定的范围内取得足够精确的结果。但对于复 杂问题而言，就必须将这三者联合考虑，才有可能得到满意的答复。 2 2 应力应变关系的力学模型 从土受力后的表现可以抽象出以下三个基本力学元件( 即弹性元件、粘性 元件和塑性元件) ，并且可用这三个元件的组合来近似地描述土的力学性能。 如果在上述每种力学元件上作用的应力为循环动应力，即= 吒s i i l 耐， 则可以看出，对于弹性元件，动应力应变关系为过原点的一条斜直线( 如图 2 1 a ) ，直线的斜率取决于弹性元件的弹性模量e ，应力应变曲线内的面积等于 零。对塑性元件，动应力应变关系为一个矩形( 如图2 1 b ) 。因为i i ，当 i i 时，动应变乞= o ，而当f l = 时，毛不定。当荷载转向卸载时，动 应变白即保持不变。应力应变曲线内的面积为4 白。对于粘性元件( 如图 2 1 c ) ， = 呜= c 警 ( 2 1 ) “ = 吒s i i l 耐 ( 2 2 ) 白= 三h 出= 三h s i i l 础= 一生c o s 耐+ 彳 ( 2 3 ) 粘十砂土分层复合试样动力特性研究 根据初始条件t = o 时，白= o ，由式( 2 2 ) 和式( 2 3 ) 可得： 弹性单元 仃一山口c r 八v 、- 一c r 仃= 瓯 塑性单元 仃c r o 口 ( 盟) 2 + 吒 粘性单元 仃 1 一口 d 占 2c 旬2 c 百 ( 6 ) ( c ) 图2 1 基本力学模型 此式为一椭圆方程，中心点为( 丘，0 ) ，此椭圆面积等于： c 缈 4 6 = 砜暑= 鲁 且动应力一个周期内单位体积的应变能为： 由式( 2 3 ) 得： 6 w = 霎邓d 仃 厶e 、一 夕 l 盯1 一 l n u - ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 盘丝言a二生彻 乃一 硕士学位论文 d 白= 争s i n 础 ( 2 7 ) 且= s i l l 埘 故 册= j c r 吒s i n 加争s i n 砒= 鲁 ( 2 8 ) 可见粘性体在_ 个动应力周期内单位体积的应变能正好等于应力应变关 系曲线所围椭圆的面积。 由这三个基本的力学模型，通过串联和并联等方式可以组合成几种常见的 力学模型： 1 理想弹塑性模型：由弹性元件和塑性元件串联组成，相应的其应力应变 关系为一个平行四边形，如图2 2 。因为当l 吼j 吒时，乃= g ；当 i = 吒时， 白为不定，直至乃转向时，再沿弹性关系变化。 2 粘弹性模型：通常可分为滞后模型一k e l v i n 体和松弛模型一m a x w e l l 体， 如图2 3 。其中滞后模型为弹性元件和粘性元件并联而成，松弛模型为弹性元 件和粘性元件串联组成。在土动力学中，只研究滞后模型。此时，及分 别表示动弹性应力及动粘性应力部分，则有： o 瞳2e do 磁2c 宅d 故 o d 2 e s d 七c 亡d 或 e 白+ c 易一吒s i i l 耐= o( 2 9 ) 此微分方程的解为： 吼j ii 吸厶e 1 ，一 0 i； j e 一瓯 图2 2 理想弹塑性模式应力应变关系 粘土砂土分层复合试样动力特性研究 白2 南8 i n ( 国f 一万) ( 2 1 。) 艿：留一1 警 ( 2 1 1 ) 也 令 幺= 厅丽气2 卺 则上式可化为 毛2 卺s i i l ( 研一万) 2 s 缸研一万) ( 2 1 2 ) 此式表面，粘弹性的应力应变关系为一椭圆曲线。由式( 2 1 0 ) 和式( 2 1 1 ) 可 以看出，由于滞后的影响，仃。的最大值几和s 。的最大值s 一并不同相位，此时 e c 口w 朋广压一口 6 ) a ) 滞后模型；b ) 松弛模型图 图2 3 粘弹性模型 仃d 寺矿 、扩r r ， 哆琵x 么k 历久 ， 一 飞矿、纱 图2 4 粘塑性模式 锄 l 厂 、 d l 硕七学位论文 求得的动弹性模量历= e 2 + ( c 彩) 2 ，即它要大于弹性元件的弹性模量e ，反映 了阻尼的影响。当材料的粘滞系数c 不大时，相位差万也不大，动应变最大值 出现的时刻与动应力最大值出现的时刻很接近，此时，用吒和氏之比定义模量 还是相当精确的，故一般常用此定义讨论问题。 3 粘塑性模型：即b i n g h a m 体，如图2 4 ，为由一个粘性元件和一个塑性 元件并联所组成，其应力应变关系在l 乃l 吼时为塑性元件的关系，在l i 时 为粘性元件的关系。 4 双线性模型：是由一个弹性元件跟一个塑性元件串联滞后再跟一个弹性 元件并联。其应力应变关系为一个平行四边形，如图2 5 。 采用弹性元件、塑性元件、粘性元件的不同组合所得到的不同模型，是为 了把复杂的土的性质用直观易得的方法表现出来，有助于从概念上认识变形的 各种不同分量，并分别加以考虑再进行组合。但由于土异常复杂的特性，所以 这些不同的模型只能用以说明某些现象，不能反映其本质。例如，土的应力松 弛跟m a x w e u 体相似，它的弹性后效性能，则又与k e l v i n 体相似。从土的极限 强度这一特性来看则又有b i n g h a m 体的性质。因此，在解释土的性质时，具体 采用何种模型应结合具体土性、受载特点等因素具体分析考虑。 图2 5 双线性模型应力应变关系 2 3 土的动力线性变形模型 土在小应变时可把土作为线弹性体考虑，用弹性常数表示土的动力变形特 性。应用最为广泛的弹性常数是剪切模量g 、弹性模量e 和泊松比。对于各 粘士砂土分层复含试样动力特性研究 向同性的弹性体，这些参数之间可建立对应的函数关系。 土在振动荷载作用下的变形幅值具有衰减特性，可用粘弹性体表示。当线 性粘弹性体上有圆频率为彩的正弦变化的应力时，可得到应力与盯应变占之间 的关系如下 盯= g s g 一占2 ( 2 1 3 ) 式中， 乞为应变幅值。 式( 2 1 3 ) 还可表示为 盯= q + 吒( 2 1 4 ) 而 q = g s 2 埘= ， ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 式中g 为弹性模量，g 为损失模量，表示随变形发生的能量损失，g g 为能量 损失系数。 式( 2 15 ) 与式( 2 1 6 ) 所表示的应力与应变关系如图2 6 所示。将图2 6 a 中的 式( 2 1 5 ) 与式( 2 1 6 ) 的纵轴相加，即可得到图2 6 b 所