（环境工程专业论文）饱和细粒土动荷作用机理研究.pdf

该层土体吸收约4 0 6 0 的振动能量；3 0 c m 深度以下土层中能量衰减速度降低： 3 0 6 0 c m 土层吸收的能量约为总振动能量的2 0 、3 0 ，液化主要发生在这个土层： 9 0 c m 深土层能量残余量占总能量1 0 左右。随着能量的增大，影响深度加大，影 响深度范围内土体变化规律符合上述规律。 ( 2 ) 循环荷载导致土体孔压的增长因夹层排水不同呈现不同的趋势，有透水 层时，孔压启动较快，累积升高呈现渐变趋势，振动结束初始时刻孔压消散较快， 最终趋于上覆土层的自重应力。当有隔水夹层时，短时间内孔压升高超过液化临 界值，呈现突变趋势，振动结束后，初始时刻孑l 压消散较快，随后愈来愈慢，最 终趋向于上覆土层的自重应力；不同方向旌加荷载引起土层的液化顺序不同。黄 河口饱和细粒土的液化性能因夹层排水结构的不同而不同。有透水层时，土体的 抗液化性能相对增强，隔水层使土体的抗液化性能相对减弱。 关键词：饱和细粒土、循环荷载、液化机理、地基变形破坏、孔隙水压力 i i t h er e s e a r c ho ft h es a t u r a t e df i r eg r a i n e ds o ii m e c h a n is mu n d e rt h ed y n a m i ci o a d w i t ht h er a p i d d e v e l o p m e n t o fc o n s t r u c t i o n a le n g i n e e r i n g ，s p e c i a l l yt h e d e v e l o p m e n to fe x p r e s sh i g h w a ya n dr e s e r v o i rd a m ，w h i c ha r eb e n e f i c i a l t ot h e p e o p l e sl i v e l i h o o d ，t h ed i s e a s e ss u c ha su n e v e ns e d i m e n t a t i o no fs t r u c t u r e ，s e t t l e m e n t ， l e a k a g ea n df r o s tb o i l i n gh a v ea h a r m f u li m p a c to nt h es a f e t ya n ds e r v i c el i f eo ft h e s e m a j o rp r o j e c t s t h em i c r o s h o c kl i q u a t i o no fs a t u r a t e df i n eg r a i n e ds o i l ，c a u s e db y d y n a m i cl o a d i n t h e l a r g ea r e a ，g e n e r a t e st h e s ed i s e a s e s a tp r e s e n t ，t h el i q u a t i o n m e c h a n i c sa n de v a l u a t i o no ft h es a t u r a t e df i n eg r a i n e ds o i lc a u s e db yt h en o n - s e i s m i c f o r c ei sag r e a tc o n c e r no fs c h o l a r sa n de n g i n e e r s f r o mt h es i t et e s ta n di n d o o rt e s t ， t h i s a r t i c l et r i e st os t u d yt h ec h a r a c t e r i s t i c so fl i q u a t i o nd a m a g ea n dd e f o r m a t i o no f s a t u r a t e df i n eg r a i n e ds o i lu n d e rt h ec y c l i cl o a da n dt h el i q u a t i o nm e c h a n i c s ，d e g r e e ， v e r t i c a ld e p t ho fi n f l u e n c eb yu s i n gt h em e a s u r e dd a t a f i r s t ，t h i sa r t i c l ec o l l e c t e dal o to fi n v e s t i g a t i v ed a t aa b o u ts a t u r a t e df i n eg r a i n e d s o i lf r o mo u rc o u n t r ya n do v e r s e a s ，a n df o u n do u ts h o r t a g e sa f t e ra n a l y s i sa n d c o m p a r i s o n o f t h ed a t a s e c o n d l y , t h ey e l l o wr i v e rd e l t aw a sd e t e r m i n e da st h et e s t s i t ea n dt h et e s t p r o g r a mw a sd e s i g n e d m a n yk i n d so fa d v a n c e di n s i t um e a s u r e m e n t sa n d i n d o o rt e s t s w e r ea d o p t e dt oo b t a i nt e s td a t af o rf i t t i n ga n dr e g r e s s i o na n a l y s i s ，w h i c hi sa b e n e f i c i a la t t e m p tf o r l i q u e f i e d d i f f e r e n t i a t i o n t h es i t ea n di n d o o rt e s t sw e r e p e r f o r m e d a sf o l l o w s ： ( 1 ) t h r o u g ht h es i t ei n v e s t i g a t i o na n di n s p e c t i o n ，a n dw i t ht h ea i do fr o a d f o u n d a t i o ns u r v e yp r o j e c t s ，at y p i c a ll o c a t i o nw a sc h o s e nf o ri n s i t ut e s t ss u c ha s d r i l l i n g ，s a m p l i n g ，s t a n d a r dp e n e t r a t i o nt e s t ，c o n ep e n e t r a t i o nt e s t ，d y n a m i cl o a dt e s t f r o m t h e s et e s t s ，t h es t r a t a lc o n f i g u r a t i o n ，m e c h a n i c si n d e xa n dg e o p h y s i c sp a r a m e t e r so f t h e s a t u r a t e df i n eg r a i n e ds o i lc a u s e db ys e d i m e n t a t i o ni nt h er e p r e s e n t a t i v el o c a t i o no f t h e y e l l o wr i v e rn o w a d a y s 1 i l ( 2 ) t h ei n d o o rm i c r o s t r u c t u r es c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p ew a su s e dt oo b s e r v e t h et y p i c a ls o i l s a m p l ea n dt h ex r a ya n a l y s i sw a sp e r f o r m e df o r t h em i n e r a l c o m p o s i t i o n w i t h as e r i e so ft e s t ss u c ha sc o n v e n t i o n a l i n d o o rs o i l t e s t ，s t a t i c t r i a x i a l i t yt e s ta n dh i g hp r e s s u r ep e n e t r a t i o nt e s t ，t h eb a s i cp h y s i c a lm e c h a n i c si n d e x a n ds o l i d i f i c a t i o na n dd r a i n a g es t a t u sw e r eo b t a i n e df o rt h es a t u r a t e df i n eg r a i n e ds o i l i nt h ey e l l o wr i v e rs e d i m e n t a t i o n ( 3 ) t h es i t ec y c l i c l o a dt e s tw a sp e r f o r m e dt o a n a l y z et h ed e f o r m a t i o n m e c h a n i s mo ft h es a t u r a t e df i n eg r a i n e ds o i lo ft h ey e l l o wr i v e rs e d i m e n t a t i o nu n d e r t h el o a do f t h ev e h i c l e a st h es i t ea n di n d o o rt e s tr e s u l t sw e r ea n a l y z e d ，t h ef o l l o w i n gp r i n c i p l ei s o b t a i n e d ： 1 a c c o r d i n gt ot h es i t ed r i l l i n g ，s a m p l i n ga n di n d o o ra n a l y s i s ，t h ec h a r a c t e r i s t i c s o ft h ey e l l o wr i v e rd e l t as a t u r a t e df i n eg r a i n e ds o i lw a so b s e r v e d ：s a b u l o u sc l a yw i t h b i to fc l a y e ys o i l ，i n c l u d i n gf i n es a n da n dp o w d e r yf i n es a n d t h eu n d e r 争o u n dw a t e ri s r a t h e rs h a l l o w , t h ew a t e rc o n t e n ti nt h es o i lm a s sr a t h e rh i g h ，a n dt h ei n t e n s i t yv a r i e s g r e a t l y t h em i c r o s t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es o i lm a s sa r eb a s i c a l l yc o n s i s t e n ti n g e n e r a l f i n ep a r t i c l e sa d h e r et ot h es u r f a c el a y e r so fm o s tp a r t i c l e s ，m o s ti nt h es h a p e o fe l l i p s o i d ；t h ec o n t a c t sb e t w e e np a r t i c l e sa r em o s t l yd i r e c te x t r u s i o n ，a n do n l yf e w p a r t i c l e sa r ec o n n e c t e db yc h a i n s m o s th a v ef r a m e w o r k s t r u c t u r e 2 f r o mt h el i q u a t i o np r o c e s so ft h ey e l l o wr i v e rd e l t af o u n d a t i o ns o i l ，t h e c o n c l u s i o n sa r er e a c h e da sf o l l o w s ： ( 1 ) w h e nc y c l i c v i b r a t i o nl o a di sa p p l i e d ，t h ev i b r a t i o ne n e r g ya b s o r p t i o n c h a r a c t e r i s t i co f t h es o i lm a s si si n f l u e n c e db yt h es o i lm a s ss t r u c t u r ec h a n g ec a u s e db y v i b r a t i o nt h ea t t e n u a t i o no ft h en o r m a l i z a t i o nv i b r a t i o ne n e r g y 、i t l l i i lt h er e s e a r c h d e p t hr a n g ec o n f o r m st ot h el o g a r i t h mf u n c t i o nr e l a t i o n w h i l et h ev i b r a t i o ne n e r g yi s 1 4 0 n m 2 t i m e ，t h ea t t e n u a t i o nr a t ei st h eh i g h e s tw i t h i nt h er a n g eo fo - 3 0 c m ，a n dt h e s o i lm a s si s c o m p a c td u e t ov i b r a t i o n ，t h es o i lm a s so ft h i sl a y e ra b s o r b sa b o u t 4 0 6 0 o ft h ev i b r a t i o ne n e r g y f o rt h es o i ll a y e rb e l o w3 0 c md e e p ，t h ee n e r g y a t t e n u a t i o nr a t es l o w sd o w n 。t h ee n e r g ya b s o r b e db yt h es o i ll a y e rb e t w e e n3 0 6 0 c mi s a b o u t2 0 3 0 o ft h et o t a lv i b r a t i o ne n e r g y , a n dt h el i q u a t i o nm a i n l yo c c u r so nt h i s l a y e r t h er e m a i n i n ge n e r g yo nt h es o i ll a y e ro f9 0 c md e e pi sa b o u t1 0 o ft h et o t a l e n e r g y w i t ht h ei n c r e a s eo ft h ee n e r g y , t h ei n f l u e n c e dd e p t hi n c r e a s e sa sw e l l t h es o i l m a s sc h a n g ew i t h i nt h ei n f l u e n c e dd e p t hr a n g ei sc o n s i s t e n tw i t ht h ea b o v e p r i n c i p l e ( 2 ) a st h ei n t e r l a y e rd r a i n a g ei sd i f f e r e n t ，t h es o i lm a s sp o r ep r e s s u r ei n c r e a s e c a u s e db yt h ec y c l i cl o a dp r e s e n t sd i f f e r e n tt r e n d s i ft h e r ei sp e r m e a b l el a y e r , t h ep o r e p r e s s u r ei n c r e a s e sr a t h e rr a p i d l y , a n dt h ea c c u m u l a t i v ei n c r e a s ep r e s e n t sat r e n do f g r a d u a lm o d i f i c a t i o n a st h ep o r ep r e s s u r ed i s s i p a t e sr a t h e rr a p i d l ys h o r t l ya f t e rt h e v i b r a t i o ne n d su p ，a n df i n a l l yt h ep o r ep r e s s u r ea p p r o a c h e st h es e l f - w e i g h ts t r e s so ft h e u p p e rc o v e r i n gs o i ll a y e r i ft h e r ei sm e m b r a n eb a r r i e ri n t e r l a y e r , t h ep o r ep r e s s u r e i n c r e a s e sa n de x c e e d st h el i q u a t i o nc r i t i c a lv a l u ew i t h i nas h o r tt i m e ，w h i c hp r e s e n t sa t r e n do fs u d d e nc h a n g e a f t e rt h ev i b r a t i o ni so v e r t h ep o r ep r e s s u r ed i s s i p a t e sr a t h e r q u i c k l ya t t h eb e g i n n i n g ，a n ds l o w sd o w na f t e r w a r d s ，a n df i n a l l yt h ep o r ep r e s s u r e a p p r o a c h e st h es e l f - w e i g h ts t r e s so ft h eu p p e rc o v e r i n gs o i ll a y e r i ft h el o a di sa p p l i e d f r o md i f f e r e n td i r e c t i o n s ，t h es o i ll a y e rl i q u a t i o ns e q u e n c ei sd i f f e r e n t t h el i q u a t i o n p e r f o r m a n c eo ft h ey e l l o wr i v e rs a t u r a t e df i n eg r a i n e ds o i li sd i f f e r e n td u et od i f f e r e n t d r a i n a g e s t r u c t u r eo ft h ei n t e r l a y e r i ft h e r ei sp e r m e a b l el a y e r , t h ea n t i l i q u a t i o n p e r f o r m a n c eo ft h es o i lm a s si n c r e a s e sr e l a t i v e l y t h ei m p e r m e a b l el a y e rc a nw e a k e n t h ea n t i l i q u a t i o na b i l i t yo f t h es o i lm a s s k e yw o r d s ：s a t u r a t e d f i n e g r a i n e ds o i l ，c y c l i cl o a d ，l i q u a t i o nm e c h a n i s m ， f o u n d a t i o nd e f o r m a t i o na n dd a m a g e ，p o r ew a t e rp r e s s u r e v 饱和细粒动荷作用机理研究 1 绪论 1 1 国内外研究现状 随着国民经济的飞跃发展及全面建没小康社会的需要，高速公路及铁路、水 库大坝及大型水利枢纽作为国计民生的重要组成部分，己放到国家基础建设领域 十分重要的位置。就笔者所从事的高速公路行业，高速公路建设已进入一个快速 发展期，但随后带来的道路病害问题，已摆在道路勘察及设计者面前。实践证明， 高速公路使用期间，在很长时期内产生沉降或不均匀沉降，有时会超过设计要求， 严重影响使用功能的f 常发挥，采用传统的经典理论解释及估算变形及破坏，已 不能满足公路勘察设计工作的需要。因此，必须把路面及结构物、路基和地基作 为一个相互作用的有机整体，研究其在动荷载( 即车辆荷载) 反复作用下的变形特 性，为高速公路结构设计提供可靠的理论依据。 路基和地基在动荷载作用下发生振动，土的强度和变形特性都要受到影响。 引起土体振动的振源可分为天然振源和人工振源两种。地震，波浪力、风力都是 天然振源，交通荷载、爆炸，打桩、机器基础都是人工振源，这些振源的振动频 率、振动次数和振动波形各不相同。天然振源发生随机振动的激振力，人工振源 有随机振动也有周期性振动。例如爆炸等瞬时荷载引起的振动是随机的，连续运 转的机器引起的振动是同期性的。在不同动荷载下土的强度和变形各不相同，其 共同特点是都受到加荷速率和加荷次数的影响。动荷载都是在很短的时间内施 加，一般是百分之几秒到十分之几秒，爆炸荷载只有几毫秒。土在快速加荷下， 强度比静荷载时提高，变形比静荷载时减小，如果荷载在数十秒时间内保持不变， 就可以不考虑加荷速率的影响，作为静力问题处理。动力荷载一般是往复多次施 加或周期性连续作用，与静荷载是一次加上不同，随着加荷次数增多，松砂将因 引起体积压缩而密实，在不排水条件下则发生孔隙水压力上升而强度下降，甚至 发生振动液化，所以上在动荷载作用下要考虑加荷次数的影响。按动力荷载的加 荷次数可以分为以下三种。 ( 1 ) 瞬时荷载。一次快速施加的荷载，如爆炸和海上波浪冲击波，加荷时间非 常短，由此引起土体的振动，由于受到阻尼作用，振幅在不长的时间内衰减为零。 饱和细粒土动荷作用机理研究 ( 2 ) 振动荷载。加荷几次至几十次的振动荷载，如地震力，加荷千百次的振 动荷载，如振动打桩、振冲法加固地基和波浪重复波的振动作用等。 ( 3 ) 疲劳荷载。加荷几万次以上的动荷载，如车辆行驶对路基的动力作用， 机器基础对地基的作用，都要考虑疲劳强度问题。( 河海大学，钱家欢，1 9 7 9 ) 动荷载作用于土体，主要有两种效应：一是速率效应，即荷载在很短的时间 内以很高的速率施加于土体所引起的效应；二是循环效应，即荷载的增减，多次 往复循环施加于土体所引起的效应( 谢定义，1 9 8 8 ) 。对于交通荷载( 车辆荷载) ， 其变化频率不高，作用时间相对较长，一般只考虑循环效应。车辆行驶时对路面 和地基的作用荷载会因车型、车速不同而差别很大，其作用大小、作用时间及作 用频率均呈动态变化，要准确模拟比较困难，一般将交通荷载近似作为循环荷载 考虑。龚晓南( 1 9 9 8 ) 认为，对于修建在软土地基上的高速公路，行车荷载的作用 范围、作用时间很复杂，行车荷载作用下软土地基的变形性状是值得迸一步研究 的课题。 1 1 1 饱和细粒土动荷作用下液化机理的研究现状 本文，按照g b 5 0 0 2 1 2 0 0 1 及j t j 0 2 4 8 5 规范中规定的饱和细砂、粉砂及粉土 层统称为饱和细粒土，其孔隙水及土粒在地震波作用下，动能增加，在重力及由于 震动产生的周期剪应力f 。作用下产生超静孔隙水r 匝3 j u + u ，在极短时间内孔隙 水压力u 上升为u + u ，土体内的有效应力o = o 一( u + u ) 下降，当u + u o 时 土体显示出液体特性，发生液化。若土体内尚有一定的抵抗变形的残余阻力( 抗剪 强度r j ) ，在。作用下仅引起有限的应变和变形，土体尚能稳定。若f 。很大和持 续强烈作用时间较长，可使土体中u + u 继续上升并保持很高值，f ，一o ，在f j 较低情况下，f ，等的作用使土体发生连续的大变形、运动，产生宏观上的流滑、 喷水冒砂、震陷等震害现象。 饱和细粒土液化的总应力法中，s e e d i d r i s s 简化法是一维总应力法，它 定义砂土液化强度比f 为地震时细粒土的平均动切应力强度与引起液化所需的动 切应力强度之比，当f 1 时，细粒土液化。s e e d l e e i d r i s s 法是二维总应 力法，该法用有限元法计算设计地震时土单元水平面上的等价地震切应力幅值， 2 饱和细粒土动荷作用机理研究 用往返荷载液化试验确定产生液化时作用于破坏面上的往返切应力幅值，当地震 切应力幅值大于往返切应力幅值时，细粒土液化。m e j i a 和s e e d 在1 9 8 1 年提出 液化分析的三维总应力法，他们考虑土的动力非线性，采用频率域的方法进行计 算，分析比较了坝址峡谷的几何形状及单元划分对动应力反应的影响。 细粒土液化的有效应力法，在饱和细粒土的振动过程中，i l 压的发展变化不 仅具有平均量的单调增长性，而且具有瞬态量的波动变化性。目前，大多数计算 方法只能考虑振动过程中单调增长的残余孔压的变化规律。因此，探讨振动荷载 下饱和砂土瞬间孔压的变化规律，更具广泛意义。同时，在液化评价标准的选择 上也因计算方法的不同而有所不同。常用的判别标准有应力标准，应变标准， 有效应力路径法判别标准等。 建筑抗震设计规范中关于液化判定方法，在液化初判中较全面地考虑了 场地地震基本烈度、土层的地质年代、粘粒含量p 、地下水位深度d ，、上覆非 液化层厚度等重要因素，较有效地进行液化初判，为是否要进行复判指明了方向。 第二步判定计算主要从基本烈度、地下水位深度巩、粘粒含量成、标贯试验结 果 ，、试验点深度d ，及其代表厚度等因素出发，对液化和液化程度作定量计 算进行判定，并规定相应的处理措施。 目前，国内外对循环荷载作用下软粘土性状的研究已取得较多的研究成果， 但在很多方面尚未取得一致的认识。而对饱和细粒土在动荷载作用下特别是交通 荷载作用下的研究相对较少。 饱和细粒土为粗粒土和粘性土之间的一种过渡类型，在周期性循环荷载作用 下强度变化具有显著特殊性，对饱和细粒土的振动液化过程机理进行研究，具有 十分重要的理论意义和现实意义。钟龙辉，石兆吉，刘颖等对影响粉土液化的因 素和判别方法进行了一系列的研究，指出影响粉土液化的因素主要有，( 1 ) 粘粒含 量；( 2 ) 粉粒含量；( 3 ) 干重度；( 4 ) 固结压力；( 5 ) 动应力；( 6 ) 动应力循环次数等。牛 琪瑛、裘以惠等对粉土中粘粒含量的影响作了进一步的研究，通过对含天然粘粒 的粉土进行动三轴试验得出，动剪应力比在粘粒含量等于9 时最低。p o l i t o 等 用循环三轴实验研究了粉粒和粘粒含量对液化阻力的影响。杨少丽利用数值模拟 分析了波浪作用下海底粉砂液化的机理，得出粉土在较强风浪动荷载作用下产生 饱和细粒土动荷作用机理研究 累积超孔隙水压力，而且土层中超孔压沿深度分布不均匀，存在极值区。 t h e v a n a y a g a m 等j 研究表明，粉砂与纯砂的液化特点有较大区别，主要是由于微 结构的改变，使它们的物理特性有较大的差别。s e e d ，曹宇春，吴世明，周健， 等研究了在动力作用下，粉土的液化机理和判别方法，并提出了粉土液化分析的 模型。 液化后土体的强度试验研究，目前也取得一定的进展。l u 通过对原状土样 的室内振动实验，观察土样强度的丧失与恢复，认为黄河口粉土具有一定的触变 性。加拿大g u 等通过室内试验研究可液化材料达到峰值强度后应变软化和孔压 增长的特性，提出液化后渐进破坏分析方法，对美国圣弗南多坝进行数值计算， 得出与观测成果一致的结论。f i n n 根据室内实验中应力路径、制样和有效围压等 条件变化，得出残余强度的影响因素及液化后土体大位移计算。刘汉龙等用稳态 强度理论和动力有效应力分析方法，给出土体液化后位移和残余强度的关系。 目前对饱和细粒土的研究工作目前主要集中于室内实验和数值模拟方面，由 于受样品扰动、尺度效应、边界条件及理想化模型限制，研究结果常与实际破坏 状况存在较大的差异，专家学者正聚集于现场进行试验研究。 1 , 1 2 饱和细粒土动荷作用下变形研究现状 循环荷载作用下饱和细粒土及软粘土的变形可分为瞬时不排水状态下的变 形和长期部分排水状态下的变形。地震荷载作用下土体变形可视为前一种情况， 近海石油平台在波浪荷载作用下的变形和公路软基在交通荷载作用下的变形可 视为后一种情况。早期的研究如l u o ( 1 9 7 3 ) 等没有考虑排水影响。h y o d o ( 1 9 9 2 ， 1 9 9 4 ) 通过应力控制式循环三轴试验得出，不排水条件下双幅循环剪应变与有效 应力比之间存在唯一性的关系，它与循环剪应力无关，即：s 。= ，7 ，( c 一，。) ， 式中g ，。为双幅循环剪应变：，。为有效应力比，定义叩，= g 。五；g 。为有效 偏应力：p ：为有效固结压力；c 为试验常数。通过这一关系，可由不排水试验结 果直接估算排水条件下的残余应变。采用有限元法，考虑孔压产生和消散耦合的 固结微分方程进行计算。 黄博( 2 0 0 0 ) 等对粉土和粉砂的动力特性进行了试验研究，在室内利用重 4 饱和细粒土动荷作用机理研究 塑样，通过控制土的密度及剪切波速，尽可能粉砂及粉土的原状结构，采用共振 仪和加装了弯曲元的动三轴仪，分析了粉士和粉砂的动力变形特性，并探讨了天 然土体与室内试样之间剪切波速存在差异的原因采用预振方法控制重塑土样的 剪切波速，使之与现场一致，在此基础上进行了液化试验，并通过对比传统重塑 样的试验结果，初步探讨分析了预压后孔压增长规律，得出临界剪应变是随着土 体种类、地震震级而变化的，钱塘江地区粉土和粉砂的单幅临界剪应变值在i 3 。 陈文化”3 ( 2 0 0 2 ) 通过对砂土动力剪切荷载作用过程中的土骨架接触面部分 可能发生的弹性恢复和永久变形及破碎引起的最剧烈的塑性变形，并且提出了可 以通过液化前后颗粒粒径的质量百分含量的对比试验，来验证破碎模型的合理 性；为进行砂土动力非线性的本构，总结了更为简化的时域连续的函数经验公式， 使得在时域内进行土壤动力特性和动力非线性反应分析，以及用剪胀性理论解释 动力液化和变形问题易于进行；得出体应变的全量与时间的关系式 占“) ：竺+ 口( 1 一p “l ，式中a 为与砂的特性有关的参数；b 为与剪应变( 或剪应 力) 的幅值有关的参数。 白冰。”( 2 0 0 2 ) 在有强夯荷载作用下饱和土层内孔隙水压力分布理论研究成 果的基础上，提出了预估强夯荷载作用瞬间由于孔隙水压力消散所引起的饱和土 层固结变形量的计算方法，即 s 。= 群 ，f m 一2 驯胁i 噜d = 悻e 引m ：, n2 ，- j 同时讨论了固结系数、卸荷固结比等土性参数对强夯冲击荷载作用下固结变形量 大小的影响，进一步解释了强夯法加固饱和土层的机理，得出土层的最大固结变 形量发生在最大表面接触动应力之后一段时间内，即存在着滞后现象，其后地基 土可能会发生少量的回弹，这与卸荷固结比r 等土性参数的大小直接相关。一般 r 愈小，回弹变形量愈大，而总固结变形量愈小；针对不同的冲击荷载时程曲线 形态只对静期固结变形计算结果有一定影响，而总固结变形量则相差不大。 孙业志”3 ( 2 0 0 0 ) 等利用耗散结构理论，对饱和散体( 如碎岩、砂土、尾矿 等) 自组织临界性进行了研究，分析了振动液化的演化的过程，认为当不可逆力 饱和细粒土动荷作用机理研究 增加到一定值时，系统进入远离平衡状态，新的结构可能出现。根据协同学理论， 给出了液化的演化方程，并对演化过程作动力分析，得出振动液化的演化过程中 存在着由倍周期分叉走向混沌的过程，涨落是系统演化的最初动力。对液化过程 作分形分析，分析振动液化的稳态发展过程服从冥律关系，显示出自组织临界性， 随着循环次数达到一定程度，饱和散体应力急剧减小，应变急剧增加，已不能再 承受荷载，于是出现“雪崩”现象。 1 1 3 饱和细粒土变形破坏及处置措施研究现状 汪闻韶”3 指出，从液化发生的机理中看，饱和砂土( 包括无粘性土和少粘性土) 在砂沸、流滑和循环活动性中应力状态的演变都没有逾越其极限平衡状态，并且 最后都归缩到极限平衡状态。就砂沸而言，在孔隙水压力上升过程中，因有效侧压 力系数k 受到公式( 6 ) 的限制，故始终未逾越极限平衡条件。当达到发生砂沸后， 可称为破坏；但若其不影响建筑物和周围环境的安全时，也可不意味为破坏。流 滑是一种危险性较大的事件，当其应力状态尚未达到最后极限平衡条件时即可触 发突然液化和流动状大变形，患害是明显的，可称为破坏。但是最后仍归缩到极限 平衡条件，此时它的抗剪强度已很低。循环活动性只有在循环过程中饱和砂土中 出现偏应力张量等于零的瞬间才有可能发生，且始终徘徊于极限平衡界线左近而 未能逾越。砂土在循环活动性过程中，可以发生多次瞬态失稳，但是只有有限变形 的累积。当其累积变形没有超过实用允许变形值时，一般可不称为破坏。这个关 系在土坝抗震设计中特别受到关注。 建筑在饱和细粒土之上的一些工程特别是高速公路及铁路在使用过程中存 在一些问题，或者称为病害，主要的地基病害表现为：不均匀沉降；隆起，沉陷、 翻浆和推移。 通过对地基土不均匀沉降的调查分析，找出地基土产生上述病害的原因如 下：填方地基土体压实度不足，地基土体的先期固结压力小于自重应力，地基 土体将在自重作用下，继续沉降，直至先期固结压力等于自重应力。地基土体 中存在饱和软土层时，由于渗透固结和次固结需要较长时间，在建成后较长时间 内，沉降会持续进行。如处于车辆荷载作用下的地基由于处理不当会导致不均匀 沉降，从而引起路面病害。地下水的动态变化，将引起土体容重、孔隙水压力 6 饱和细粒土动荷作用机理研究 等的变化，尤其是负孔隙水压力，使土体产生较大的附加压力。这些附加压力， 造成填土的附加沉降。直接建筑在饱和细粒土地基上的建筑物，未作任何工程 加固，在车辆荷载长期作用下，反复发生液化，形成流滑，导致地基下沉及开裂。 填土地基的侧向变形也是产生不均匀沉降的原因。有效地限制侧向变形，可以 减少不均匀沉降。饱和细粒土富含水，易于形成毛细管，在我国北方冬季与春 季交界处，冻融作用明显，下部地基土层力学指标下降，在循环荷载作用下，易 于形成上部基础丌裂、沉陷，同时形成由下部土层侧移形成的隆起及推移。 目前国内外对地基沉降及不均匀沉降的处理措施有：在高速公路中采用低 等级路面过渡，是目前用得较多的不均匀沉降处理措施，先用低等级路面铺筑， 待沉降稳定后，再用罩面处理。它是一种比较被动的手段。对地表地基进行掺 灰处理，固化地基，提高其承载力及增强其整体性应用土工合成材料( 土工格 栅、塑料网格等) 进行加筋或制成柔性褥垫层，使之调节和控制不均匀沉降。 应用超轻质e p s 泡沫综合处理沉降。压力灌浆法，是利用机械施加高压，把 能固化的浆液压入饱和细粒土土体空隙，浆液凝固后，使压力区范围内的土体固 结，松散的土颗粒形成整体达到控制沉降，减少不均匀沉降的目的。强夯法， 强夯法与压力灌浆法都是目前发展起来的处理路基不均匀沉降的有效措施。强夯 法是利用大能量重锤直接作用在被处理范围土体上，通过整体提高被处理土体的 密实度减少不均匀沉降变形。 1 2 本文研究目标、主要内容及拟解决技术问题 本论文依托山东省交通厅科技计划项目“车辆微振作用下饱和细粒土液化机 理及改良”课题来开展工作，根据目前饱和细粒土在路基工程中出现变形破坏严 重情况，针对山东饱和细粒土动荷作用下表现出液化破坏特性来细化研究工作， 目前主要通过对在动荷作用下的近代黄河沉积的饱和细粒土初步研究，柬初步建 立适用于本地区的地基土液化破坏判别方法，为地区性抗震设计规范建立奠定基 础。通过现场不同重复循环荷载试验，利用现场测试技术进行饱和细粒土变形破 坏特征研究，来建立饱和细粒土变形破坏判据。 饱和细粒土动荷作用机理研究 1 3 采取的技术路线 现场动荷载试验和室内动三轴试验相结合，测试土体现场原位变形和强 度，建立破坏判掘和分析模型，进行进一步验证。具体如下： ( 1 ) 通过现场调研和考察，结台实际公路地基勘察项目，选择外展现场工 作的典型的研究区，了解自然环境特征； ( 2 ) 选择典型地段进行钻探、取样、标贯、静探、动载荷试验等现场原位 测试，获取代表性地段现代黄河沉积形成的饱和细粒土地层结构、力学指标和地 球物理参数； ( 3 ) 进行典型上样的微结构扫描电镜观测和矿物成分x 劓线分析，掌握代 表性地段黄河沉积的饱和细粒土微结构和成分特征； ( 4 ) 利用一系列常规室内土工试验以及静三轴试验、高压渗透试验，获取 黄河沉积的饱利细粒土的基本物理力学性质指标和固结、排水状况； ( 5 ) 利用动三轴试验模拟研究微振环境中土体的动力反应过程； ( 6 ) 利用现场循环荷载试验来分析黄河沉积的饱和细粒+ 在车辆作用下的 ( 6 ) 利用现场循环待载试验来分析黄河沉积的饱和细粒土在车辆作用下的 变形机理。 饱和细粒土动荷作用机理研究 2 黄河三角洲饱和细粒土循环荷载作用下液化机理研究 根据课题需要，结合山东省高速公路建设，我们选择了具有典型意义的现代 黄河三角洲，其土质主要出饱和的粉砂及粉土组成，属饱和细粒土范畴。 研究区试验点位于黄河1 9 6 4 1 9 7 6 年问由刁口流路入渤海时沉积形成的三 角洲低潮坪区( 图2 1 ) ，高潮时潮坪区水深o 5 米左右，低潮时露出水面，提供 可行的现场测试工作丌展条件。试验点北边、东边有油阳为极浅海采油铺筑的漫 水路和平台，具体见图2 1 试验点位置。 研究区l m 深度范围内的表层土体为粉砂、粉土。矿物成分为石英、长石、 方解石、白云石和部分粘土矿物，碎屑矿物占7 0 8 0 。其中石英含量约占4 0 ， 长石占2 0 左右，方解石占1 0 左右，白云石只有1 3 的含量。粒度成分和 基本物理力学性质指标变化幅度相对较小，粉粒含量在6 8 3 8 6 1 之间，粘粒 含量在1 2 4 2 1 2 之间，含水量为2 6 7 2 7 2 ，孔隙比为o 7 0 3 0 8 6 2 ，压 缩系数在0 1 9 4 0 2 3 7m p a 1 之间，十字板抗剪强度在7 3 3 3 2 k p a 之间，轻型动 力触探击数为4 2 6 击。 酗 ，e 1 器1 2 ，”9 + 2 7 。 来琅方向 l 睦 f ，4 r 、 序一曼曼冀i - 爨 圈 臣 。 臣夕字海 o 图2 1 研究区位置图 饱和细粒土动荷作用机理研究 2 1 黄河三角洲饱和细粒土对循环荷载能量的吸收与变化 2 1 1 现场试验 ( 1 ) 试验内容 试验内容主要由三部分组成，即振动能量吸收、振动孔压采集和振动静后土 体电阻率的测量。采用g e o p e n 数字化地震仪测量和记录土体对振动能量吸收。 采用南京水科院生产的孔压自动采集仪系统自动测记孔压变化值。根据w e n n e r 双称四极原理自行设计电阻率测试装置，电极的排列间距为l o c m 。 ( 2 ) 现场布置及过程 试验选在地形较平坦、土体较均一，面积约为3 m 3 m 的区域，试验稚置如 图3 2 所示。试验丌始前，在土体中用洛阳铲钻孔预埋孔压探头2 个、检波器探 头5 个。孔压探头分别埋于3 0 e r a 和6 0 c m 深