土的基本動力特性

1、第11章 土的基本動力特性11.1 前言 有許多工程問題與土在動力荷載下的性能有關(guān)。由于地區(qū)的差異性和動力加載條件的復(fù)雜性，對土的動力問題不容易建立起學(xué)科體系，并把所有問題以適當(dāng)?shù)姆椒右苑诸悺Ｈ欢?，如果按照與靜力問題的只要區(qū)別對土的動力問題進(jìn)行分類，則可以對土的動力性能作出一些綜合性的評價(jià)。11.1.1 應(yīng)變范圍有關(guān)靜力問題的經(jīng)典土力學(xué)，主要關(guān)心的是估計(jì)基礎(chǔ)或土結(jié)構(gòu)抵抗破壞的安全度，其基本的方法是估計(jì)土的有效強(qiáng)度，并與外部荷載引起的土中的應(yīng)力進(jìn)行比較。這樣，人們的注意力集中在估計(jì)土的強(qiáng)度上。地基或結(jié)構(gòu)物的沉降是與土的變形有關(guān)的另一個主要關(guān)心的問題，而粘土的固結(jié)則是經(jīng)典土力學(xué)的一個主要分支學(xué)科

2、?；仡欉@兩個主要研究領(lǐng)域，可以發(fā)現(xiàn)人們的注意力集中在與一定大小的變形有關(guān)的土的性能上。眾所周知，土的破壞通常發(fā)生在應(yīng)變水平為百分之幾的量級，由于固結(jié)或壓縮引起的工程所感興趣的沉降，大多數(shù)情況下應(yīng)變水平在量級或更大。這樣，可以注意到在小應(yīng)變下土的現(xiàn)象是不被關(guān)心的。與此相反，在土動力學(xué)中，土在運(yùn)動中的狀態(tài)是需要研究的課題，因此，慣性力是不能被忽視的另一種因素。人們已經(jīng)知道，隨著土能發(fā)生變形的時間間隔越來越短，慣性力發(fā)揮著越來越重要的作用。在簡諧運(yùn)動作用下，慣性力的大小是與該運(yùn)動的頻率成正比的。假如應(yīng)變水平是無限地小，則隨著運(yùn)動頻率的快速增加，慣性力可能變得明顯地大，以至于在工程實(shí)踐中不能再忽略其影

3、響。鑒于這一原因，在土動力學(xué)中，有必要引起對應(yīng)變水平低至量級的土的性能的注意，而在靜力問題的經(jīng)典土力學(xué)中，這是完全可以忽略的。這一點(diǎn)正是動力問題和靜力問題最重要的區(qū)別之一。11.1.2 靜力和動力加載條件的差異 人們已經(jīng)認(rèn)識到，土的孔隙比、含水量、圍護(hù)壓力等是影響土的力學(xué)性能的主要因素。其它因素，如應(yīng)力歷史、應(yīng)變水平、溫度等對土在荷載作用下的反應(yīng)也起著重要的影響。然而，這些因素對靜力和動力加載條件是同樣重要的，因此，它們不是度量動力特征區(qū)別于靜力特征的基本要素。土的動力特征可以認(rèn)為來源于沖擊、振動和波動這些現(xiàn)象。1.加載速度 定義在土中產(chǎn)生一定的應(yīng)變或應(yīng)力水平所需要的時間為加載時間。荷載的施加

4、速度自然是描述動力特征的一個基本要素。根據(jù)加載時間的長短，工程上有意義的幾類動力問題可以按圖11-1分類。具有較短周期或較高頻率的振動和波動問題可以被看作是有較短加載時間的一類現(xiàn)象；相反，具有較長周期的振動和波動問題可以看作是有較長加載時間的另一類現(xiàn)象。加載時間可以近視地視為荷載重復(fù)周期的四分之一。施加荷載所持續(xù)的時間大于數(shù)十秒的一類問題，一般地可以視為靜力問題，反之，則須視為動力問題。施加荷載所持續(xù)的時間的長短也可以用加載速度或應(yīng)變速率來表示。它們被稱為加載速度效應(yīng)或速率效應(yīng)。2.重復(fù)加載效應(yīng)所謂動力現(xiàn)象，就是荷載以一定頻率重復(fù)施加多次。加載的重復(fù)性是用來劃分動力問題的另一個基本要素。在工程

5、實(shí)踐中通常遇到的動力問題也可按加載的重復(fù)性分類，如圖11-1所示。圖11-1 土的動力問題的分類與快速施加單一脈沖有關(guān)的問題可以用沖擊來表示，如爆炸引起的振動。荷載的持續(xù)時間短到-s，這種荷載一般稱為脈沖或沖擊荷載。地震時主震通常包含1020次不同幅值的重復(fù)加載，且地震荷載是一個不規(guī)則的時間過程，每個脈沖的周期在0.13.0s,相應(yīng)的加載時間在0.021.0s這個量級(圖11-1)。在打樁情況下，施加于土的荷載重復(fù)次數(shù)達(dá)1001000，振動頻率為1060Hz。電機(jī)或壓縮機(jī)基礎(chǔ)通常受到類似頻率的振動作用，但荷載的重復(fù)次數(shù)更大。上述荷載主要與振動或波動有關(guān)。另一類土的動力問題是交通或水波引起的重復(fù)

6、加載問題。鐵（公）路路堤下的土在鐵（公）路的設(shè)計(jì)使用期內(nèi)受到次數(shù)很大的重復(fù)加載作用，但加載時間可以認(rèn)為在0.1至幾秒量級。這種類型的荷載以重復(fù)加載次數(shù)很大為特征，雖然荷載的強(qiáng)度并不大，但荷載的積累效應(yīng)可能是不可忽視的。在這種情況下，由于重復(fù)加載次數(shù)可以認(rèn)為是無限大，因此這類動力問題必須理解為疲勞現(xiàn)象。重復(fù)加載對土的性能的影響稱為重復(fù)加載效應(yīng)。11.1.3土的變形特性與剪應(yīng)變的相關(guān)性人們已經(jīng)注意到，土的變形特性很大程度上取決于土所受到的剪應(yīng)變大小。土的性能隨剪應(yīng)變的變化如圖11-2所示，圖中給出土處于彈性、彈塑性和破壞狀態(tài)的近視的應(yīng)變范圍。在低于量級的小應(yīng)變范圍內(nèi)，大多數(shù)土的變形呈現(xiàn)出純彈性和可

7、恢復(fù)的特性。與這樣低的應(yīng)變相對應(yīng)的現(xiàn)象可能是土中的振動或波動。在量級的中等應(yīng)變范圍內(nèi)，土的性能呈現(xiàn)出彈塑性特性，并產(chǎn)生不可恢復(fù)的永久變形。土結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生裂縫或差異沉降似乎是與土的彈塑性特性相對應(yīng)的。當(dāng)應(yīng)變大到超過百分之幾的水時，在土中的剪應(yīng)力沒有進(jìn)一步增加情況下，土中的應(yīng)變趨向于變得相當(dāng)大，土體發(fā)生破壞。土坡滑動或無粘性土的擊（夯）實(shí)、液化是與土達(dá)到破壞狀態(tài)的大應(yīng)變相對應(yīng)的。應(yīng)變大小 現(xiàn)象波的傳播，振動裂縫，差異沉降滑動，擊實(shí)，液化力學(xué)特征彈性彈塑性破壞重復(fù)加載效應(yīng) 加載速度效應(yīng)力學(xué)性能常數(shù)剪切模量，泊松比，阻尼內(nèi)摩擦角，粘聚力原位測試方法地震波法原位振動試驗(yàn)重復(fù)加載試驗(yàn)試驗(yàn)室試驗(yàn)波速試驗(yàn)，精密

8、共振柱試驗(yàn)，精密重復(fù)加載試驗(yàn)圖11-2 土的性能隨剪應(yīng)變的變化土的性能的另一種特性是膨脹性，即土在排水剪切或不排水剪切的孔隙水壓力發(fā)生變化過程中趨向于膨脹或收縮。在小應(yīng)變和中等應(yīng)變范圍內(nèi)重復(fù)加載時土的膨脹性不會呈現(xiàn)出來。當(dāng)應(yīng)變水平增加到量級以上時，重復(fù)加載時土的膨脹性就會呈現(xiàn)出來，如圖11-2所示。應(yīng)當(dāng)注意,在重復(fù)加載過程中，由于土的膨脹性效應(yīng)，土的性能會發(fā)生漸進(jìn)性變化，如飽和土的剛度退化、干土或部分飽和土的硬化。動力加載條件的另一個重要方面是加載速度的影響。實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)表明，在單向加載條件下土抵抗變形的能力一般隨加載速度的增加而增大，土的強(qiáng)度也隨加載速度的增加而增大；同時，當(dāng)應(yīng)變很小時就不會發(fā)

9、生加載速度效應(yīng)。試驗(yàn)已表明，是否會發(fā)生加載速度效應(yīng)的門檻剪應(yīng)變水平為量級。圖11-2近似地給出了用于評價(jià)土的動力特性的幾種常規(guī)試驗(yàn)方法的應(yīng)變范圍。在原位測試中，由于能量的限制，要使地震法在土中產(chǎn)生超過量級的應(yīng)變水平是困難的。因此，地震法僅用于獲到小應(yīng)變水平下土的變形模量。而利用原位振動試驗(yàn)，則可以在土中產(chǎn)生較大的應(yīng)變，其應(yīng)變量級可達(dá)。當(dāng)要求確定應(yīng)變水平達(dá)到百分之幾時土的性能，則在原位振動試驗(yàn)中所要求的能量太大而難以實(shí)現(xiàn)。在這種情況下，則可以采用重復(fù)加載試驗(yàn)。如果振動頻率小于幾個赫茲，則慣性力效應(yīng)可以忽略，試驗(yàn)就成為單純的重復(fù)靜載荷試驗(yàn)。由于加載速度效應(yīng)在重復(fù)加載試驗(yàn)的頻率范圍內(nèi)通常是很小的，因

10、此，在中等到大應(yīng)變范圍的原位測試中，重復(fù)加載試驗(yàn)是一種有用的工具。在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)中，確定土的彈性性能的最普通的方法是土樣波速試驗(yàn)。此外，共振柱試驗(yàn)也是一種很普通的方法。在共振柱試驗(yàn)中，土的剪應(yīng)變水平大約為量級，其大小與所試驗(yàn)土的類型有關(guān)。借助于專門設(shè)備，對土樣的變形進(jìn)行精密的測量，共振柱試驗(yàn)可以得到小應(yīng)變下土的彈性性能。常用的其它土工動力試驗(yàn)還有動三軸試驗(yàn)、動扭剪試驗(yàn)和動簡切試驗(yàn)等。在動三軸試驗(yàn)中，土的剪應(yīng)變水平大約為量級。在研究應(yīng)變水平達(dá)到百分之幾的土的性能時，可不考慮振動頻率的影響。一般地，要使土試樣產(chǎn)生這樣大幅度的振動而不降低測試結(jié)果的精度是困難的?？朔@種困難的最好方法是使試驗(yàn)的振動頻率

11、低到使動力試驗(yàn)不再適宜的頻率，則這種試驗(yàn)就轉(zhuǎn)化為重復(fù)加載試驗(yàn)。利用重復(fù)加載試驗(yàn)，對土樣可以施加大到足以引起破壞的應(yīng)變幅度。最近，這種試驗(yàn)已廣泛用于研究地震時的軟粘土性能和飽和砂土的液化勢。本章主要討論土的壓實(shí)性、土的動強(qiáng)度和變形特性、砂性土的液化機(jī)理、砂性土的液化判別方法及其地基液化程度的劃分等內(nèi)容。把土的壓實(shí)性內(nèi)容歸入這一章，主要是考慮到土的壓實(shí)性不完全是土自身的物理性能，它反映了土的動力反應(yīng)特性，且土的壓實(shí)是一個動力過程。11.2土的壓實(shí)性工程建設(shè)中廣泛用到填土，例如路基、土堤、土壩、飛機(jī)跑道、平整場地修建建筑物等，都是把土作為建筑材料按一定要求和范圍進(jìn)行堆填而成。顯然，未經(jīng)壓實(shí)的填土，強(qiáng)

12、度低，壓縮性大且不均勻，遇水易發(fā)生塌陷等現(xiàn)象。因此，這些填土一般都要經(jīng)過壓實(shí)，以減少其沉降量，降低其透水性，提高其強(qiáng)度。特別是高土石壩，往往是方量達(dá)數(shù)百萬方甚至干百萬方以上，是質(zhì)量要求很高的人工填土。進(jìn)行填土?xí)r，通常采用夯實(shí)、振動或輾壓等方法，使土得到壓實(shí)。土的壓實(shí)就是指填土在壓實(shí)能量作用下，使土顆粒克服粒間阻力而重新排列，使土中的孔隙減小、密度增加，從而使填土在短時間內(nèi)得到新的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。土的壓實(shí)在松軟地基處理方面也得到廣泛應(yīng)用。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，壓實(shí)細(xì)粒土宜用夯擊機(jī)具或壓力較大的輾壓機(jī)具，同時必需控制土的含水量。對過濕的粘性土進(jìn)行輾壓或夯實(shí)時會出現(xiàn)軟彈現(xiàn)象，填土難以壓實(shí)；對很干的粘性土進(jìn)行輾壓或

13、夯實(shí)時，也不能把填土充分壓實(shí)。因此，含水量太高或太低的填土都得不到好的壓密效果，必須把填土的含水量控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。壓實(shí)粗粒土?xí)r，則宜采用振動機(jī)具，同時充分灑水。兩種不同的做法說明細(xì)粒土和粗粒土具有不同的壓密性質(zhì)。11.2.1 粘性土的壓實(shí)性研究粘性土的壓實(shí)性可以在試驗(yàn)室或現(xiàn)場進(jìn)行。在試驗(yàn)室內(nèi)研究土的壓實(shí)性是通過擊實(shí)試驗(yàn)進(jìn)行的。試驗(yàn)的儀器和方法見土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)GBJ123-88。試驗(yàn)時將某一種土配成若干份具有不同含水量的土樣。將每份土樣裝入擊實(shí)儀內(nèi)，用完全同樣的方法加以擊實(shí)。擊實(shí)后，測出壓實(shí)土的含水量和干密度。以含水量為橫坐標(biāo)，干密度為縱坐標(biāo)，繪制含水量-干密度曲線如圖11-3所示。這種試

14、驗(yàn)稱為土的擊實(shí)試驗(yàn)。圖11-3 粘性土的擊實(shí)曲線1. 最優(yōu)含水量與最大干密度在一定的壓實(shí)功能（在試驗(yàn)室壓實(shí)功能是用擊數(shù)表示的）下使土最容易壓實(shí)，并能達(dá)到最大密實(shí)度時的含水量稱為土的最優(yōu)含水量。在圖11-3所示的擊實(shí)曲線上，峰值干密度對應(yīng)的含水量就是最優(yōu)含水量。同一種土，干密度愈大，孔隙比愈小，所以最大干密度相應(yīng)于擊實(shí)試驗(yàn)所能達(dá)到的最小孔隙比。在某一含水量下，將土壓到最密，理論上就是將土中所有的氣體都從孔隙中趕走，使土達(dá)到飽和。將不同含水量所對應(yīng)的土體達(dá)到飽和狀態(tài)時的干密度也點(diǎn)繪于圖11-3中，得到理論上所能達(dá)到的最大壓實(shí)曲線，即飽和度為=100%的壓實(shí)曲線，也稱飽和曲線。該曲線可用下述公式表示

15、： （11-1）按照飽和曲線，當(dāng)含水量很大時，干密度很小，因?yàn)檫@時土體中很大的一部分體積都是水。若含水量很小，則飽和曲線上的干密度很大。當(dāng)時，飽和曲線的干密度應(yīng)等于土粒相對密度。顯然松散的土是無法達(dá)到這一密度的。實(shí)際上，試驗(yàn)的擊實(shí)曲線在峰值以右逐漸接近于飽和曲線，并且大體上與它平行。在峰值以左，則兩根曲線差別較大，而且隨著含水量減小，差值迅速增加。土的最優(yōu)含水量的大小隨土的性質(zhì)而異，試驗(yàn)表明約在土的塑限附近。有各種理論解釋這種現(xiàn)象的機(jī)理。歸納起來，可以這樣理解：當(dāng)含水量很小時，顆粒表面的水膜很薄，要使顆粒相互移動需要克服很大的粒間阻力，因而需要消耗很大的能量。這種阻力可能來源于毛細(xì)壓力或者結(jié)合

16、水的剪切阻力。隨著含水量增加，水膜加厚，粒間阻力減小，顆粒就容易移動。但是，當(dāng)含水量超過最優(yōu)含水量以后，水膜繼續(xù)增厚所引起的潤滑作用已不明顯。這時，土中的剩余空氣已經(jīng)不多，并且處于與大氣隔絕的封閉狀態(tài)。封閉氣體很難全部被趕走，因此擊實(shí)曲線不可能達(dá)到飽和曲線，也即擊實(shí)土不會達(dá)到完全飽和狀態(tài)。注意到，這里所討論的是粘性土，粘性土的滲透性很小，在擊實(shí)的過程中，土中的水來不及滲出，在壓實(shí)的過程中可以認(rèn)為含水量保持不變，因此必然是含水量愈高得到的壓實(shí)干密度愈小。2壓實(shí)功能的影響壓實(shí)功能是指壓實(shí)單位體積土所消耗的能量。擊實(shí)試驗(yàn)中的壓實(shí)功能可用下式表示： (11-2)式中 E 壓實(shí)功能；W 擊錘的質(zhì)量 ，在

17、標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)中擊錘質(zhì)量為2.5kg； d落距，擊實(shí)試驗(yàn)中定為0.30m;N 每層土的擊實(shí)次數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)為27擊； n 鋪土層數(shù)，試驗(yàn)中分3層； V 擊實(shí)筒的體積，為。每層土的壓實(shí)次數(shù)不同，即表示壓實(shí)功能有差異。同一種土，用不同的功能壓實(shí)，得到的壓實(shí)曲線如圖11-4所示。曲線表明，壓實(shí)功能愈大，得到的最優(yōu)含水量愈小，相應(yīng)的最大干密度愈大。所以，對于同一種土，最優(yōu)含水量和最大干密度并不是恒值，而是隨著壓密功能而變化的。同時，從圖中還可以看到，含水量超過最優(yōu)含水量以后，壓實(shí)功能的影響隨含水量的增加而逐漸減小。壓實(shí)曲線均靠近于飽和曲線。圖11-4不同壓實(shí)功能的擊實(shí)曲線3.填土的含水量和輾壓標(biāo)準(zhǔn)的控制由

18、于粘性填土存在最優(yōu)含水量，因此在填土施工時應(yīng)將土料的含水量控制在最優(yōu)含水量左右，以期用較小的能量獲得最大的密度。當(dāng)含水量控制在最優(yōu)含水量的左側(cè)時 (即小于最優(yōu)含水量)，壓實(shí)土的結(jié)構(gòu)常具有絮凝結(jié)構(gòu)的特征。這樣的土比較均勻，強(qiáng)度較高，較脆硬，不易壓密，但浸水時容易產(chǎn)生附加沉降。當(dāng)含水量控制在最優(yōu)含水量的右側(cè)時（即大于最優(yōu)含水量），土具有分散結(jié)構(gòu)的特征。這樣的土可塑性大，適應(yīng)變形的能力強(qiáng)，但強(qiáng)度較低，且具有不等向性。所以，含水量比最優(yōu)含水量偏高或偏低，填土的性質(zhì)各有優(yōu)缺點(diǎn)。因此，要根據(jù)對填土提出的要求和當(dāng)?shù)赝亮系奶烊缓?，選定合適的含水量進(jìn)行壓實(shí)，一般選用的含水量要求在范圍內(nèi)。圖11-5粗粒土的擊

19、實(shí)曲線要求填土達(dá)到的壓密標(biāo)準(zhǔn)，工程上采用壓實(shí)度控制。壓實(shí)度的定義為： (11-3)我國土壩設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定，、級土石壩，填土的壓實(shí)度應(yīng)達(dá)到95%98%以上，至V級土石壩，壓實(shí)度應(yīng)大于92%95%。填土地基的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)也可參照這一規(guī)定。式中的標(biāo)準(zhǔn)壓實(shí)功能規(guī)定為607.5kNm/m3，相當(dāng)于壓實(shí)試驗(yàn)中每層土夯擊27次。11.2.2無粘性土的壓實(shí)性砂和砂礫等無粘性土的壓實(shí)性也與含水量有關(guān)，不過不存在最優(yōu)含水量問題。一般在完全干燥或者充分灑水飽和的情況下容易壓實(shí)到較大的干密度。潮濕狀態(tài)，由于毛細(xì)壓力增加了粒間阻力，壓實(shí)干密度顯著降低。粗砂在含水量為4-5%左右，中砂在含水量為7%左右時，壓實(shí)干密度最小，如

20、圖11-5所示。所以，在壓實(shí)砂礫時要充分灑水使土料飽和。無粘性土的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，一般用相對密度控制。以前要求相對密度達(dá)到0.70以上，近年來根據(jù)地震震害資料的分析結(jié)果，認(rèn)為高烈度區(qū)相對密度還應(yīng)提高。室內(nèi)試驗(yàn)的結(jié)果也表明，對于飽和的無粘性土，在靜力或動力的作用下，相對密度大于0.70-0.75時，土的強(qiáng)度明顯增加，變形顯著減小，可以認(rèn)為相對密度0.7-0.75是土的力學(xué)性質(zhì)的一個轉(zhuǎn)折點(diǎn)。同時由于大功率的振動輾壓機(jī)具的發(fā)展，提高輾壓密實(shí)度成為可能。所以，我國現(xiàn)行的水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，位于浸潤線以上的無粘性土要求相對密度達(dá)到0.7以上，而浸潤線以下的飽和土，相對密度則應(yīng)達(dá)到0.750.85。這些

21、標(biāo)準(zhǔn)對于有抗震要求的其它類型的填土，也可參照采用。例題1-1 某土料場土料的分類為低液限粘土(CL)，天然含水量21%，土粒相對密度。室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)功能壓實(shí)試驗(yàn)得到最大干密度1.85g/cm3。設(shè)計(jì)中取壓實(shí)度%宜，并要求壓實(shí)后土的飽和度0.9。問該土料的天然含水量是否適于填筑？碾壓時土料的含水量應(yīng)控制為多大？解 1.求壓實(shí)后土的孔隙比由式(11-3)，填土的干密度 則壓實(shí)后土的孔隙比 假設(shè)土粒的體積 ，則孔隙的體積 土粒的質(zhì)量 2求碾壓含水量根據(jù)題意，按飽和度控制含水量。因此，水的體積為： 則水的質(zhì)量 因此，填土的含水量 即輾壓時土料的含水量應(yīng)控制在18%左右。料場土的含水量超過3%以上，不太適宜直

22、接填筑，最好進(jìn)行翻曬處理。11.3 土的動強(qiáng)度和變形特性11.3.1 動力試驗(yàn)的加載方式為了確定土的動強(qiáng)度，至今已進(jìn)行了數(shù)種動力試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)的加荷方式，可分為四種類型，如圖11-6所示。單調(diào)加載試驗(yàn)的加荷速率是可變的。傳統(tǒng)的靜力加載試驗(yàn)所采用的加載速率控制在使試樣達(dá)到破壞的時間在幾分鐘的量級。單調(diào)加載試驗(yàn)的加荷速率控制在使試樣達(dá)到破壞的時間小于數(shù)秒時稱為快速加載試驗(yàn)?？焖偌虞d試驗(yàn)或瞬時加載試驗(yàn)用于確定土在爆炸荷載作用下的強(qiáng)度。圖11-6b所示的動荷載加載方式用于確定土在地震運(yùn)動作用下的強(qiáng)度。初始階段施加的單調(diào)靜剪應(yīng)力用于模擬地震前土中的靜應(yīng)力狀態(tài)，例如斜坡場地中土單元的應(yīng)力狀態(tài)，后續(xù)階段施加

23、的循環(huán)荷載模擬地震運(yùn)動作用下土中的循環(huán)剪應(yīng)力。圖11-6c所示的動荷載加載方式用來研究地震運(yùn)動作用下土的強(qiáng)度和剛度的衰減或降低。在若干次循環(huán)荷載結(jié)束后，土樣變得軟弱，土的靜強(qiáng)度和變形性能與加循環(huán)荷載前的初始狀態(tài)不一樣。因此，這種試驗(yàn)的土體性能可用于地震后土壩或路堤的穩(wěn)定性分析。圖11-6d所示的加載方式有時用于研究受到振動影響的土的靜強(qiáng)度。地基中靠近樁或板樁的土體，由于受到打樁引起的振動的影響，土的靜強(qiáng)度可能會有所降低。在這種情況下土的強(qiáng)度，可采用土樣放在振動臺上施 11.3.2 粘性土動強(qiáng)度的定義由于圖11-6b的加載方式被普遍用于確定地震運(yùn)動作用下土的強(qiáng)度，因此，用動三軸儀測定土的動強(qiáng)度，

24、按照試驗(yàn)采用單個試樣還是多個試樣確定土的強(qiáng)度特性，加載模式可分成二類：單階段循環(huán)加載和多階段循環(huán)加載。（a）單調(diào)加載 （b）單調(diào)循環(huán)加載（c）循環(huán)單調(diào)加載 （d）單調(diào)增加循環(huán)加載 圖11-6 動力試驗(yàn)的加載方式一單階段循環(huán)加載試驗(yàn)(a) (b) (c) (d) 圖11-7 從單階段循環(huán)加載試驗(yàn)結(jié)果構(gòu)造動剪應(yīng)力殘余應(yīng)變曲線這種試驗(yàn)采用的加載模式如圖11-7所示。土樣先在適當(dāng)?shù)膰鷫合鹿探Y(jié)，再在排水或不排水條件下施加靜軸向應(yīng)力，如圖11-7中的P點(diǎn)。對飽和試樣，為了模擬地震前長期應(yīng)力作用下所產(chǎn)生的固結(jié)，必須在排水條件下施加應(yīng)力；對于部分飽和的試樣，可采用不排水條件施加應(yīng)力。對于指定的循環(huán)次數(shù)，在幅值

25、為的循環(huán)荷載（的大小不足以使土樣發(fā)生破壞）結(jié)束后土樣中將產(chǎn)生一定大小的殘余應(yīng)變，如圖11-7a中A點(diǎn)；在同樣條件下制備的另外一個新的土樣先在圍壓下被固結(jié)，再施加一個循環(huán)次數(shù)相同、但幅值增加了的動荷載，加荷結(jié)束后殘余應(yīng)變點(diǎn)可能位于圖11-7b中的B點(diǎn)；然后，再對第三個試樣做類似的試驗(yàn)，但幅值繼續(xù)增加，殘余應(yīng)變點(diǎn)可能位于11-7c中的C點(diǎn)。假如必要的話，為了得到較大循環(huán)剪應(yīng)力幅值作用下的殘余應(yīng)變，類似的試驗(yàn)可繼續(xù)重復(fù)進(jìn)行。假如將按上述方法得到的幾個點(diǎn)（如A、B、C等）繪在一個圖上，可以得到一個應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，如圖11-7d所示，這個關(guān)系稱為動剪應(yīng)力殘余應(yīng)變關(guān)系。描述土在地震荷載作用下的性能時，這種關(guān)

26、系是非常有用的。假如已知循環(huán)剪應(yīng)力幅值以及所考慮斜坡中土單元的靜剪應(yīng)力，那么，估計(jì)斜坡在期望的地震運(yùn)動作用下將會發(fā)生的永久殘余應(yīng)變或土體可能產(chǎn)生循環(huán)流動的強(qiáng)度是可能的。二多階段循環(huán)加載試驗(yàn) 圖11-8 從多階段循環(huán)加載試驗(yàn)結(jié)果構(gòu)造剪應(yīng)力殘余應(yīng)變曲線為了構(gòu)造一條剪應(yīng)力殘余應(yīng)變曲線，單階段循環(huán)荷載試驗(yàn)需要若干個條件相同的土樣。然而，在某些情況下能得到有效的土樣數(shù)量是有限的，這時可采用多階段循環(huán)荷載試驗(yàn)。這種試驗(yàn)的加載模式如圖11-8所示。與單階段循環(huán)荷載試驗(yàn)一樣，土樣先被固結(jié)，并施加一個初始靜剪應(yīng)力。先對土樣施加一個較小幅值的循環(huán)剪應(yīng)力序列，在加載過程中土樣變形，產(chǎn)生剪應(yīng)變，如圖11-8中A點(diǎn)，再

27、接著施加一個循環(huán)次數(shù)相同、但幅值稍大的循環(huán)剪應(yīng)力序列。土樣繼續(xù)變形達(dá)到剪應(yīng)變B點(diǎn)，類似地，保持循環(huán)次數(shù)不變，繼續(xù)增大循環(huán)剪應(yīng)力幅值，可得到剪應(yīng)變C點(diǎn)、D點(diǎn)，這樣，就能得到一條應(yīng)力應(yīng)變曲線，如圖11-8中虛線所示，這條曲線可被認(rèn)為代表類似于單階段循環(huán)荷載試驗(yàn)得到的動剪應(yīng)力殘余應(yīng)變曲線。 (a) 荷載循環(huán)次數(shù)的影響 (b) 初始靜剪應(yīng)力的影響 圖11-9 荷載循環(huán)次數(shù)和初始剪應(yīng)力對剪應(yīng)力殘余應(yīng)變曲線的影響在上述加載模式中，幅值逐步增大的循環(huán)荷載序列被施加于同一個試樣。因此，對于在一定幅值的循環(huán)荷載序列作用下，土樣的反應(yīng)可能會受到幅值較小的先期循環(huán)荷載序列的影響。與沒有受到幅值較小的先期循環(huán)荷載序列

28、作用的土樣相比，假如土樣的剛度較小，則由于先期荷載序列的作用將增加土樣的殘余應(yīng)變，在應(yīng)力殘余應(yīng)變曲線上這種影響就會顯示出來。然而，對于許多實(shí)用目的而言，上述應(yīng)力歷史的影響可以認(rèn)為是相當(dāng)?shù)匦。珊雎圆挥?jì)，使用多階段循環(huán)加載試驗(yàn)得到的動剪應(yīng)力殘余應(yīng)變曲線是合理的。對于給定的土樣，上述任一加載方式得到的動剪應(yīng)力殘余應(yīng)變曲線的形狀，取決于初始靜剪應(yīng)力相對于循環(huán)剪應(yīng)力幅值的大小，也取決于試驗(yàn)中采用的循環(huán)次數(shù)N的大小，如圖11-9所示。圖11-9a示出了動剪應(yīng)力殘余剪應(yīng)變曲線形狀與試驗(yàn)采用的循環(huán)次數(shù)N的關(guān)系。隨著循環(huán)次數(shù)N的增加，飽和軟土的動剪應(yīng)力殘余應(yīng)變曲線變得平緩。循環(huán)次數(shù)N=1的試驗(yàn)可近似認(rèn)為與快速

29、單調(diào)加載試驗(yàn)的效果是等價(jià)的。圖11-9b示出了初始靜剪應(yīng)力大小對動剪應(yīng)力殘余應(yīng)變曲線形狀的影響。與循環(huán)剪應(yīng)力幅值相比，初始靜剪應(yīng)力相當(dāng)大時，加載速度和荷載反復(fù)的影響就很小，動剪應(yīng)力殘余應(yīng)變曲線形狀變得類似于靜荷載下的剪應(yīng)力剪應(yīng)變關(guān)系。三粘性土的動強(qiáng)度及其影響因素為了確定循環(huán)荷載下粘性土的強(qiáng)度變化，可用動三軸儀進(jìn)行試驗(yàn)研究。試驗(yàn)中，首先使土樣固結(jié)，再在不排水條件下施加靜軸向荷載，其大小等于粘性土靜強(qiáng)度的一個指定百分?jǐn)?shù)，等變形穩(wěn)定后再施加循環(huán)軸向荷載，其幅值也等于土靜強(qiáng)度的一個指定的百分?jǐn)?shù)。隨著循環(huán)次數(shù)增加，軸向變形也增加，直到達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)。 圖11-10 Shiroish飽和砂質(zhì)粘土的 圖11-

30、11 加載時間對粘土 剪應(yīng)力殘余應(yīng)變曲線 強(qiáng)度的影響圖11-10是反映剪應(yīng)力和軸向殘余應(yīng)變關(guān)系的一個試驗(yàn)結(jié)果。該試驗(yàn)中的未擾動土樣取自1978年日本Miyaiken-oki地震中Sendai南部Shiroish曾發(fā)生地滑動的陡坡附近。試驗(yàn)中采用的固結(jié)壓力，靜軸向應(yīng)力。從圖可見，隨著循環(huán)次數(shù)N減少，產(chǎn)生指定殘余軸向應(yīng)變的軸向總應(yīng)力增大。這表明循環(huán)反復(fù)加載將使土的剛度降低。對于這種特定的粉質(zhì)土，動強(qiáng)度可達(dá)到靜強(qiáng)度的1.5倍。圖11-11總結(jié)了加載速度對粘性土強(qiáng)度的影響。雖然由于一些其它因素對粘性土強(qiáng)度的影響，使得試驗(yàn)數(shù)據(jù)有些離散，但仍然存在一個一般的趨勢；隨著加載速度的提高，粘性土的強(qiáng)度提高。圖1

31、1-11中的平均線表明，粘性土在加載持續(xù)時間為0.25s的瞬態(tài)加載所得到的強(qiáng)度大約比加載持續(xù)時間為100s的靜荷載試驗(yàn)得到的強(qiáng)度高40。根據(jù)不排水剪切階段施加于土樣上的初始靜軸向應(yīng)力和循環(huán)軸向荷載幅值大小的關(guān)系，加載方式可分為只有大小變化的單向循環(huán)加載和同時具有方向變化的雙向循環(huán)加載兩種情況，如圖11-12所示。在各向均等固結(jié)情況下，如圖11-13所示，當(dāng)時在土樣的45面上剪應(yīng)力既有大小的變化還有方向的變化?？梢韵胂瘢?0，當(dāng)土樣處于軸向壓縮和軸向拉伸時，則在土樣的45面上，剪應(yīng)力大小相等、方向相反。(a)單向加載 （b）具有應(yīng)力反向的雙向加載 （c）具有應(yīng)力反向截?cái)嗟膯蜗蚣虞d 圖11-12

32、 循環(huán)加載方式 圖11-13 土樣45面上的剪應(yīng)力圖11-14是在循環(huán)次數(shù)N1、加載頻率為1 Hz條件下的試驗(yàn)結(jié)果。因此，循環(huán)加載1/4周的荷載持續(xù)時間為0.25s。由圖可見，當(dāng)初始靜軸向應(yīng)力為零即時，這里為土的靜強(qiáng)度，則土的循環(huán)強(qiáng)度比近似等于1.4。這里土的循環(huán)強(qiáng)度比定義為土的循環(huán)強(qiáng)度與土的靜強(qiáng)度之比值，土的循環(huán)強(qiáng)度或稱動強(qiáng)度等于在指定循環(huán)次數(shù)下使土樣的軸向變形達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)所需要的軸向循環(huán)應(yīng)力幅值與初始靜軸向應(yīng)力之和。由于，土樣的循環(huán)強(qiáng)度可由引起軸向壓縮破壞的最大軸向應(yīng)力來確定。這意味著加載頻率為1Hz、荷載循環(huán)1周所引起的土樣破壞與荷載持續(xù)時間為 0.25s的單調(diào)瞬態(tài)加載所引起的破壞實(shí)際上

33、是等價(jià)的?？梢杂腥さ匕l(fā)現(xiàn)，圖11-14中當(dāng)時的循環(huán)強(qiáng)度比和圖11-12中荷載持續(xù)時間為0.25s的瞬態(tài)荷載作用下的動強(qiáng)度與土的靜強(qiáng)度之比值是一致的。 圖11-14循環(huán)強(qiáng)度比與初始 圖11-15 單向循環(huán)加載試驗(yàn) 應(yīng)力比的關(guān)系 結(jié)果總結(jié)圖11-14還可以看出，當(dāng)初始靜剪應(yīng)力增大到等于土的靜強(qiáng)度時，循環(huán)強(qiáng)度減小為1.0。這可能是由于隨著初始靜剪應(yīng)力的增加，循環(huán)應(yīng)力的相對大小逐漸減小，因此，土樣中的應(yīng)力狀態(tài)也就越來越接近于靜荷載試驗(yàn)的結(jié)果。圖11-15是單向循環(huán)加載、不同循環(huán)次數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果?？梢钥闯觯S著指定的荷載循環(huán)次數(shù)增加，土的循環(huán)強(qiáng)度逐漸降低。當(dāng)荷載循環(huán)次數(shù)接近100次時，土的循環(huán)強(qiáng)度基本上等

34、于土的靜強(qiáng)度。圖11-16總結(jié)了單向循環(huán)加載、荷載循環(huán)次數(shù)N50的試驗(yàn)結(jié)果。圖11-16 循環(huán)強(qiáng)度與初始靜剪應(yīng)力的關(guān)系 圖11-17 不規(guī)則荷載試驗(yàn)的剪應(yīng)力殘余應(yīng)變關(guān)系圖11-17是在不規(guī)則荷載作用下得到的試驗(yàn)結(jié)果。該試驗(yàn)用的火山沉積原狀粘土取自1978年日本Near-Izu地震（震級M=7級）中曾發(fā)生大規(guī)模地滑的小山坡滑動面上。土樣的塑性指數(shù)，含水量，飽 和度，常規(guī)三軸試驗(yàn)測定的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)和。試驗(yàn)中的不規(guī)則荷載采用1968年日本Tokachioki地震中Hachinohe和Muroran碼頭中密砂層的地表記錄到的水平向加速度時程。EW表示東西向水平地震加速度時程，NS表示南北向水平地震加速

35、度時程。CM試驗(yàn)代表不規(guī)則荷載加載過程中壓縮應(yīng)力峰值為應(yīng)力時程最大幅值的試驗(yàn)；EM試驗(yàn)代表不規(guī)則荷載加載過程中張拉應(yīng)力峰值為應(yīng)力時程最大幅值的試驗(yàn)。從圖中可以看出，當(dāng)動靜軸向總應(yīng)力（）達(dá)到土的靜強(qiáng)度的80時，土的殘余應(yīng)變急劇增大；在軸向總應(yīng)力與土的靜強(qiáng)度之比達(dá)到指定的初始靜應(yīng)力與土的靜強(qiáng)度之比/=70%的水平之前，土樣的剪應(yīng)力殘余應(yīng)變關(guān)系與靜應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系一致；土樣先施加一定大小的靜荷載后再施加動荷載，與單純的靜荷載試驗(yàn)條件相比，土樣具有較大的剛度和較高的強(qiáng)度。對于本試驗(yàn)中的火山沉積粘土，這種因后繼動荷載作用 而導(dǎo)致的強(qiáng)度提高幾乎達(dá)到100。圖11-18是初始靜剪應(yīng)力比/=70%的試驗(yàn)結(jié)果。雖然

36、對不同條件的試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果有些離散，但所有數(shù)據(jù)均落在一個很窄的條帶內(nèi)。因此，所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)可用一條平均線來表示。可以看出，達(dá)到破壞應(yīng)變所需要的循環(huán)強(qiáng)度比約為1.95。圖11-19是初始靜剪應(yīng)力比/=0.20.9的所有試驗(yàn)的平均曲線。圖中可以看出，隨著初始靜剪應(yīng)力比/從20逐漸增大到90時，殘余應(yīng)變達(dá)到某一水平后殘余應(yīng)變曲線將趨向于變得平緩。令人驚奇地發(fā)現(xiàn)，即使初始靜剪應(yīng)力比/達(dá)到90的水平，剪應(yīng)力殘余應(yīng)變曲線仍然遠(yuǎn)高于靜剪應(yīng)力應(yīng)變曲線。從圖11-19可得到一個重要結(jié)論：當(dāng)初始靜剪應(yīng)力比/=0.50.8（這是斜坡下原位土層通常遇到的應(yīng)力條件）時，初始剪應(yīng)力的大小對剪應(yīng)力殘余應(yīng)變曲線沒有明顯的影響

37、。因此，初始靜剪應(yīng)力對動應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的影響可以用/=0.7的試驗(yàn)結(jié)果來代表。 圖11-18 剪應(yīng)力殘余應(yīng)變關(guān)系 圖11-19 初始靜剪應(yīng)力對剪應(yīng)力殘余應(yīng)變關(guān)系的影響圖11-20a和11-20b分別是各向均等固結(jié)壓力和的一系列試驗(yàn)結(jié)果。根據(jù)全部試驗(yàn)結(jié)果，可以給出一條合理的平均曲線。對于的情況，土的循環(huán)強(qiáng)度比約為2.15；對于的情況，土的循環(huán)強(qiáng)度比約為1.65。為了比較目的，現(xiàn)將的試驗(yàn)結(jié)果的平均曲線重繪于圖11-21。圖11-20 不同圍壓下剪應(yīng)力殘余應(yīng)變關(guān)系曲線圖11-21 圍護(hù)壓力對剪應(yīng)力殘余應(yīng)變關(guān)系的影響四粘性土的動強(qiáng)度與靜強(qiáng)度之間的關(guān)系前一部分論述的一系列試驗(yàn)表明，假如初始靜剪應(yīng)力處于土的

38、靜強(qiáng)度的4090的范圍內(nèi)，則初始靜剪應(yīng)力的大小對后續(xù)動荷載作用下土的性能沒有明顯影響。因此，可以忽略初始靜剪應(yīng)力的變化所引起的對土的動力性能的影響。圖11-22表明，固結(jié)壓力的圖11-22 靜動荷載下摩爾圓和破 圖11-23 靜動載試驗(yàn)得到的破壞包絡(luò)線影響是明顯的，在估計(jì)動荷載作用下土的殘余應(yīng)變和強(qiáng)度時其影響是不能忽略的。靜荷載下土的極限平衡狀態(tài)可用摩爾極限應(yīng)力圓表示，同樣，在動荷載下土的極限平衡狀態(tài)也可用摩爾極限應(yīng)力圓表示，如圖11-23所示。假定已知土的靜三軸試驗(yàn)強(qiáng)度指標(biāo)和值，則對各向均等固結(jié)壓力作用下引起土樣破壞所需要施加的軸向應(yīng)力，根據(jù)摩爾庫倫破壞準(zhǔn)則，應(yīng)滿足： （11-4）對于同樣的

39、固結(jié)壓力，在動三軸試驗(yàn)中引起土樣破壞所需要施加的總軸向應(yīng)力，假定也可用摩爾庫倫破壞準(zhǔn)則表示，則 （11-5）結(jié)合式（11-4）和（11-5）得： （11-6）因此，若已知土的靜強(qiáng)度參數(shù)和值，且在各向均等固結(jié)壓力作用土的動強(qiáng)度也已確定，則動粘聚力可以從式（11-6）確定；若動粘聚力已知，則任一各向均等固結(jié)壓力，動強(qiáng)度可由式（11-6）確定。日本Shiroishi地區(qū)火山沉積粘性土，其顆粒組成為：礫粒13，砂粒47，粉粒12和粘粒28，擊實(shí)到重度和。其試驗(yàn)條件和結(jié)果如表11-1所示。另外，日本地區(qū)某火山沉積粘性土的試驗(yàn)結(jié)果也列于表11-1。雖然僅從兩種粘性土試驗(yàn)不能得到一般結(jié)論，但可以注意到粘性土

40、的動粘聚力約為靜粘聚力的1.62.4倍。 兩種粘土的靜、動力試驗(yàn)結(jié)果 表11-1試驗(yàn)條件與結(jié)果火山沉積粘土（）火山沉積砂質(zhì)粘土（Shiroishi）火山沉積砂質(zhì)粘土（Shiroishi）重度13.318.719.0含水量11014022232021飽和度859082848284塑性指數(shù)301818靜粘聚力202832內(nèi)摩擦角171416動粘聚力4852512.41.861.5911.4 砂性土液化機(jī)理11.4.1 現(xiàn)場應(yīng)力條件在室內(nèi)試驗(yàn)中的模擬水平地面下的飽和砂土單元，地震前已在條件下經(jīng)歷了長期的固結(jié)過程，在地震期間這一土單元將在不排水條件下受到往返剪切應(yīng)力的作用，如圖11-24a所示；注意到

41、地表水平的場地，在水平方向是假定無限延伸的，因此，往返剪應(yīng)力是在側(cè)向變形被完全限制的條件下施加的。對于地表傾斜的場地，任一土單元在地震前可以近似看作已在條件下各向異性固結(jié)，并在土單元的水平面上施加了一個附加的剪應(yīng)力；地震期間土單元在不排水條件下受到一個往返剪應(yīng)力的作用，如圖11-24b所示。由于傾斜地面下土單元側(cè)向變形可以認(rèn)為是一直允許發(fā)生的，因此，傾斜地面下的土單元在水平面上受到往返剪應(yīng)力作用時是處于能自由發(fā)生側(cè)向變形的狀態(tài)。當(dāng)試圖在試驗(yàn)室研究土的性能時，土樣在扭轉(zhuǎn)剪切試驗(yàn)儀上進(jìn)行試驗(yàn)可以最佳地重現(xiàn)土的原位應(yīng)力狀態(tài)。在典型的扭轉(zhuǎn)剪切試驗(yàn)中，飽和砂土試樣先在條件下固結(jié)，再在不排水條件下受到扭轉(zhuǎn)

42、往返應(yīng)力作用。當(dāng)試驗(yàn)要模擬水平地面條件時，必須在側(cè)向變形被約束的條件下施加往返扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，如圖11-24c所示；當(dāng)試驗(yàn)要模擬傾斜地面條件時，作用在土單元水平面上的初始剪應(yīng)力的影響可以通過在條件下施加偏應(yīng)力來模擬，而往返扭轉(zhuǎn)應(yīng)力則必須在側(cè)向變形自由的條件下施加，如圖11-24d所示。圖11-24 地震前和地震期間的現(xiàn)場應(yīng)力條件與在實(shí)驗(yàn)室扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)中的模擬11.4.2 砂性土液化機(jī)理砂性土液化機(jī)理可以通過觀察扭轉(zhuǎn)剪切試驗(yàn)中孔隙水壓力和剪應(yīng)變的發(fā)展特性得到最好的解釋。一種典型的扭轉(zhuǎn)剪切試驗(yàn)儀如圖11-25所示。 圖11-25 空心圓柱試樣扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)儀圖 11-26 側(cè)面變形受約束的空心圓柱土樣扭剪試驗(yàn)中側(cè)

43、向應(yīng)力和累積孔隙壓力的變化一側(cè)向變形有約束的扭轉(zhuǎn)剪切試驗(yàn)由于往返扭轉(zhuǎn)應(yīng)力是在側(cè)向變形有約束、不排水條件下施加的，因此，在整個試驗(yàn)過程中軸向和側(cè)向應(yīng)變始終為零。假若試驗(yàn)是在的特定條件下進(jìn)行的，則土樣在施加往返扭轉(zhuǎn)應(yīng)力前的應(yīng)力狀態(tài)即為各向均等固結(jié)條件下的應(yīng)力狀態(tài)。假若施加往返扭轉(zhuǎn)應(yīng)力時土樣處于不排水狀態(tài)，則土樣將既不產(chǎn)生軸向變形，也不產(chǎn)生任何側(cè)向變形。因此，在各向均等固結(jié)條件下對土樣施加往返扭轉(zhuǎn)應(yīng)力所產(chǎn)生的應(yīng)力狀態(tài)，與往返三軸試驗(yàn)中在各向均等固結(jié)、不排水條件下對土樣施加往返軸向應(yīng)力所引起的45面上的應(yīng)力狀態(tài)是完全一致的。飽和砂土產(chǎn)生液化的機(jī)理可以用空心園柱土樣在扭轉(zhuǎn)剪切試驗(yàn)儀上的試驗(yàn)結(jié)果來解釋，圖

44、11-26是一組往返扭轉(zhuǎn)剪切試驗(yàn)的結(jié)果。在該試驗(yàn)中，砂土試樣的相對密度，豎向固結(jié)壓力，側(cè)向固結(jié)壓力，受到10周均幅扭轉(zhuǎn)往返應(yīng)力作用，其幅值，施加1周扭轉(zhuǎn)往返應(yīng)力的時間為30min。從圖可以看到，在往返加載過程中，有效側(cè)向應(yīng)力持續(xù)增長，一直增長到等于初始豎向應(yīng)力為止，同時，累積孔隙水壓力也持續(xù)增長，同樣也一直增長到等于初始豎向應(yīng)力為止。在加載的第10周，扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)變突然迅速增大，表明砂土發(fā)生了軟化。這種狀態(tài)稱為砂土液化或循環(huán)軟化。也即，在施加往返扭轉(zhuǎn)應(yīng)力過程中，相應(yīng)于有效應(yīng)力的值逐漸增加，最終達(dá)到的狀態(tài)（液化觸發(fā)）。這說明，水平地面下的飽和砂層在地震動作用下可以達(dá)到液化狀態(tài)，同時伴隨著側(cè)向應(yīng)力發(fā)生

45、變化，累積孔隙水壓力比達(dá)到100，土的抗剪強(qiáng)度完全喪失，液化觸發(fā)時土單元沒有任何形狀的改變。二側(cè)向變形無約束的扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)對土樣先施加不變的豎向應(yīng)力和側(cè)向應(yīng)力，再在不排水條件下施加往返扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，土樣既可發(fā)生豎向變形也可發(fā)生側(cè)向變形。這種試驗(yàn)條件用于模擬飽和砂土單元存在一定的初始剪應(yīng)力的傾斜地面場地如斜坡、堤壩等。應(yīng)注意，在這樣的條件下土單元在水平面方向始終是能自由移動的。圖11-27是空心園柱飽和砂土試樣在這種條件下的扭轉(zhuǎn)剪切試驗(yàn)結(jié)果。試樣的相對密度，豎向固結(jié)壓力，側(cè)向固結(jié)壓力，受到5周均幅扭轉(zhuǎn)往返應(yīng)力作用，其幅值。從圖可以看到，在往返加載中，側(cè)向應(yīng)變持續(xù)增大，試樣的形狀也將發(fā)生明顯的變化；同時，

46、累積孔隙水壓力增長到一定程度就不再增大，不能達(dá)到初始豎向應(yīng)力的大小。還可以看到，在往返加載的任何階段，往返扭應(yīng)變沒有發(fā)生突然增大現(xiàn)象。這說明，土樣在這種條件下不會發(fā)生完全軟化或液化現(xiàn)象；與飽和砂土在側(cè)向變形有約束的試驗(yàn)中發(fā)生液化破壞不一樣，在這種側(cè)向變形無約束的試驗(yàn)中，砂土是在具有一定圍護(hù)壓力下發(fā)生剪切破壞。 圖11-27 側(cè)面變形無約束的空心圓柱土樣扭剪 圖11-28 往返三軸試驗(yàn)中土中靜應(yīng)力試驗(yàn)中側(cè)向應(yīng)力和累積孔隙壓力的變化 和循環(huán)應(yīng)力的模擬飽和砂土在往返荷載作用下的性能，也可以在動三軸儀上進(jìn)行試驗(yàn)研究。在往返三軸試驗(yàn)中對土樣先在不排水條件下各向異性固結(jié)，再施加往返軸向應(yīng)力。這種往返三軸試

47、驗(yàn)可以認(rèn)為與側(cè)向變形無約束的扭轉(zhuǎn)剪切試驗(yàn)是等價(jià)的。雖然這兩種試驗(yàn)中往返荷載施加的方式是不一樣的，但本質(zhì)上兩種試驗(yàn)具有共同的特征，即在往返加載過程中土樣逐漸發(fā)生軸向變形，同時施加的初始偏應(yīng)力保持不變。三循環(huán)軟化或液化的定義液化觸發(fā)的基本機(jī)理，起先是在動三軸儀上通過觀察往返軸向應(yīng)力作用下飽和砂土試樣的性能來解釋的。Seed和Lee（1966）最早進(jìn)行了往返三軸試驗(yàn)。飽和砂土試樣先在一定圍護(hù)壓力下固結(jié)，再在不排水條件下施加常幅往返軸向應(yīng)力，直到雙幅軸向應(yīng)變達(dá)到一定水平為止。這種加載方式在土樣45平面上產(chǎn)生的應(yīng)力狀態(tài)與地震作用下水平地面下土單元水平面上的應(yīng)力狀態(tài)是一致的。試驗(yàn)土樣與原位土層的這種關(guān)系是

48、用往返三軸試驗(yàn)來估計(jì)飽和砂土抗液化能力的基礎(chǔ)。在往返三軸試驗(yàn)的不同加載階段土樣的應(yīng)力狀態(tài)如圖11-28所示。土樣先在均等固結(jié)壓力作用下固結(jié)，再在不排水條件下施加軸向應(yīng)力時，在土樣的45平面上產(chǎn)生的剪切應(yīng)力為，同時該平面上還產(chǎn)生正應(yīng)力，該應(yīng)力為純壓縮應(yīng)力，基本上傳遞給孔隙水，不會引起現(xiàn)存的有效圍 護(hù)壓力的任何變化。因此，作用在45平面上的正應(yīng)力可以忽略。圖11-29 往返三軸試驗(yàn)中軸向應(yīng)變和累積孔隙水壓力的變化圖11-29是往返三軸試驗(yàn)的一個典型試驗(yàn)結(jié)果。可以看到，隨著往返軸向應(yīng)力的施加，孔隙水壓力逐漸增長，最終達(dá)到初始圍護(hù)壓力的大小，從而產(chǎn)生約5的雙幅軸向應(yīng)變。這樣的狀態(tài)稱為初始液化。對于飽和

49、松砂，初始液化基本上可以看作軟化狀態(tài)，因?yàn)槔鄯e孔隙水壓力比達(dá)到100的瞬間或以后，土樣會發(fā)生強(qiáng)度完全喪失和變形迅速無限地發(fā)展的現(xiàn)象。對于中密至密實(shí)的飽和砂，隨著雙幅軸向應(yīng)變達(dá)到約5，累積孔隙水壓力比達(dá)到100，飽和砂也發(fā)生軟化狀態(tài)；但初始液化觸發(fā)后，土樣不會發(fā)生強(qiáng)度完全喪失和變形無限地增大的現(xiàn)象。然而，只要土樣達(dá)到一定大小的往返軸向應(yīng)變時就會發(fā)生一定程度的軟化。因此，習(xí)慣上把雙幅軸向應(yīng)變達(dá)到約5或累積孔隙水壓力比達(dá)到100作為一個較寬密度范圍內(nèi)砂土循環(huán)失穩(wěn)狀態(tài)的普遍標(biāo)準(zhǔn)。對含有一定含量的粉質(zhì)砂土或砂質(zhì)粉土，孔隙水壓力不會充分發(fā)展，當(dāng)其達(dá)到初始有效圍護(hù)壓力的9095時就停止了進(jìn)一步增長。當(dāng)這類土

50、發(fā)生明顯的軟化現(xiàn)象時，可以觀察到有相當(dāng)大的往返軸向應(yīng)變。因此，對從潔凈砂土到含有較多細(xì)粒砂的各類砂性土，在往返三軸試驗(yàn)中通常把土樣產(chǎn)生5雙幅軸向應(yīng)變作為循環(huán)軟化或液化的標(biāo)準(zhǔn)。為測定液化觸發(fā)或產(chǎn)生5雙幅軸向應(yīng)變，需要指定常幅均勻往返荷載的往返次數(shù)。原則上往返次數(shù)可以任意給定，但習(xí)慣上采用10周或20周，用以代表在地震中記錄到的加速度時間歷程中具有明顯往返特征的典型數(shù)次。這樣，液化或循環(huán)軟化的觸發(fā)條件是根據(jù)在20次常幅往返荷載作用下產(chǎn)生5雙幅軸向應(yīng)變所需要的循環(huán)應(yīng)力比的大小來確定的。這個循環(huán)應(yīng)力比通常稱為循環(huán)強(qiáng)度或抗液化強(qiáng)度。四砂性土的循環(huán)強(qiáng)度或抗液化強(qiáng)度 圖11-30 循環(huán)強(qiáng)度與相對密度的關(guān)系

51、圖11-31 美國砂土液化結(jié)果(silver等，1976) 對飽和砂土的抗液化強(qiáng)度，已有大量試驗(yàn)研究。研究表明，飽和砂土的抗液化強(qiáng)度主要受初始圍護(hù)壓力的大小、循環(huán)應(yīng)力幅值、循環(huán)應(yīng)力往返作用次數(shù)和砂土的相對密度或孔隙比的影響。通常，為了考慮初始有效圍護(hù)壓力和循環(huán)應(yīng)力幅值的影響，用循環(huán)應(yīng)力比作為三軸試驗(yàn)中土的抗液化強(qiáng)度的量度；將往返作用次數(shù)為20次時引起雙幅軸向應(yīng)變5所需要的循環(huán)應(yīng)力比稱為抗液化強(qiáng)度，記為。圖11-30至圖11-33為典型的試驗(yàn)結(jié)果。從圖11-30可見，隨著砂土相對密度的增加，抗液化強(qiáng)度幾乎線性地增加；但當(dāng)相對密度超過70時，砂土的抗液化強(qiáng)度急劇增加。圖11-31總結(jié)了美國的砂土液

52、化試驗(yàn)結(jié)果。從圖可見，試驗(yàn)結(jié)果位于相當(dāng)窄的帶內(nèi)，表明不同試驗(yàn)得到的循環(huán)強(qiáng)度是相當(dāng)一致的。從圖11-31的平均線可以得出，當(dāng)循環(huán)次數(shù)為20次時，引起5雙幅軸向應(yīng)變的循環(huán)應(yīng)力比為0.31。假如這個循環(huán)應(yīng)力比與砂土的相對密度成正比，則相對密度的砂土的循環(huán)應(yīng)力比可通過0.3150/600.26來估算。圖11-32是日本砂土液化試驗(yàn)結(jié)果的總結(jié)，砂土的相對密度。圖中可以看出，不同的試驗(yàn)結(jié)果也落在一個很窄的帶內(nèi)，表明不同試驗(yàn)得到的循環(huán)強(qiáng)度是相當(dāng)一致的。 不過也可以看出，試樣尺寸較小（直徑5cm）的土樣，其循環(huán)強(qiáng)度較尺寸較大（直徑7-10cm）土樣的循環(huán)強(qiáng)度要稍高一些。圖中的實(shí)線近似給出了兩組試樣試驗(yàn)結(jié)果的分

53、界線，這條曲線也可視為不同試驗(yàn)的平均線。對于細(xì)粒（粒徑小于0.075mm）含量大于50的粉質(zhì)砂土，試驗(yàn)中普遍發(fā)現(xiàn)，相對密度 并不是表達(dá)抗液化強(qiáng)度的一個適宜的性能指標(biāo)，影響抗液化強(qiáng)度的最重要的性能指標(biāo)卻是塑性指數(shù)。圖11-33的試驗(yàn)結(jié)果清楚地證明了這一結(jié)論。但也可看出，當(dāng)塑性指數(shù)時，塑性指數(shù)對循環(huán)強(qiáng)度沒有明顯的影響。 圖11-32 日本砂土液化試驗(yàn)結(jié)果 圖11-33 塑性指數(shù)對含細(xì)粒砂循環(huán)強(qiáng)度的影響圖11-34給出了扭轉(zhuǎn)剪切試驗(yàn)中固結(jié)比對砂土抗液化強(qiáng)度的影響。扭轉(zhuǎn)剪切試驗(yàn)中，循環(huán)應(yīng)力比定義為循環(huán)扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力的幅值與豎向有效固結(jié)壓力的比值。圖11-34給出了引起雙幅扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)變5或初始液化所需的循環(huán)次

54、數(shù)與循環(huán)應(yīng)力比的關(guān)系曲線。由圖可見，固結(jié)比越大，抗液化強(qiáng)度越高。為了檢驗(yàn)條件的影響，豎向圍護(hù)壓力可以通過下式轉(zhuǎn)換為平均有效圍護(hù)應(yīng)力： （11-7）假如圖11-34中的循環(huán)應(yīng)力比變換到循環(huán)應(yīng)力比，試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以重新整理成圖11-35所示。可以看到，不同值的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線幾乎是一致的。圖11-34 側(cè)向受約束條件下固結(jié)比對循環(huán)強(qiáng)度的影響圖11-35 不同條件下循環(huán)應(yīng)力比與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系11.5 砂性土地基液化判別11.5.1地基抗液化的設(shè)防范圍與液化的初步判別 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GBJ1189）規(guī)定6度地震區(qū)需要地基抗液化設(shè)防，并規(guī)定對液化沉陷敏感的乙類建筑可按7度考慮，7度9度時，乙類建筑可按原烈度考慮。2000年建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范仍采用這一規(guī)定。巖土工程勘察規(guī)范（GB50021-94）也作了與此相同的規(guī)定。在抗震規(guī)范中對6度區(qū)適當(dāng)作原則性規(guī)定是有益的。在6度區(qū)的確有少數(shù)地點(diǎn)曾發(fā)生過液化，但未曾對6度區(qū)的砂性土液