（岩土工程专业论文）波浪荷载对海洋粘土力学性状影响的试验研究.pdf

l i l li ll i 1 11 1 1i l l l i ii 17 7 8 3 7 3 e x p e r i m e n t a ls t u d yo nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fm a r i n e c l a yi n f l u e n c e db yw a v el o a d 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。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过的研究成果。与我一同工作的同事对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实， 本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 学位论文使用授权说明： 2 0 l o 年7 月 南京水利科学研究院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学 术期刊( 光盘版) 电子杂志有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子 文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查 阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权南京水利科学研 究院研究生部办理。 论文作者( 签名) ：2 0 l o 年7 月 摘要 摘要 随着我国经济的快速发展，需要建设一系列海工建筑物诸如海洋平台、人工岛、码 头等以满足国家经济发展的设施要求，由于波浪荷载是海洋地基土受到的最为严峻和频 繁的动荷载，海工建筑物设计则需要考虑风、浪、流等环境荷载的作用以及荷载作用后 建筑物的稳定性，在这种情况下，海洋粘土在波浪荷载作用下的动力性状，特别是波浪 荷载作用后土体强度特性的变化将成为工程建设成功与否的关键因素之一。因此明确海 洋粘土在波浪荷载作用下的动力特性以及波浪荷载作用后土体的静力性质才能更好的 为我国的经济建设提供技术支撑。 为了研究波浪荷载大小和周期对不同深度土体在波浪荷载作用过程中以及作用后 性状的影响，本文利用g d s 动三轴仪对天津港软粘土进行了不同固结压力的一系列试验， 其中包括不同循环应力比、不同频率的循环荷载作用下土体动三轴试验，循环荷载作用 后不排水剪切试验以及未经历循环荷载作用试样的正常固结不排水剪切试验。 试验结果表明，循环荷载幅值幻的大小、循环荷载频率厂以及固结压力如的大小对 循环荷载作用下土体的应变特性、孔压特性和动模量弱化特性都有比较大的影响：循环 荷载作用下土体的轴向应变由循环应变幅值和累积应变s p 两部分组成，二者均随着循 环应力比呀的增大和循环荷载频率厂的减小而增大，且随着固结压力的增大而增大； 平均孔压比值“也随着循环应力比刁的增大、固结压力的减小以及循环频率厂的减 小而增大；循环应力比叩越大，循环荷载频率厂越低，固结压力越高，则循环荷载作 用下土体的动模量丘弱化程度越高。 通过与未经历循环荷载作用试样的固结不排水剪切试验相比较，发现循环荷载作用 后土体不排水剪切试验的强度、孔隙水压力、模量均表现出一定的规律性，即：循环荷 载作用后土体的强度是降低的，具体表现为抗剪强度指标c ，9 值的降低，且降低的幅 度随着循环荷载应力幅值a d 的增大和循环荷载荷载频率厂的减小而增大；平均孔压比值 “舭则随着循环应力比，7 的增大、循环荷载频率厂的减小和固结应力民的增大而减小； 未经历循环荷载作用的土样静模量e 弱化速度和幅度均大于循环荷载作用后的土样，循 环荷载作用后土体的静模量e 弱化速度和幅度则随着循环应力比即的增大、循环频率厂 的减小以及固结压力c r c 的增大而减小。 未经历循环荷载土样的正常固结不排水剪切试验应力一应变关系是可以进行归一化 分析的，结果表明天津港海洋粘土按主应力差的渐进值( 口，毋) 。进行应力一应变关系归一 化的效果要优于按固结压力乃进行应力应变关系归一化的效果；同时土体在不同循环 摘要 应力比叩和不同循环频率厂的循环荷载作用后不排水剪切试验的应力应变关系也是可以 进行归一化分析的，并且用建立起来的归一化方程可以对不同围压下的应力应变关系 进行很好的预测。 采用状态相关的弹塑性本构模型，对试验结果进行了数值模拟；通过对模拟结果和 试验结果的对比分析发现，状态相关的弹塑性本构模型不仅能够较好的模拟常规c u 试 验的应力一应变关系，同时还可以模拟循环荷载作用下土体的应力一应变关系。 关键词：波浪荷载、海洋粘土、动力特性、弱化、归一化、数值模拟 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t hc h i n a sr a p i de c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，ag r e a tn u m b e ro fm a r i n es t r u c t u r e s ，s u c ha so f f s h o r e p l a t f o r m ，a r t i f i c i a li s l a n da n dw h a r f , a r er e q u i r e db yt h en e e do fi n f r a s t r u c t u r ep r o j e c t s d u et ot h es e v e r i t y a n df r e q u e n t n e s so fw a v el o a db o r n eb ym a r i n es o i l ，t h ei m p a c to fa m b i e n tl o a ds u c ha sw i n d ，w a v e ，f l o w , a n dt h ep o s t i m p a c ts t a b i l i t yo fs t r u c t u r ea r en e e d e dt ob et a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o nd u r i n gt h ed e s i g n i n go f t h o s em a r i n es t r u c t u r e s u n d e rs u c hc i r c u m s t a n c e s ，t h ed y n a m i c p r o p e r t i e so fm a r i n ec l a yu n d e rw a v el o a d ， e s p e c i a l l yt h ev a r i a t i o no fs t r e n g t hr e l a t e dp r o p e r t i e sa f t e rt h ei m p a c to fw “ei se m e r g i n g 船o n eo ft h e c r u c i a lf a c t o r st h a td e t e r m i n et h es u c c e s s f u l n e s so fp r o j e c t s s oc l a r i f y i n gt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i e so f m a r i n es o i lu n d e rw a v e1 0 a da sw e l la st h es t a t i cp r o p e r t i e sa f t e rw a v el o a di sa b l et op r o v i d et e c h n i c a l s u p p o r tm u c hm o r es u b s t a n t i a l l yf o rt h ee c o n o m i cd e v e l o p m e n to fo u rc o u n t r y i no r d e rt oi n v e s t i g a t et h ee f f e c tb r o u g h tb yv a r i e dm a g n i t u d ea n dp e r i o do fw a v et ot h ep r o p e r t i e so f s o i la td i f f e r e n td e p t hb o t hi na n da f t e rt h ep r o c e s so f1 0 a d , as e r i e so ft e s t sa r ec a r r i e do u to nt h eg d s d y n a m i ct r i a x i a la p p a r a t u st ot h es o f tc l a yf r o mt m j i nh a r b o r , w h i c hi n c l u d ec y c l i cd y n a m i ct r i a x i a lt e s t s a tv a r i e ds t r e s sr a t i oa n d f r e q u e n c y , t h es u b s e q u e n tu n d r a i n e dc o m p r e s s i o nt e s t s ，a n dt h en o r m a l c o n s o l i d a t e du n d r a i n e dc o m p r e s s i o nt e s tw i t h o u te x p e r i e n c i n gc y c l i cl o a d r e s u l t ss h o wt h a tt h ea m p l i t u d eo fc y c l i cl o a do 哇，f r e q u e n e y f a n dt h ec o n s o l i d a t i o np r e s s u r eo ch a v e g r e a ti n f l u e n c eo nt h ed y n a m i cs t r a i n ，p o r ep r e s s u r ea n dt h em o d u l u sd e g r a d a t i o no ft h es o i l ：t h ed y n a m i c s t r a i na r ec o m p o s e do ft h ec y c l i cs t r a i na n dt h ec u m u l a t i v es t r a i n ，t h e s et w op a r t sb o t hi n c r e a s ew i t h i n c r e a s i n gc y c l i cs t r e s sr a t i o 叩，i n c r e a s i n gc o n s o l i d a t i o np r e s s u r e a n dd e c r e a s i n gl o a df r e q u e n c yt h e a v e r a g ep o r ep r e s s u r er a t i o 唾删雌i n c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n gnb u td e c r e a s e sw h e no ca n dfa r er i s i n g m e a n w h i l e ，t h ew e a k e nd e g r e eo fd y n a m i cm o d u l u si n c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n gs t r e s sr a t i o 叮，d e c r e a s i n g f r e q u e n c y f a n di n c r e a s i n gc o n s o l i d a t i o np r e s s u r e 如 c o m p a r e dw i t ht h er e s u l t so b t a i n e df r o mu n d r a i n e ds h e a rt e s t sw h i c hc a r r i e do u to nt h es o i lw i t h o u t e x p e r i e n c i n gd y n a m i cl o a d ，c e r t a i nr e g u l a r i t yi so b s e r v e df r o mt h es o i lt h a te x p e r i e n c e dd y n a m i cl o a di n t e r m so fs t r e n g t h ，p o r ep r e s s u r ea n dt h em o d u l u s ：t h es h e a rs t r e n g t hr e d u c e da f t e re x p e r i e n c i n gd y n a m i c l o a d ，m o r es p e c i f i c a l l ys p e a k i n g ，t h ei n d i c a t o r so fs t r e n g t hd e c r e a s e d , a n dt h em a g n i t u d eo fd e c r e a s e i n c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n gqa n dd e c r e a s i n g zw h e n na n do ci n c r e a s eo r f d e c r e a s e s ，t h e 弘l l cd e s c e n d s ；t h e d e g r a d a t i o no ft h em o d u l u sg o e sd o w n w h e nt h es o i ls a m p l e se x p e r i e n c e dt h ed y n a m i cl o a d i n g ，m e a n w h i l e ， t h ed e g r a d a t i o no ft h em o d u l u ss h o w st h es a m e d i s c i p l i n ea st h e 睡0 讳争 t h es t r e s s - s t r a i nr e l a t i o no ft h es o i lw i t h o u te x p e r i e n c i n gt h ed y n a m i cl o a dc a nb en o r m a l i z e d w ew i n f i n dt h a ti tw i l lb eb e t t e rw h e nc h o o s i n gt h eu l t i m a t ev a l u eo fp r i n c i p l es t r e s sb r 口n hr a t h e rt h a nc o n f i n i n g p r e s s u r e0 3a st h en o r m a l i z a t i o nf a c t o r ；, t h es t r e s s s t r a i nr e l a t i o no ft h es o i le x p e r i e n c e dd y n a m i cl o a d i n g c a na l s ob ea n a l y z e da f t e rn o r m a l i z a t i o n ，a n dw ew i l lh a v eag o o dp r e d i c t i o nb yu s i n gt h en o r m a l i z a t i o n s t r e s s - s t r a i nr e l a t i o n s h i pe s t a b l i s h e d a p r o c e d u r ei sp r o g r a m m e db a s e do nt h es t a t ed e p e n d e n te l a s t o - p l a s t i cm o d e lt os i m u l a t et h et e s t r e s u l t s t h ec o m p a r i s o nb e t w e e ns i m u l a t i v ea n de x p e r i m e n t a ld a t ap r o v e dt h a t 。t h i sm o d e lw a sa b l et o s i m u l a t en o to n l yt h es t r e s s - s t r a i nr e l a t i o no ft h ec ut e s t s ，b u ta l s ot h a tu n d e rc y c l i cl o a d i n g k e y w o r d s ：w a v el o a d ，m a r i n ec l a y , d y n a m i cp r o p e r t y , d e g r a d a t i o n ，n o r m a l i z a t i o n ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n 目录 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景l 1 2 波浪荷载特性2 1 3 国内外研究现状7 1 3 1 循环荷载作用下饱和软粘土力学性质研究现状7 1 3 2 循环荷载作用后饱和软粘土静力性质研究现状1 0 1 4 本文的主要工作1 2 第二章波浪荷载作用下海洋粘土的动力性状1 4 2 1 试验设计1 4 2 1 1 试验设备1 4 2 1 2 试验土料1 5 2 1 3 试验方案1 6 2 1 4 试验步骤1 8 2 2 循环荷载作用下土体的应力一应变特性1 9 2 3 动应变发展规律2 3 2 3 1 轴向循环应变幅值2 4 2 3 2 累积轴向应变。2 8 2 4 孔压发展规律3 5 2 4 1 波浪荷载作用下土体孔压增长模式3 5 2 4 2 波浪荷载特性对动孔压的影响一3 6 2 5 土体动模量弱化4 0 2 5 1 波浪荷载作用下动模量的弱化4 0 2 5 2 波浪荷载特性对动模量弱化的影响4 2 2 6 本章小结4 6 第三章波浪荷载作用后海洋粘土弱化特性。4 8 3 1 土体强度弱化特性。4 8 3 1 1 循环荷载作用后土体的应力应变特性4 8 3 1 2 循环荷载作用后土体抗剪强度弱化分析5 2 3 2 土体静模量弱化特性5 7 3 2 1 土体剪切过程中静模量的变化规律5 7 3 2 2 循环荷载对静模量弱化的影响5 8 3 3 孔压特性6 2 3 3 1 波浪荷载作用后土体孔压的发展规律6 2 3 3 2 波浪荷载特性对静孔压的影响“ 3 4 本章小结6 9 第四章海洋粘土应力应变特性归一化分析7 0 4 1 固结不排水剪切试验应力应变关系及其归一化分析7 0 4 2 1 不同循环应力比的循环荷载作用后归一化分析7 3 4 2 2 不同频率的循环荷载作用后归一化分析7 6 4 3 本章小结7 9 第五章海洋粘土应力应变关系的数值模拟8 l 5 1 弓i 言8 1 81 8l 8 2 。8 2 8 3 一8 3 5 3 模型参数及其确定8 4 5 4 数值模拟8 4 5 4 1 模拟方法8 4 5 4 2 模拟结果及分析8 5 5 5 本章小结9 第六章结论与展望9 0 6 1 结论9 0 6 2 展望9 1 参考文献9 3 致谢9 7 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 随着我国海洋平台、深水防波堤、人工岛等离岸工程的大规模兴建，尤其是近 海石油开发的迅速扩大，海工建筑物的设计则需要考虑风、浪、流等环境荷载的作用， 毫无疑问，波浪荷载是海洋地基土受到的最为频繁和最为严峻的动荷载。设计者们会面 临许多严峻的课题，其中最为棘手的当属波浪荷载作用下海洋粘土的力学性质和波浪荷 载作用后海洋粘土结构性以及力学性质的变化。 长江口导堤建设工程是迄今为止我国最大的水运工程项目，要修建的长江口北导堤 位于建造基地 4 0 k m 远处，设计波高为3 3 2 - - - , 5 9 米，水深大约5 8 5 m 。2 0 0 2 年1 2 月5 日至8 日，施工现场遇到了强风暴的袭击，北导堤试验段的部分沉箱在建造期间沉 入土中甚至达到数米之深，甚至偏移原来位置大约2 0 m 之远( 见图1 1 ) 。该工程实例 说明较大的波浪一方面会使工程结构下面地基土体中的超孔隙水压力累积，有效应力降 低，引起地基强度下降；同时，地基土体由于波浪荷载的剧烈扰动，其结构性能也会发 生变化，从而更进一步导致地基土体的强度降低。 由于波浪荷载的作用引起的工程事故在国内外已经屡见不鲜，并且这些工程事故一 般会导致巨大的经济损失甚至人员伤亡。因此如何避免此类事故的发生是我们亟需要研 究、探讨和解决的问题，虽然波浪荷载作用下海底土体的性质国内外已经开展了相当的 工作，然而，不论是土体在波浪荷载作用下的动强度特性还是孔压特性，尤其是波浪荷 载作用后海洋土体的力学性质还有许多的工作要做。美国海洋工程局( o d e ) 把下列有 关海洋土性的研究作为重点研究课题：1 抗剪强度( 包括短期和长期、排水和不排水、 周期强度、变形特性以及承载力) ；2 强度变化包括液化以及应力应变关系( 在循环荷 载与重复荷载下，尤其是在长期循环周期荷载作用下) ；3 改进取土样技术减少扰动程 度及对土样扰动的定量估计；4 近海微震活动情况以及可能产生的强度活动的估计；5 现场的孔隙水压力和应力状态的测定。由此可见，波浪荷载作用下海洋土体的特性研究 还有相当多的工作需要研究和完成。 另一方面，诸多学者对波浪荷载用后土体的力学性质、结构变化以及抗剪强度的变 化意见很不一致，甚至是对立的，同时相当的研究结果地域性也很强，这就为我们工程 设计带来了很大的麻烦，比如有些学者认为波浪荷载作用后土体强度基本没有变化，有 些学者则认为波浪荷载作用后土体抗剪强度是降低的，也有些学者经过研究发现波浪荷 载作用后土体的强度不但没有下降反而有所升高。同时，波浪荷载作用下以及作用后的 土体性质受诸多因素的影响，如循环应力比、循环周期、土体的固结比、循环次数、固 南京水利科学研究院硕上学位论文 结压力、应变速率等因素的影响，可见波浪荷载下土体特性的研究确实是一个十分复杂 的问题。 针对以上认识，本文应用南京水利科学研究院土工研究所g d s 电机控制动三轴试 验系统( d y n t t s ) ，对天津港深水区海洋粘土在波浪荷载作用下的动应变、孔压以及 动模量的发展规律和波浪荷载作用后土体的不排水抗剪强度弱化、孔压发展规律、模量 弱化和有效应力路径的变化规律等问题进行了研究，为工程设计提供理论依据并为进一 步的理论研究奠定一定的基础。 图1 1 长江口破坏的导堤结构 1 2 波浪荷载特性 波浪荷载是海洋动力环境中的一种重要的荷载形式，其基本特点是在各种外力作用 下，水质点离开其平衡位置做周期性或者准周期性的运动，从而导致波形的传播。波高、 波速以及周期是描述波浪运动特征的要素( 文圣常，1 9 8 4 ；蒋德才，1 9 9 2 ；常瑞芳，1 9 9 7 ) ， 其中风对海面所施加的剪切力是海域产生波浪的重要原因。 一般情况下，海洋波浪从开始发展到最大波高需要大约3 - - 9 小时，同时，波浪衰 减的时间与其发展时间是近似的。波浪的周期一般介于5 s - - - 一2 0 s 之间，随着波高的变化 而不同。同时，由我国南海区域5 0 年一遇的风浪推算的最大波高介于1 8 2 1 m 之间，周 期在1 5 s 左右，而渤海区域百年一遇的风暴的最大浪高介于8 一- - 1 0 m ，周期为1 l s 左右。 海洋中的潮流、潮汐一般作一定的周期性变化，对涨潮、落潮、大潮、小潮、潮速、 潮位以及方向我们都可以作比较准确的预测。然而，海洋中的波浪却是最不稳定的，其 具有周期性、季节性，同时海洋中波浪的变化形式极其复杂，即使在同一传播方向上的 波浪，它的波高、波长和周期也不尽一致，并且海面上还会经常出现不同方向上的波浪 2 第一章绪论 相互叠加的现象。波浪的传播情况与相对水深( 水深与波长之比) 有关，相对水深1 2 的为深水波，相对水深 j ： 图1 4 三种应力路径( 据i s h i h a r a 等) 0 t 仉嚷) 2 1 3 国内外研究现状 1 3 1 循环荷载作用下饱和软粘土力学性质研究现状 波浪荷载属于典型的循环荷载，循环荷载作用于土体，随时间的变化会产生两种效 应n 们：( 1 ) 循环效应，即为由于荷载的循环增减，以及重复的动荷载施加于土体所引起 的效应；( 2 ) 速率效应，即为循环荷载在很短的时间内由于较高的速率施加于土体而引 起的效应。而对于波浪荷载，由于其作用于土体的周期较长，一般情况下基本上可以不 考虑速率效应的影响。 早在2 0 世纪4 0 年代，国外已经对波浪周期荷载作用下土体的动力响应等一系列海 洋土力学问题进行了初步探讨，5 0 年代，s e e d ( 1 9 5 8 ，1 9 6 1 ) 及同事曾经开展了关于低路 堤交通荷载往复作用下的路基变形特性研究n 1 1 2 1 ，直到7 0 年代随着北海油田的开发，波 浪荷载作用下土体的动力响应问题才真正引起了岩土工程界和海洋工程界的重视。 a n d e r s e n ( 1 9 8 0 ，1 9 8 8 ) n 3 1 4 1 研究了粘土的循环剪切强度、变形以及孔压变化规律。 h y d e ( 1 9 8 6 ) n 5 1 对粉质粘土试样进行了一系列循环不排水强度试验，他的研究表明，正常 的以及弱超固结土的循环加载将引起超固结度的明显增长。 日本m a t s u i 等n 明研究了高塑性指数s e n r i 粘土的动力特性，其研究较多的关注了孔 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作用关系以及循环荷载历史 对剪切特性的影响。 m a t a s o v i c 和v u c e t i c n 刀通过对不同超固结比下高塑性v e n e z u e l a nn o r t ho f p a r i a 粘土 的试验，研究了超固结比对土体软化的影响。 周建等n 鲫研究了杭州饱和软粘土软化指数、孔压与循环周数的关系，通过研究不同 的循环应力比、不同频率、不同超固结比下轴向周期应变的软化情况并分析了土体的软 化，同时建立了个合理反映土体应变软化的数学模型并确定了参数。 陈颖平等n 们采用杭州萧山原状和重塑软粘土在不同的压力下固结后进行动力试验， 7 南京水利科学研究院硕士学位论文 得到了考虑土体结构性的萧山软粘土的破环标准。 b r e w e r 等、p r o c t e r 和k h a f f a f , m a t s u i 等、e r k e n 和a n s a l 、b o u l a n g e r 等、j i a nz h o u 和x i a o n a ng o n g 等啪2 2 2 2 3 2 4 一鲫研究认为，循环荷载频率对粘土的不排水动力性状有显著 的影响，然而，l a s h i n e 等、b r o w n 等和h y d e 等啪一7 嚣1 通过研究发现，循环荷载频率对 粘土的动力性状没有影响；y a s u h a r a 等啪1 认为，循环荷载频率对粘土的动强度和变形模 量几乎没有影响，不过在较高的循环频率下会产生较大的孔压。 l a r e w 和l e o n a r d s 啪1 最早提出饱和软粘土存在临界循环应力比的概念，并定义为： 不会导致土体破坏的最大循环应力比。f r a n c e 和s a n g r e y 等洲通过研究进一步证实了临 界循环应力比的存在。当循环应力比大于临界循环应力比时，动应变和孔压会随着循环 周数的增加而迅速增大，同时在较少的循环周数就会发生破坏；而当循环应力比小于临 界循环应力比时，孔压和动应变随着循环周数的增加而逐渐增加，不过增长缓慢，土体 需要较多的循环周数才会发生破坏甚至不会发生破坏。 m a t s u i n 明等通过循环三轴试验发现饱和软粘土存在一个门槛循环应力比，当循环应力 l g d , 于此门槛循环应力比时，随着循环周数的增加，土样没有孔压和应变的产生。o h a r a 和m a t s u d a 口2 1 通过循环直剪试验研究了k a o l i n i t e 饱和软粘土，发现该粘土的门槛循环应 变值；国内周健等n 田通过循环荷载试验得到杭州软粘土的门槛循环应力比为0 0 2 ； v u c e t i c 等通过研究发现土体的塑性指数和超固结比会对门槛循环应变产生影响，即 门槛循环应变会随着土体塑性指数和超固结比的增大而增加。 王建华和要明伦脚1 通过偏压固结下饱和软粘土动三轴试验发现，可引入一个弱化参 数j ，定义( ；= e d l e d ( n + i ) , 并确定了占与动应力幅值观、初始平均有效应力锄和循环周数 的关系： 万= l 一万n 面 ( 1 1 3 ) a + b n 。 式中，4 ，b 为试验系数，与田和有关，砧j 和g d ( n + ) 分别为第一周次和第周次 所对应的动应变；并根据动模量历的定义，确定了动应力、应变与占的关系： 车垒= 了l ( 1 1 4 ) o m 坐+ b 。 6 ” 式中彳j 、b ，为常系数；累积应变s 口与j 的关系为： 勺= 鑫志( ) ( 1 1 5 ) 式中也、玩为试验系数，与固结比有关；以及6 和阻尼此工与动模量助的关系： 第一章绪论 肚三( 1 老( 1 1 6 ) 式中磊瞰为初始动模量曲线对应的最大动模量。通过弱化参数的引入，可以得到能 够反映累积偏应变变化的振动弱化关系，同时可以利用该关系按累积偏应变破环标准来 确定土的动强度曲线，亦可在已知应力时程后判断士单元体是否破坏。 此后，c h a i 和m i u r a 3 朝以及“和s e l i g 分别对式( 1 1 4 ) 的指数模型进行了改进， 引入了考虑动偏应力、初始静偏应力和破坏强度的影响因素。 王军等口7 1 研究了循环周数、循环应力水平、初始偏应力对饱和软粘土刚度软化的影 响，并指出土体的刚度随着循环周数的增加而逐渐减小，循环应力水平的提高和初始偏 应力的施加加速了土体刚度的软化。在试验的基础上推导了考虑各种影响因素条件下， 软粘土刚度软化规律的经验公式，同时得到了杭州萧山饱和软粘土的破坏刚度比。 r o b e r ty l i a n g 和f e n g g a n gm a 提出了描述循环荷载作用下不排水情况下饱和软 粘土各向异性的塑性模型；要明伦和聂栓林口钔研究了渤海湾近海海底饱和软粘土的模量7 弱化规律，同时与本构关系相结合提出了计算软粘土变形的模式。 蒋军脚1 研究了循环荷载下粘土的应变速率特性，研究表明，在循环荷载作用下，粘 土的应变速率随时间的增大而减小，且应变速率随着循环应力比和加载频率的增大而增 大，粘土的应变速率衰减率与循环应力比和加载频率无关，与超固结度有关；超固结粘 土的应变速率衰减要比正常固结粘土的慢。 灿i l l a 和a y f e r 通过正常固结粘土和重塑土的循环荷载试验，主要考虑了不同的循环 加载速率和不同的循环剪切应力比大小，研究结果表明：重塑土可以抵抗较大的循环剪 切应力，原状土产生的循环剪切应变要比重塑土大的多，然而原状土和重塑土循环荷载 下产生的孔压却相差不多，重塑土有在较高的孔压下才会有屈服的趋势。 p a r r 等h 妇通过循环三轴试验，研究了伦敦粘土的累积塑性应变速率和循环周次的相 互关系，同时给出了一个残余应变模型： 匆( 三等) = l g ( c o ) + fl g n ( 1 1 7 ) 气 氐为第次循环周数的塑性应变率：童为第1 循环周次加载的塑性应变率：c 。和f 为试验常数。 m o n i s m i t h 等h 2 1 研究了循环荷载下应力水平、应力顺序以及击实条件等对粘土永久 变形的影响。研究认为：塑性应变速率随着循环周数的增加而逐渐减小，在先经受较低 的应力水平，然后经受较高的应力水平的情况下，试样的永久变形比直接经受高应力水 南京水利科学研究院硕上学位论文 平作用的永久变形要小。同时提出了累积塑性应变的关系式： 占。= a n 口 ( 1 1 8 ) 其中：彳与动应力的大小和先期应力历史有关；口仅取决于土的类型。 阎澎旺n 3 1 通过动三轴试验研究了正常固结粘土的循环荷载作用下的累积轴向应变 与循环周数的变化规律，并得出了平均固结压力归一化的累积孔隙水压力与累积轴向应 变之间存在唯一关系，然而与加载方式、动应力的大小和频率以及固结压力的大小无关。 h y o d o h 4 4 5 1 通过循环三轴试验研究认为，不排水条件下的双幅循环剪应变与循环剪 切应力无关，但是与有效应力比之间存在着唯一关系： = 孚l ( 1 1 9 ) 一l | p 其中：为双幅循环剪应变；为有效应力比；定义2g 砌，锄为有效偏应力， p 为有效固结应力，c 为试验常数。 1 3 2 循环荷载作用后饱和软粘土静力性质研究现状 循环荷载作用后土体的静力性质国内外也已进行了一定数量的研究，不过正如前面 所述，循环荷载后土体的抗剪强度是增加还是减小，学者们的意见并不一致，有的认为 是增加的，有的认为基本没有变化，也有学者认为循环荷载后土体的不排水抗剪强度会 增大，具体研究情况如下： a n d e r s e n m l 等对挪威原状d e m m e n 粘土进行了静三轴、循环三轴、静单剪试验和循 环单剪试验等一系列试验，研究认为：循环荷载作用后土体的静抗剪强度会降低，当循 环剪切应变幅值 3 时，循环周数为1 0 0 0 ，该粘土的静单剪强度会降低2 5 左右，同时 不受固结比的影响；同时a n d e r s e n 等认为施加固结偏应力会提高正常固结土的不排水 强度，但是不会提高超固结土的不排水强度，超固结土的有效强度指标c 。和矽不受循环 荷载的影响。 t h i c m 和s e e d m l 、a n d e r s e n 捌、h y d e 和w a r d 删l e e 和f o c h t 、y a s u h a r a 5 1 1 等研 究者先后通过循环三轴试验或者动单剪试验，对不同地区的原状和重塑粘土进行研究表 明，对于循环荷载作用后土体的不排水抗剪强度问题，有一个比较一致的认识，即循环 荷载后粘土的不排水抗剪强度会降低，相对于没有经历过循环荷载的粘土的不排水抗剪 强度来说，衰减程度为0 - 5 0 ，衰减程度的大小不仅与前期循环荷载历史和粘土的本身 结构情况密切相关，还与循环荷载下土体的动破坏标准、试验仪器以及循环荷载后不排 水抗剪强度的选取标准有关。比如：t h i e r s 和s e e d 通过对a n c h o r a g e 粉质粘土的循环荷 1 0 第一章绪论 载试验，研究表明，在循环荷载下动应变大于静态不排水剪切破坏应变的一半时，循环 荷载后土体的不排水抗剪强度衰减程度 5 0 9 6 。 c a s t r o 和c h r i s i t i a n 对低灵敏粘土的循环三轴试验结果表明，循环荷载后土体的不 排水抗剪强度几乎没有衰减。 a u s t i n 经过试验表明：在循环荷载水平低于给定应力水平条件下，循环荷载后软粘 土的不排水抗剪强度有所增大。 s e e d 等、z i m m i e 等、g o u l o i s 等晦2 - 5 3 用1 通过研究表明，随着初始剪应力的增加土体 的抗剪强度会降低；而l e f e b v r e 嘞3 等研究认为，初始剪应力的施加导致总强度提高大约 3 0 9 6 ，同时又会使土体的抗剪强度降低。t a n 等嘞1 的研究表明，随着初始剪应力的增加， 土体强度的增减与所施加的初始剪应力水平大小有关。当土体的初始剪应力较大时，土 体的内部结构会受到一定程度的破坏，从而会导致强度的降低，而当施加的初始剪应力 较小时，由于初始剪应力的预压作用，因而会有利于土体强度的提高。 m a t s u i 等n 6 1 通过试验研究认为，粘性土的超固结状态会对其孔压的发展和变形有较 大的影响，当超固结比o c r 较大时，循环荷载作用的初期将会出现负的孔隙水压力， 且负孔压会随着超固结比的增大而增大，在较多的循环周数后才会产生正的孔压，o c r 愈大，正孔压愈小。循环荷载作用后，土体的不排水抗剪强度会降低，破坏时的应变会 随着循环荷载作用下产生的轴向应变的增大而增加。同时，在所有的应力水平下，切线 和割线变形模量随着循环荷载作用下轴向应变的增加而显著降低。m a t a s o v i c n 7 3 等、 a z z o u l - 晦刀等的试验结果也是如此。 h i c h e r 和l a d e ( 1 9 8 7 ) 研究了粘土在循环荷载下的性状表明，主应力方向的改变可以 引起粘土结构重塑，因而导致粘土抗剪强度的降低。 m a t s u i n 叼等研究认为，循环剪切荷载作用后伴随着孔压的消散，超固结粘土不排水 抗剪强度和变形模量均略有增加，与正常固结粘土类似。而y a s u h a r a 等对d r a m m e n 粘 土的试验结果则得出与m a t s u i 相反的结论，认为经过循环荷载作用后即使伴随着排水的 过程，其不排水抗剪强度依然会下降，即土体抵抗进一步不排水循环荷载的能力将减弱。 王淑云和楼志刚通过分析南海重塑粉质粘土土样的大量动三轴试验结果，得到了此 种土在波浪荷载作用后不排水抗剪强度衰化同循环荷载作用引起的动应变幅值和平均 累积孔压之间的相互关系和预估公式；并通过与超固结土样的静三轴剪切试验结果的比 较，发现动、静三轴两种试验结果具有很好的吻合关系。建议可用超固结土样的静三轴 剪切试验同时结合部分三轴试验来预估土样在波浪荷载作用后不排水抗剪强度衰化与 平均累积孔压之间的关系。 南京水利科学研究院硕士学位论文 关于粘土在不排水循环荷载作用后不排水抗剪强度衰减机理的分析，目前主要有以 下三个方面的观点。( 1 ) 代表人物有y a s u h a r a 、h y d e 和s e e d 等，他们认为循环荷载后不 排水抗剪强度的