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基于变围压应力路径的饱和软粘土动力特性试验研究

谷川  
【摘要】:在我国东部地区,广泛分布着深厚软粘土层。软粘土具有强度低、含水量高、孔隙比大、压缩性大等诸如不良工程性质。在地震尤其是城市直下型地震作用下,软粘土容易产生裂缝以及局部大变形(震陷),并可能发生局部失稳;在交通荷载作用,下卧软粘土路基容易产生过大沉降或者不均匀沉降。 在以往的试验研究中,一般只是通过单一的循环剪应力或者循环偏应力模拟各种动荷载,但是不管是理论分析还是现场监测结果都表明:在地震荷载(尤其是城市直下型地震)或者交通荷载下,作用在饱和软粘土中的动应力场既包括循环剪应力,也包括相当大的循环水平正应力,因此使用循环正应力(循环围压)与循环剪应力(循环偏应力)耦合形成的应力路径模拟地震荷载(交通荷载)是一个更好的选择。本文基于变围压动三轴试验,全面地研究变围压应力路径对饱和软粘土动力特性的影响,具体内容包括: 1.针对基坑、隧道开挖过程中周围土体的复杂应力状态,使用变围压应力路径进行了模拟,发现不管在不排水还是部分排水条件下,饱和软粘土的抗剪强度、孔压发展和割线杨氏模量都出现较大的不同。围压的增加提高了抗剪强度却降低了割线杨氏模量,围压的减小降低了抗剪强度却提高了割线杨氏模量。表明仅仅通过单一的常规CU试验确定各种工况下土体的静强度参数是不合理甚至不安全的。 2.研究了变围压对饱和软粘土动模量的影响。试验结果表明,与塑性指数等因素相比,变围压对动模量作用同样不可忽略。当相位差为180度时,随着循环围压幅值的增大,G/Gmax~y曲线向上提升;当相位差为0度时,随着循环围压幅值的增大,G/Gmax-y,曲线向下降低。进一步在Stokoe公式的基础上,建立了考虑变围压因素的动模量模型,其中的α参数显示出与应力路径斜率良好的相关性。鉴于实际动荷载中变围压存在的普遍性,建立考虑变围压条件的动模量模型更加具有工程实际意义。 3.针对城市直下型地震下P波和S波的耦合,通过45度剪切面上循环正应力与循环剪应力的耦合进行了模拟。试验结果表明,循环围压对饱和软粘土的动孔压、有效应力路径、动应变、滞回圈都产生了较大的影响:最大动孔压和最小动孔压表现出完全不同的发展规律,并进一步改变了有效应力路径的形状;不同应力路径斜率下,拉-压应变的比值出现较大变化;变围压对动应变的影响不但与相位差、循环围压幅值有关,而且与循环偏应力幅值有关;随着频率的减小循环围压对动应变的作用越来越明显。进一步基于Skempton公式,对变围压条件下最大动孔压和最小动孔压进行了预测,并提出了一种新的残余孔压计算方法。分别从总应力路径和有效应力路径的角度解释了动应变发展的机理,指出循环围压与循环偏应力的耦合最终表现为孔隙水与土颗粒的耦合。试验结果表明,城市直下型地震下P波和s波的耦合较大程度地降低了土体的动强度,幅度可达30%,对抗震设计不利。 4.针对交通荷载下动水平正应力与动偏应力的耦合,使用循环围压和循环偏应力耦合形成的应力路径进行了模拟。试验结果表明:不管在不排水还是部分排水条件下,循环围压都对饱和软粘土的动孔压、累积应变产生较大的影响。最大孔压的发展可以基于Skempton公式进行预测;而累积应变在不同排水条件下表现出不同的规律:不排水条件下,变围压的存在降低了应变的累积速度;部分排水条件下,变围压的存在大大加快了应变(包括体应变和轴向应变)的累积速度。在部分排水条件下,体应变和轴向应变的增值与与循环平均主应力的增值呈线性关系,而与循环偏应力幅值无关:对温州重塑软粘土,每1kPa循环平均主应力幅值在10000周时可产生0.0216%的体应变和0.0165%的轴向应变。鉴于变围压的巨大作用,进一步建立了考虑部分排水条件与循环围压的饱和软粘土的沉降预测模型。 5.基于小应变剪切模量对饱和土体结构的表征作用,研究了循环加载历史对饱和软粘土小应变剪切模量的影响:在加载前半段,循环应力历史影响下的小应变剪切模量与静力状态下的小应变剪切模量规律类似,但是出现约5%-8%左右的衰减;在加载的后半段,循环应力历史影响下的小应变剪切模量出现突降,到试验结束时降到只有静力状态下小应变剪切模量的25%左右。提出可以通过小应变剪切模量的突变定义饱和软粘土的破坏,对温州软粘土,拐点范围大约在有效应力降到初始有效应力的0.5~0.4倍及小应变剪切模量降到初始小应变剪切模量的0.5~0.4倍时。 上述研究成果显示:一方面,与之前学者的预测不同,循环围压对饱和软粘土的影响很大,完全不可忽略,本文的试验结果有助于人们深入了解变围压影响饱和软粘土动力特性的机理;另一方面,鉴于饱和土体动应力场中循环围压存在的普遍性,因此基于变围压应力路径对地震荷载和交通荷载的模拟更加真实,得到的动强度、累积变形等数据也更加准确。


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