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循环荷载作用下结构性软粘土特性的试验研究

陈颖平  
【摘要】: 我国东南沿海广泛分布着深厚结构性软粘土土层,在其上正兴建越来越多的大型交通工程,地基土经常承受交通等动力荷载的作用。为了保证目前越来越多的大型建、构筑物的安全与稳定,减少工程事故的发生,研究软粘土在结构变化时的不排水循环特性以及对这些特性的预测和评价具有重要意义。 本文在总结了目前关于循环荷载作用下软粘土特性以及弯曲元剪切波速测试与应用方面的相关研究成果的基础上,开展了如下研究工作: 1.在压缩仪上开发了压电陶瓷弯曲元剪切波速测试装置,并利用该装置测试了结构性软粘土在压缩过程中的剪切波速变化规律。试验结果表明:原状软粘土的剪切波速变化与其变形规律相吻合,随应力水平增加均可分为三个阶段,这三个阶段以先期固结压力和结构屈服应力为分界点,因此,利用剪切波速可简单方便地判定出这两个关键应力值。 2.对萧山原状、重塑及掺水泥的软粘土样进行了一系列的不排水循环三轴试验。研究结果表明,试样的应变—振次关系曲线上均存在着一个明显的转折点。在转折点之前,土样变形较小,而在转折点之后,土样变形急剧增大。施加的动应力幅值不同,该转折点应变也不相同,但在半对数坐标上大致落在一条直线上。原状样的转折点应变—破坏振次关系分三个阶段变化,且与压缩试验的三个阶段具有良好的对应关系;对于重塑样,该关系基本不随应力水平变化而变化;掺水泥试样的拟合系数与水泥掺量呈线性关系。 土结构性对土体的动应变和动强度特性有很大影响,当固结压力大于结构屈服应力时,原状土的变形和强度特性趋向于重塑土。 3.通过对三种试样剪切波速与动强度关系的分析,结果表明原状样的剪切波速由于受土结构性和孔隙比的耦合作用,总体上随着固结压力的增大而不断提高,与动强度呈非线性关系;若采用Hardin建议的F(e)=(2.973-e)~2/(1+e)对剪切波速进行归一,消除孔隙比的影响,则正常固结状态下归一化剪切波速与动强度呈良好的线性关系。 重塑样的剪切波速只受孔隙比e的影响,与土结构性无关,因此随着固结压力的增大而不断增大,并与动强度呈良好的线性关系。 对掺水泥试样的剪切波速同样采用上述F(e)表达式进行归一后,与试样动强度之间呈良好的线性关系,这表明对同种土样而言,只需对V_S采用F(e)进行归一,就可与相应的动强度呈良好的线性关系。若对掺水泥试样的剪切波速和动强度分别采F(e)和e进行归一,其值与原状样的剪切波速和动强度(未归一化值)呈良好的线性相关关系。 4.在循环三轴试验的基础上,提出了无偏移应力和有偏移应力情况下土体变形的本构模型,拟合值与测试结果吻合得较好。利用该模型结合2.5维有限元程序和分层总和法计算了交通循环荷载作用下软基的长期瞬时累积沉降,结果表明,交通荷载作用下路基下卧层软土地基的长期瞬时累积沉降随时间的增加而不断增大,但其增长速率会逐渐减小,直至稳定。软土地基的沉降随着交通荷载速度的提高而增大。软土地基的沉降主要分布在一定的深度范围以内,在该深度以下,沉降迅速变小。对软弱地基进行注浆加固,能有效降低交通荷载作用下软粘土地基的沉降。 最后,本文给出了结论和进一步研究的建议。


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