基于變圍壓應(yīng)力路徑的飽和軟粘土動(dòng)力特性試驗(yàn)研究.pdf

1、在我國東部地區(qū)，廣泛分布著深厚軟粘土層。軟粘土具有強(qiáng)度低、含水量高、孔隙比大、壓縮性大等諸如不良工程性質(zhì)。在地震尤其是城市直下型地震作用下，軟粘土容易產(chǎn)生裂縫以及局部大變形(震陷)，并可能發(fā)生局部失穩(wěn)；在交通荷載作用，下臥軟粘土路基容易產(chǎn)生過大沉降或者不均勻沉降。
　　 在以往的試驗(yàn)研究中，一般只是通過單一的循環(huán)剪應(yīng)力或者循環(huán)偏應(yīng)力模擬各種動(dòng)荷載，但是不管是理論分析還是現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果都表明：在地震荷載(尤其是城市直下型地震)或者交

2、通荷載下，作用在飽和軟粘土中的動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)既包括循環(huán)剪應(yīng)力，也包括相當(dāng)大的循環(huán)水平正應(yīng)力，因此使用循環(huán)正應(yīng)力(循環(huán)圍壓)與循環(huán)剪應(yīng)力(循環(huán)偏應(yīng)力)耦合形成的應(yīng)力路徑模擬地震荷載(交通荷載)是一個(gè)更好的選擇。本文基于變圍壓動(dòng)三軸試驗(yàn)，全面地研究變圍壓應(yīng)力路徑對(duì)飽和軟粘土動(dòng)力特性的影響，具體內(nèi)容包括：
　　 1.針對(duì)基坑、隧道開挖過程中周圍土體的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，使用變圍壓應(yīng)力路徑進(jìn)行了模擬，發(fā)現(xiàn)不管在不排水還是部分排水條件下，飽和軟粘土的

3、抗剪強(qiáng)度、孔壓發(fā)展和割線楊氏模量都出現(xiàn)較大的不同。圍壓的增加提高了抗剪強(qiáng)度卻降低了割線楊氏模量，圍壓的減小降低了抗剪強(qiáng)度卻提高了割線楊氏模量。表明僅僅通過單一的常規(guī)CU試驗(yàn)確定各種工況下土體的靜強(qiáng)度參數(shù)是不合理甚至不安全的。
　　 2.研究了變圍壓對(duì)飽和軟粘土動(dòng)模量的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，與塑性指數(shù)等因素相比，變圍壓對(duì)動(dòng)模量作用同樣不可忽略。當(dāng)相位差為180度時(shí)，隨著循環(huán)圍壓幅值的增大，G/Gmax～γ曲線向上提升；當(dāng)相位差為0度

4、時(shí)，隨著循環(huán)圍壓幅值的增大，G/Gmax～γ曲線向下降低。進(jìn)一步在Stokoe公式的基礎(chǔ)上，建立了考慮變圍壓因素的動(dòng)模量模型，其中的α參數(shù)顯示出與應(yīng)力路徑斜率良好的相關(guān)性。鑒于實(shí)際動(dòng)荷載中變圍壓存在的普遍性，建立考慮變圍壓條件的動(dòng)模量模型更加具有工程實(shí)際意義。
　　 3.針對(duì)城市直下型地震下P波和S波的耦合，通過45度剪切面上循環(huán)正應(yīng)力與循環(huán)剪應(yīng)力的耦合進(jìn)行了模擬。試驗(yàn)結(jié)果表明，循環(huán)圍壓對(duì)飽和軟粘土的動(dòng)孔壓、有效應(yīng)力路徑、動(dòng)應(yīng)變

5、、滯回圈都產(chǎn)生了較大的影響：最大動(dòng)孔壓和最小動(dòng)孔壓表現(xiàn)出完全不同的發(fā)展規(guī)律，并進(jìn)一步改變了有效應(yīng)力路徑的形狀；不同應(yīng)力路徑斜率下，拉.壓應(yīng)變的比值出現(xiàn)較大變化；變圍壓對(duì)動(dòng)應(yīng)變的影響不但與相位差、循環(huán)圍壓幅值有關(guān)，而且與循環(huán)偏應(yīng)力幅值有關(guān)；隨著頻率的減小，循環(huán)圍壓對(duì)動(dòng)應(yīng)變的作用越來越明顯。進(jìn)一步基于Skempton公式，對(duì)變圍壓條件下最大動(dòng)孔壓和最小動(dòng)孔壓進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并提出了一種新的殘余孔壓計(jì)算方法。分別從總應(yīng)力路徑和有效應(yīng)力路徑的角度解

6、釋了動(dòng)應(yīng)變發(fā)展的機(jī)理，指出循環(huán)圍壓與循環(huán)偏應(yīng)力的耦合最終表現(xiàn)為孔隙水與土顆粒的耦合。試驗(yàn)結(jié)果表明，城市直下型地震下P波和S波的耦合較大程度地降低了土體的動(dòng)強(qiáng)度，幅度可達(dá)30％，對(duì)抗震設(shè)計(jì)不利。
　　 4.針對(duì)交通荷載下動(dòng)水平正應(yīng)力與動(dòng)偏應(yīng)力的耦合，使用循環(huán)圍壓和循環(huán)偏應(yīng)力耦合形成的應(yīng)力路徑進(jìn)行了模擬。試驗(yàn)結(jié)果表明：不管在不排水還是部分排水條件下，循環(huán)圍壓都對(duì)飽和軟粘土的動(dòng)孔壓、累積應(yīng)變產(chǎn)生較大的影響。最大孔壓的發(fā)展可以基于Ske

7、mpton公式進(jìn)行預(yù)測(cè)；而累積應(yīng)變?cè)诓煌潘畻l件下表現(xiàn)出不同的規(guī)律：不排水條件下，變圍壓的存在降低了應(yīng)變的累積速度；部分排水條件下，變圍壓的存在大大加快了應(yīng)變(包括體應(yīng)變和軸向應(yīng)變)的累積速度。在部分排水條件下，體應(yīng)變和軸向應(yīng)變的增值與與循環(huán)平均主應(yīng)力的增值呈線性關(guān)系，而與循環(huán)偏應(yīng)力幅值無關(guān)：對(duì)溫州重塑軟粘土，每1kPa循環(huán)平均主應(yīng)力幅值在10000周時(shí)可產(chǎn)生0.0216%的體應(yīng)變和0.0165%的軸向應(yīng)變。鑒于變圍壓的巨大作用，進(jìn)一步

8、建立了考慮部分排水條件與循環(huán)圍壓的飽和軟粘土的沉降預(yù)測(cè)模型。
　　 5.基于小應(yīng)變剪切模量對(duì)飽和土體結(jié)構(gòu)的表征作用，研究了循環(huán)加載歷史對(duì)飽和軟粘土小應(yīng)變剪切模量的影響：在加載前半段，循環(huán)應(yīng)力歷史影響下的小應(yīng)變剪切模量與靜力狀態(tài)下的小應(yīng)變剪切模量規(guī)律類似，但是出現(xiàn)約5%～8%左右的衰減；在加載的后半段，循環(huán)應(yīng)力歷史影響下的小應(yīng)變剪切模量出現(xiàn)突降，到試驗(yàn)結(jié)束時(shí)降到只有靜力狀態(tài)下小應(yīng)變剪切模量的25%左右。提出可以通過小應(yīng)變剪切模量的

9、突變定義飽和軟粘土的破壞，對(duì)溫州軟粘土，拐點(diǎn)范圍大約在有效應(yīng)力降到初始有效應(yīng)力的0.5～0.4倍及小應(yīng)變剪切模量降到初始小應(yīng)變剪切模量的0.5～0.4倍時(shí)。
　　 上述研究成果顯示：一方面，與之前學(xué)者的預(yù)測(cè)不同，循環(huán)圍壓對(duì)飽和軟粘土的影響很大，完全不可忽略，本文的試驗(yàn)結(jié)果有助于人們深入了解變圍壓影響飽和軟粘土動(dòng)力特性的機(jī)理；另一方面，鑒于飽和土體動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)中循環(huán)圍壓存在的普遍性，因此基于變圍壓應(yīng)力路徑對(duì)地震荷載和交通荷載的模擬更加