循环荷载下软黏土强度弱化研究及其动力计算应用

滨海软黏土在波浪循环荷载作用下会发生强度弱化,从而降低软黏土地基承载力,影响结构稳定性。以烟台港原状淤泥质粉质黏土为研究对象,通过室内动三轴试验,以围压、初始静偏应力、循环动应力和循环次数为试验变量,分析不同应力组合作用下的淤泥质粉质黏土的孔压发展规律和不排水抗剪强度弱化规律。根据孔压发展规律拟合出软黏土双曲孔压计算模型,同时利用等效超固结比理论,将得到的孔压模型和强度规律结合起来,提出了综合考虑围压、静偏应力、动应力和循环次数适用于整个动态循环过程的不排水抗剪强度弱化公式,并通过试验对公式进行了验证。最后将公式应用于烟台港防波堤数值模型的动力计算中。从试验到数模,比较完整地提出了一套便于应用于工程实践的考虑地基土体循环弱化效应的动力计算方法。     

饱和软粘土的不排水循环累积变形特性

在上海地区典型饱和软粘土不排水循环三轴试验的基础上,分析了影响软粘土塑性累积变形的主要因素:循环荷载的作用次数,初始静偏应力和循环加载动偏应力。基于临界状态土力学理论,引入了相对偏应力水平参数,考虑初始静应力、循环动应力和不排水极限强度的相互影响,研究了不同静、循环动应力组合应力历史影响下饱和软粘土的不排水循环累积变形特性。     

长期往复荷载作用下近海饱和软黏土强度和刚度的弱化特性

长期往复荷载作用下,饱和软黏土强度和刚度的衰减是近海桩基础设计必须考虑的,利用带弯曲元的循环三轴仪对原状饱和软黏土进行了一系列等向固结和非等向固结条件下不排水单调和循环加载三轴试验,并在循环加载过程中通过弯曲元测试土体剪切波速。试验结果表明,在相同的固结条件下,随循环次数的增加和动应力比的提高土体的强度和刚度衰减显著;在相同动应力比作用下较小的有效固结应力和偏压固结减缓了土体刚度的弱化。已有的相对偏应力水平参数不能反映不同固结条件下近海饱和软黏土强度和刚度循环弱化特性,为此引入了动偏应力水平参数,考虑了有效固结应力、固结静偏应力、动偏应力的相互影响,利用动偏应力水平对饱和软黏土的强度和刚度循环弱化特性进行描述。     

单向循环荷载作用下饱和软黏土的性状研究

模拟交通荷载的作用,对珠江三角洲地区的高液限饱和软黏土和低液限饱和软黏土分别进行单向加载的循环三轴试验,研究饱和软黏土在压缩循环荷载下的轴向累积应变和累积孔压的发展情况,并充分考虑轴向循环压力大小、围压与塑性指数等因素对饱和软黏土性状的影响。试验结果表明:(1)单向循环荷载作用下,饱和黏土存在着临界循环应力,对于同一种土、不同围压下的临界循环应力,可引入临界循环应力比,用饱和黏土在各个围压下的不排水强度对临界循环应力进行归一化处理。(2)临界循环应力比的大小与饱和黏土的塑性指数有关,塑性指数越大,临界循环应力比越小。(3)循环应力大于临界循环应力时,累积轴向应变与累积孔压随循环次数变化的曲线是破坏型的。(4)循环应力小于临界循环应力时,累积轴向应变与累积孔压随循环次数变化的曲线是衰减型的,在相同的加载条件下,塑性指数大的试样累积变形和累积孔压均比塑性指数小的累积变形和累积孔压发展得快。(5)在单向循环荷载作用下,饱和黏土破坏时,孔压均没有达到围压值,只有围压的60%～70%。该研究成果可为交通荷载作用下软土地基沉降分析提供有益的参考。     

主应力轴循环旋转下饱和黏土累积孔压显式模型

交通荷载下饱和黏土累积孔压消散是导致交通荷载下路基沉降的重要因素。在详细介绍黏土空心圆柱试样制作过程的基础上,在各向等压条件下,分别对黏土试件在100,150,200 kPa压力下固结,而后进行主应力轴旋转角连续变化范围分别为[-15°,15°]、[-30°,30°]、[-45°,45°]和[-60°,60°]的不排水循环加载试验,循环次数为10 000次。得到了循环累积孔压的变化受静偏应力、初始固结压力及空心圆柱试样主应力轴连续旋转角影响的规律。运用修正动偏应力水平来考虑初始静偏应力和动偏应力对不排水累积孔压的影响,建立了常剪应力循环主应力轴偏转角循环加载下累积孔压模型。通过非各向等压固结循环扭剪试验累积孔压值对所建立的累积孔压模型的正确性进行验证。     

主应力轴循环旋转下饱和软黏土的累积变形

交通荷载下地基中土单元的主应力大小和方向将同时发生变化,现有的计算交通荷载引起的路基长期沉降实用模型未能反映交通荷载引起的土体单元主应力轴循环旋转现象。在推导常广义剪应力主应力轴循环旋转方程及验证空心圆柱剪切仪动力加载能力基础上,对上海第④层饱和软黏土进行一系列常广义剪应力主应力轴循环旋转加载试验及非等向固结下循环扭剪试验,分析了主应力轴旋转角、围压及静偏应力对循环塑性累积广义剪应变的影响。 将常广义剪应力主应力轴循环旋转加载试验等效成不同不排水静偏应力和动应力循环旋转加载试验,从而进一步 验证了文献 [12] 所提出的显式模型在模拟主应力循环旋转效应方面的可靠性。     

考虑变围压因素的饱和软黏土循环纯压动力特性

饱和土体的动力特性表现出对应力路径的依赖性。越来越多基于变围压动三轴的试验结果表明：循环围压应力路径对砂土等颗粒材料的变形和回弹特性存在较大的影响。基于变围压动三轴试验,通过循环偏应力与循环围压的耦合模拟真实交通荷载下竖向循环正应力与水平循环正应力的耦合,研究了循环围压对饱和软黏土孔压、永久和回弹变形的影响。试验结果表明：在不排水条件下,与常规恒定围压动三轴试验结果相比,循环围压的存在较大程度地改变了孔压的发展规律,减少了永久变形的累积速度,同时增加了回弹变形（即减少了回弹模量）;循环围压幅值与循环偏应力幅值的比值（RPD）越大,永久应变的减少值与回弹应变的增加值越大;并进一步建立了考虑循环围压因素的饱和软黏土永久沉降和回弹模量预测模型。     

循环荷载作用下泥炭质土动力累积特性试验研究

工程实践中,泥炭质土由于富含有机质,具有高含水量、低密度、超高压缩性以及低强度的异常力学特性,往往被视为问题土。针对昆明地区交通荷载作用下泥炭质土的动力响应特征,选取滇池草海附近典型泥炭质土,开展考虑围压水平、动应力幅值以及静偏应力影响的不排水循环三轴试验,研究该土的长期累积变形特性。研究表明:研究土样具有典型泥炭质土特征,表现为含水量181.5%~259.3%,密度1.10~1.22 g/cm~3、有机质含量29.9%~53.0%,有机物质分解度较高;动应力幅值和静偏应力对昆明泥炭质土的长期动力特性影响显著,大动应力幅值和静偏应力加剧累积变形和孔压的发展,同时,当动应力水平小而静偏应力大时,累积塑性变形的发展速度反而大;虽然初始围压对累积变形影响较小,但对残余孔压的影响显著。此外,基于双对数坐标下累积应变速率与循环周次关系以及前人研究方法,建立了泥炭质土累积塑性应变与动荷载循环周次间的经验关系。     

循环偏应力和循环围压耦合应力路径下饱和软黏土动模量衰减规律研究

动模量一直是土动力学研究中最为重要的参数之一,土动力学中使用最为广泛的等效线性本构模型即对动模量随动应变衰减规律的定量描述。在之前关于饱和软黏土动模量的研究中,已经考虑到诸如固结比、塑性指数、土体组构、饱和度、先期应力历史、动荷载频率、时间效应等因素的影响。但是由于各种各样的原因,鲜有文献涉及应力路径尤其是循环偏应力和循环围压耦合应力路径对饱和软黏土动模量衰减规律的影响。考虑到循环围压在土体动应力场中存在的普遍性,通过一系列循环偏应力和循环围压耦合应力路径下的逐级加载试验,研究了循环围压对饱和软黏土动模量衰减规律的影响。试验结果表明：循环围压不但会改变了某一应变值下饱和软黏土动模量的大小,而且其改变趋势及大小与相位差有关;通过拟合分析证实Hardin-Drnevich模型并不适合循环偏应力和循环围压耦合应力路径下饱和软黏土动模量衰减规律的定量描述,而基于Stokoe公式却得到了较为理想的拟合结果。     

静动应力下正常固结黏土循环特性研究

利用动三轴仪对天津正常固结饱和黏土进行循环剪切试验,重点研究静偏应力与动应力组合作用下土体动变形、动弹性模量及动孔压的变化规律。结果表明静偏应力对黏土循环特性影响显著。静偏应力为0时,土体产生拉应变,其随动应力增加不断增大,量级为10-3。静偏应力大于0时,土体产生压应变,此时若动静应力比小于1,压应变随动应力增加不断增大;若动静应力比大于1,压应变不断减小。相同静偏应力下,动弹性模量随动应力增加不断减小;相同动应力下,动弹性模量随静偏应力增加不断减小,且土体更易发生应变软化。静偏应力为0或为拉时,动孔压在-1~1 kPa范围波动。     

基于修正Iwan模型的软黏土动应力–应变关系研究

在循环荷载作用下,饱和软黏土由于孔压上升和结构重塑会发生应变软化;同时会产生累积塑性应变。而且,当存在初始偏应力时,累积塑性应变的发展速率加快,并随着循环次数的增加,滞回圈明显向右滑移。正基于此,本文通过对杭州正常固结饱和软黏土进行应力控制的循环三轴试验,首先建立考虑不同动应力、初始偏应力下正常固结软黏土的软化指数经验模型;然后将软化模型引入Iwan串联模型中考虑循环软化的影响;同时再串联一理想刚塑性元件,模拟循环过程中产生的累积塑性应变;最后结合Masing准则对软黏土的动应力–应变关系进行了描述。通过对试验值进行模拟以及与其他模型的对比分析,初步证明了模型的合理性和有效性。     

循环荷载下平面变形超固结软土蠕变特征试验研究

采用原状试样试验研究平面变形超固结软土在循环荷载下的变形特征。研究表明,静力荷载试验应力状态平面变形条件下,正常固结和超固结软黏土以固结变形为主要特征。循环荷载试验应力状态平面变形条件下,正常固结和超固结软黏土以剪切变形为主要特征,超固结软土侧向变形小于正常固结软土。饱和软黏土试样在循环荷载作用初期孔隙水压力不显示波动特征,总体趋势为累计增大到峰值后连续下降,与静荷载作用下的孔压变化特征类似。循环荷载长时间作用后,孔隙压力呈现波动特征,波动峰值随时间逐渐减小,衰减过程与应力状态和应力历史有关。     

循环荷载后原状与重塑饱和粉质黏土不排水强度性状研究

为研究循环荷载作用后原状土与重塑土不排水强度发展规律,针对天津典型粉质黏土做了一系列动、静力三轴试验。结果表明,振后原状土样不排水抗剪强度会发生衰减,当振后轴向应变大于 3% 时,衰减度 β 随动轴向应变增加呈现先增大后稳定的趋势;最大孔压比处于 0.5 ～ 0.7 之间时,不排水强度衰减较小,最大孔压比高于 0.7 时,振后强度开始迅速衰减;振后饱和粉质黏土不排水剪应力路径表现出超固结性质,随着 β 的增加,应力路径由正常固结向轻似超固结,再向重似超固结发展。对于重塑土,循环荷载作用后其不排水抗剪强度变化较小。     

考虑主应力轴旋转效应的交通荷载下饱和软黏土变形特性试验研究

采用空心圆柱扭剪仪对原状饱和软黏土开展交通荷载诱发主应力幅值与主应力轴旋转耦合加载路径下的不排水试验研究。通过与循环三轴压缩试验对比,探讨主应力轴旋转对孔压、变形和应力–应变的影响。分析广义剪应力对循环刚度和非共轴性的影响。试验结果表明,相比较循环三轴试验,交通荷载应力路径下所诱发的主应力轴旋转使孔压和应变显著变大,应力–应变滞回圈刚度显著弱化。循环耦合加载路径下,存在剪切应力–应变和正偏应力–应变2种响应,应力–应变刚度呈现各向异性弱(强)化,应变增量矢量有显著的非共轴性,非共轴性有显著分段特征。较低剪应力水平下,应变路径轨迹趋于稳定,循环刚度表现为强化,非共轴性趋于增大;而较高剪应力水平下,应变路径轨迹趋于破坏,随循环弱化,非共轴性减小。     

循环荷载作用下软黏土不排水累积变形特性

在原状样与重塑样循环三轴试验的基础上,研究了软黏土在无静偏应力和有静偏应力循环荷载作用下的不排水瞬态累积变形特性,提出了考虑循环应力、循环振次、超固结比及静偏应力影响因素的土体应变本构模型。结果表明:软黏土变形规律受固结应力水平和土结构破坏影响甚大,当固结压力大于土体结构屈服应力时,其变形规律将趋近于重塑样;在循环荷载作用下,土样变形存在转折点,标志着土结构的破坏,本构模型宜按试样破坏前、后分段描述。     

饱和软粘土的循环蠕变特性

本文介绍对上海淤泥质饱和粘土在长期循环荷载作用下的变形特性的试验研究结果。考虑到土的各向异性性质,在三轴试验中,在K0固结条件下把土试样恢复到天然的K0应力状态,然后进行排水及不排水单向循环加载蠕变试验。从试验结果可以观察到一些重要的现象:(1)当循环轴向应力小于初始固结压力的50%时,饱和粘土的循环蠕变可分成三个阶段;(2)循环应变可分成不可逆的累积应变与可逆应变两部分,可逆应变的大小与循环应力幅值近似成线性关系;(3)孔压增长较为滞后,不排水试样孔压增长稳定时其值约为应力幅值50%,而排水试样的残余孔压约为应力幅值的20%。     

交通动载下饱和软黏土累计变形的不排水循环扭剪试验

饱和软土地基上长期往复交通动载将诱发显著的路基运营沉降。交通移动荷载下场地应力路径下呈现心形旋转路径,然而现有路基长期运营沉降分析是建立在循环三轴试验基础上,忽略交通移动荷载下地基土单元主应力轴的旋转效应。利用动态空心圆柱扭剪仪模拟心形循环加载路径,并在动态空心圆柱仪上模拟了传统的循环三轴加载路径。对饱和软黏土开展试验研究,对比观察一系列心形循环加载和三轴循环的不排水累计变形行为。试验研究发现,心形循环加载将诱发更大的累计轴向应变和累计孔压,伴随着初始动应力比的增加,二者差异性更为明显。循环加载过程有效动应力比随着循环次数而增大,循环增量破坏时对应的有效动应力比近似为常数。大数目循环加载下,传统塑性安定行为可渐变为循环塑性蠕变状态。