飽和砂土液化應(yīng)變發(fā)展過程的研究

1、飽和砂土液化應(yīng)變開展過程的研究摘要：通過動(dòng)三軸試驗(yàn)，研究了洞庭湖區(qū)飽和砂土液化過程中軸向應(yīng)變的開展規(guī)律，根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變滯回環(huán)隨振動(dòng)次數(shù)的變化，將液化過程劃分為4個(gè)階段，并將軸向應(yīng)變與砂土的應(yīng)力途徑、孔隙水壓力的變化相聯(lián)絡(luò)，研究說明：砂土的應(yīng)變與應(yīng)力狀態(tài)嚴(yán)密相關(guān).據(jù)此，觀測(cè)軸向彈性模量隨應(yīng)變的開展而逐步衰化的過程，有助于進(jìn)一步理解砂土液化的過程.關(guān)鍵詞：砂土液化應(yīng)變彈性模量過去人們對(duì)砂土液化的研究多集中于孔隙水壓力、砂土液化強(qiáng)度上1-4，在這些方面獲得了許多可喜的研究成果.但是，對(duì)于砂土液化的破壞過程中的一個(gè)重要的現(xiàn)象即飽和砂土?xí)l(fā)生大的變形那么研究得不多.通過研究飽和砂土的應(yīng)變變化過程，可以進(jìn)

2、一步理解砂土液化的全過程，從而對(duì)飽和砂土液化機(jī)理有更深的認(rèn)識(shí).筆者通過動(dòng)三軸實(shí)驗(yàn)，對(duì)洞庭湖區(qū)砂土液化過程進(jìn)展了分析研究.1液化實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)采用北京新技術(shù)應(yīng)用研究所研制的DDS-70微機(jī)控制動(dòng)三軸儀，該儀器可以適時(shí)監(jiān)視實(shí)驗(yàn)過程，并記錄儲(chǔ)存實(shí)驗(yàn)過程中軸向力、應(yīng)變和孔隙壓力，因此可以對(duì)砂土的液化過程進(jìn)展分析研究.實(shí)驗(yàn)所用砂樣來自洞庭湖區(qū)，制備后進(jìn)展飽和固結(jié)不排水實(shí)驗(yàn)，其主要參數(shù)如表1、表2.表1砂土參數(shù)圖1為典型的飽和砂土的孔壓、軸向力與軸向應(yīng)變的時(shí)程曲線(Dr=0.58，3=d=10kPa,k=1).以下討論沒有特殊說明，均以該實(shí)驗(yàn)條件為準(zhǔn).2應(yīng)力-應(yīng)變回滯環(huán)根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變回滯環(huán)不同將液化過程劃分為四

3、個(gè)階段，相應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變回滯環(huán)變化如圖2圖5所示.圖1典型的試件液化實(shí)驗(yàn)曲線圖2015次振動(dòng)軸向應(yīng)力與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線圖32025次振動(dòng)軸向應(yīng)力與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線圖42530次振動(dòng)軸向應(yīng)力與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線圖53035次振動(dòng)軸向應(yīng)力與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線從圖可以看出：(1)在振動(dòng)開場(chǎng)階段(圖2)，遲滯環(huán)呈不規(guī)那么橢圓形.在拉應(yīng)力處于峰值附近時(shí)，軸向應(yīng)變出現(xiàn)大的變化，由壓應(yīng)變峰值迅速到達(dá)拉應(yīng)變峰值，其他階段的應(yīng)變變化較緩，尤其是在壓應(yīng)力卸載與拉應(yīng)力卸載階段，軸向應(yīng)變幾乎不變，并且，振動(dòng)次數(shù)之間的回滯環(huán)變化不大，可以認(rèn)為，砂土還處于粘彈性階段；(2)隨著振動(dòng)次數(shù)的增加，曲線出現(xiàn)變化，在2025次振動(dòng)過

4、程中，回滯環(huán)形狀發(fā)生了少許變化，應(yīng)變的幅值變大，同時(shí)，相鄰振次之間的回滯環(huán)差異逐步變大，說明出現(xiàn)了剩余的塑性應(yīng)變，砂土已進(jìn)入粘塑性階段；(3)隨著振動(dòng)次數(shù)的增加，應(yīng)變的增幅大，在2530次振動(dòng)過程中，應(yīng)變幅值由0.025增加到0.075，應(yīng)變幅值增加值占整個(gè)液化過程應(yīng)變?cè)黾拥?0%；回滯環(huán)的形狀較初始階段發(fā)生了明顯的變化：(a)回滯環(huán)不再是橢圓形，在軸向力為0處，應(yīng)變出現(xiàn)了較大的突變，而在應(yīng)力(包括壓應(yīng)力與拉應(yīng)力)卸載時(shí)的應(yīng)變絕對(duì)值并不減少，表現(xiàn)為根本維持不變或略有上升；(b)在拉、壓加荷階段，應(yīng)力-應(yīng)變曲線根本互相平行，說明兩者的彈性模量一樣；()接近拉、壓應(yīng)力峰值階段的應(yīng)變也會(huì)出現(xiàn)相對(duì)較大

5、的變化.在以上的現(xiàn)象中，試件在軸向卸荷的狀態(tài)下軸向應(yīng)變并有減少，這可能是由于兩個(gè)原因，首先，是砂土中阻尼力的影響，使得應(yīng)力與應(yīng)變的相位并不一致，其次，在動(dòng)力作用下，砂土發(fā)生塑性變形，該變形在荷載減少時(shí)并不恢復(fù)，當(dāng)反向作用力大到能克制砂土顆粒間的摩阻力時(shí)，應(yīng)變才開場(chǎng)向反方向開展.(4)當(dāng)振動(dòng)次數(shù)到達(dá)3035次時(shí)，應(yīng)力應(yīng)變回滯環(huán)形狀根本上與振動(dòng)2530次的形狀保持不變，而應(yīng)變幅值繼續(xù)增加直至到達(dá)破壞，在軸向力為0附近，應(yīng)變的劇烈變化，彈性模量小，說明砂土在高應(yīng)變處構(gòu)造并不穩(wěn)定，當(dāng)遇到反向荷載時(shí)，砂土的構(gòu)造即發(fā)生劇烈的調(diào)整，在低應(yīng)變處，構(gòu)造調(diào)整逐漸穩(wěn)定下來，表現(xiàn)為其彈性模量的增大.轉(zhuǎn)貼于論文聯(lián)盟.l

6、l.3應(yīng)力途徑與軸向應(yīng)變液化過程中飽和砂土的軸向應(yīng)變與砂土的應(yīng)力狀態(tài)嚴(yán)密相關(guān)，所以通過研究砂土液化的應(yīng)力途徑可以理解飽和砂土軸向應(yīng)變的開展過程.圖6圖8給出了飽和砂土液化過程中應(yīng)力途徑的變化，圖中在繪制應(yīng)力途徑時(shí)，發(fā)如今振動(dòng)實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)孔隙水壓增大到一定的程度，且軸向力為拉時(shí)，按照以往規(guī)定，=d+3-u(2)計(jì)算時(shí)，有效應(yīng)力會(huì)在一段時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)負(fù)值，即：ud+3.研究說明，當(dāng)有效應(yīng)力是拉應(yīng)力時(shí)，一局部拉應(yīng)力可以被飽和砂土的阻尼力所抵消.同時(shí)，由于砂土處于該階段的時(shí)間很短，在動(dòng)力作用下的孔隙水壓力對(duì)有效應(yīng)力的影響是否符合式(2)，是否還值得考慮；研究認(rèn)為，為簡(jiǎn)便起見，在式(2)中求解有效正應(yīng)力的孔壓

7、可取此時(shí)剩余孔隙水壓的一個(gè)折減值，那么式(2)應(yīng)改寫為：=d+3-ug,ug為振動(dòng)積累的剩余孔隙水壓力，其值可以取本次循環(huán)振動(dòng)，軸向動(dòng)應(yīng)力為0時(shí)的孔隙水壓力；為土性參數(shù)，其值的大小還需進(jìn)一步研究，本文取為1.對(duì)于圍壓作用產(chǎn)生的有效應(yīng)力，還是取為：=3-u.在振動(dòng)過程中，砂土可能由于孔隙水壓增大，處于瞬態(tài)的破壞狀態(tài)，由于該階段的時(shí)間持續(xù)很短，并不能使砂土出現(xiàn)破壞，但研究確實(shí)發(fā)如今這一階段的應(yīng)變變化相當(dāng)大，從應(yīng)力-應(yīng)變回滯環(huán)可看出，在拉應(yīng)力峰值附近的應(yīng)變變化是相當(dāng)劇烈的，并且，隨著振動(dòng)次數(shù)的增加，孔壓增加，這種狀態(tài)在一個(gè)循環(huán)中所占的比重愈來愈大，于是該應(yīng)變劇烈變化的區(qū)域是擴(kuò)大的，砂土也逐漸到達(dá)破壞

8、狀態(tài).圖605次振動(dòng)的應(yīng)力途徑圖72030次振動(dòng)的應(yīng)力途徑從以上的圖形可以看出：(1)初始振動(dòng)階段，應(yīng)力途徑根本上是呈傾斜的直線變化，隨著孔壓的增加，應(yīng)力途徑逐步向原點(diǎn)靠攏，由于應(yīng)力狀態(tài)遠(yuǎn)離剪脹和破壞狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變回滯環(huán)變化不大，應(yīng)變開展較緩；(2)進(jìn)入剪脹階段，在第2530次振動(dòng)過程中，應(yīng)力途徑的形狀發(fā)生了較大的變化，該時(shí)段的軸向應(yīng)力、孔壓和應(yīng)變的變化時(shí)程曲線如圖9.在該階段中，孔壓上升比擬快，并且，孔壓曲線的波峰處出現(xiàn)較為穩(wěn)定的凹槽，狀態(tài)轉(zhuǎn)換面可以孔隙水壓力峰值出現(xiàn)第一個(gè)穩(wěn)定凹槽時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力狀態(tài)確定，該凹槽的前一個(gè)峰值對(duì)應(yīng)于軸向壓力的峰值，而后一個(gè)峰值卻與軸向拉應(yīng)力的峰值相對(duì)應(yīng)，同

9、時(shí)，凹槽的槽底對(duì)應(yīng)于壓應(yīng)變的峰值，而孔壓的波谷對(duì)應(yīng)于拉應(yīng)變的峰值；在這個(gè)階段，應(yīng)變的開展較快，說明砂土的構(gòu)造已經(jīng)開場(chǎng)發(fā)生變化，互相之間運(yùn)動(dòng)的阻力減少，顆粒之間開場(chǎng)產(chǎn)生劇烈相對(duì)運(yùn)動(dòng)，由于這些變化，引起應(yīng)力-應(yīng)變回滯環(huán)發(fā)生變化，應(yīng)變開展迅速，剛度降低.(3)穩(wěn)定階段，如圖8所示，應(yīng)力途徑進(jìn)入穩(wěn)定階段，前后幾次循環(huán)的應(yīng)力途徑根本上重合，形狀也保持不變，這是由于孔隙水壓力幅值不再上升，砂土的有效應(yīng)力狀態(tài)根本保持不變，但是，由于砂土屢次到達(dá)破壞狀態(tài)，可以根據(jù)此時(shí)的應(yīng)力途徑確定極限狀態(tài)面，如圖13所示，且此時(shí)的應(yīng)變幅值仍然繼續(xù)開展.圖83035次振動(dòng)的應(yīng)力途徑圖9進(jìn)入剪脹以后的時(shí)程曲線顯然，進(jìn)入剪脹階段，

10、應(yīng)變?cè)龇螅芯吭撾A段的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系有著重要的意義，取出一個(gè)循環(huán)進(jìn)展分析，得到了如上的滯回曲線.從研究結(jié)果可知，在該階段內(nèi)，應(yīng)力途徑進(jìn)入狀態(tài)轉(zhuǎn)換面，并且，應(yīng)力途徑的一局部(拉應(yīng)力對(duì)應(yīng)的局部)與極限狀態(tài)面相切.圖10圖13給出了進(jìn)入第二階段中一個(gè)典型實(shí)驗(yàn)循環(huán)過程的應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)力途徑開展曲線，從圖13知，從A點(diǎn)進(jìn)入剪脹階段，軸向應(yīng)變?cè)贏點(diǎn)也相應(yīng)的出現(xiàn)變化，應(yīng)變變化幅值變大，說明砂土的構(gòu)造出現(xiàn)調(diào)整，在B階段，砂土處于破壞狀態(tài)，相應(yīng)的應(yīng)變變化劇烈，由此可見，砂土的應(yīng)變開展與應(yīng)力狀態(tài)有直接的關(guān)系.圖10第二階段的實(shí)驗(yàn)時(shí)程曲線圖11第二階段孔隙水壓力的變化曲線圖12第二階段的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系同時(shí)從滯回環(huán)

11、得知，這個(gè)階段中，在軸向應(yīng)力值在0附近，軸向應(yīng)變變化幅值較大，幾乎占整個(gè)應(yīng)變變化幅值的50%，也正是這里的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)引起最終應(yīng)變幅值的大幅增長(zhǎng)，可見應(yīng)力的反向?qū)?yīng)變的開展影響很大，這是由于進(jìn)入剪脹和瞬態(tài)到達(dá)破壞面，使得砂土的構(gòu)造發(fā)生了變化，經(jīng)歷剪脹后而處于高應(yīng)變的砂土并不穩(wěn)定，砂土之間的孔隙增大，土顆粒之間互相運(yùn)動(dòng)的阻力減少，這種趨勢(shì)隨著剪脹的加劇而愈明顯，這使得當(dāng)反向加載時(shí)，不需要很大的幅值，即可使砂土的構(gòu)造發(fā)生大的調(diào)整，迅速向低應(yīng)變轉(zhuǎn)移，顆粒的重新排列，孔隙減少，導(dǎo)致卸荷剪縮的出現(xiàn).從以上分析可知，反向剪應(yīng)力的存在對(duì)于砂土的應(yīng)變開展起著關(guān)鍵的作用，而反向剪應(yīng)力的存在與否，與砂土的固結(jié)應(yīng)力狀況

12、，動(dòng)荷載的大小有關(guān)系，即滿足圖13第二階段的應(yīng)力途徑1-dl3(3)式中：1、3分別為固結(jié)時(shí)大、小主應(yīng)力，dl為動(dòng)荷載幅值.轉(zhuǎn)貼于論文聯(lián)盟.ll.4應(yīng)變與孔隙水壓的關(guān)系圖14給出了振動(dòng)軸向應(yīng)變與孔隙水壓的變化曲線，從圖可以看出，在振動(dòng)的初始階段，軸向應(yīng)變的峰值與孔隙壓力的峰值相對(duì)應(yīng)，到振動(dòng)后期，兩者的峰值不再相對(duì)應(yīng)，既當(dāng)應(yīng)變到達(dá)峰值時(shí)，孔壓水壓沒有到達(dá)最大值；并且，圖15顯示，在曲線的初始，小軸向應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)對(duì)應(yīng)著大幅增加的孔隙水壓，而在曲線的后期，應(yīng)變大幅增加，但是孔隙水壓卻根本保持不變.這說明前期與后期的軸向應(yīng)變引起的體應(yīng)變不同，開場(chǎng)階段的軸向應(yīng)變與體應(yīng)變嚴(yán)密聯(lián)絡(luò)，而后期的軸向應(yīng)變主要是由于某

13、一區(qū)域液化而產(chǎn)生的剪切破壞變形，此時(shí)，試件的體應(yīng)變?cè)黾硬⒉欢?以上研究說明，砂土的軸向應(yīng)變與孔隙水壓力存在一定的關(guān)系，在一個(gè)動(dòng)荷循環(huán)內(nèi)，軸向應(yīng)變的變化影響到孔隙水壓力的變化，但是，剩余孔隙水壓力與剩余應(yīng)變開展不一樣，剩余孔隙水壓力最終有一個(gè)限值，而剩余應(yīng)變可以不斷開展.圖14一次液化過程軸向應(yīng)變與孔壓的關(guān)系曲線圖15軸向應(yīng)變與孔壓峰值的開展曲線剩余應(yīng)變與剩余孔隙水壓力具有一樣的特征，即隨著振動(dòng)次數(shù)的增加呈遞增趨勢(shì)，將孔隙水壓力與剩余應(yīng)變聯(lián)絡(luò)的思想是一個(gè)可行的研究方向，研究證明，孔壓幅值與軸向應(yīng)變幅值有著單調(diào)的函數(shù)關(guān)系，這已經(jīng)引起了許多學(xué)者的注意，于是，它們之間具有必然的聯(lián)絡(luò)，可以將它們的關(guān)系歸

14、結(jié)為u/uf=b+ae-(-0)/(4)式中：u、uf分別是孔隙水壓力和極限孔隙水壓力；、0為剩余應(yīng)變和初始剩余應(yīng)變；a、b是土性的函數(shù)，而與固結(jié)比有關(guān)系，為實(shí)驗(yàn)擬合參數(shù)，其取值和物理意義作者擬另文詳細(xì)說明.5軸向彈性模量軸向彈性模量是研究砂土液化過程中衰化的一個(gè)重要指標(biāo)，隨著振動(dòng)次數(shù)的增加，砂土的剛度逐漸減少(如圖16所示).本文利用采集的軸向力與軸向位移數(shù)據(jù)進(jìn)展分析，取回滯環(huán)的切線斜率作為瞬態(tài)彈性模量，得到如下結(jié)果：砂土液化過程中，其軸向瞬態(tài)彈性模量會(huì)發(fā)生變化，不僅表現(xiàn)為不同的循環(huán)次之間不同，即使在同一循環(huán)次內(nèi)不同的階段，軸向瞬態(tài)彈性模量也不同，研究說明，在一個(gè)循環(huán)內(nèi)，瞬態(tài)彈性模量在應(yīng)變峰

15、值處大，表現(xiàn)為荷載大幅變化，而應(yīng)變變化小，而在其他的地方荷載變化小，而應(yīng)變變化大，即瞬態(tài)彈性模量那么??；在壓應(yīng)變峰值處的孔壓較高，而在拉應(yīng)變峰值處的孔壓較小，但是，在這兩處的彈性模量都比擬大，說明孔壓對(duì)瞬態(tài)彈性模量影響不大，對(duì)瞬態(tài)彈性模量影響較大的是砂土所處的應(yīng)力狀態(tài)階段，并與在是加載還是卸荷有極大的關(guān)系，圖16中橫軸是一回滯環(huán)應(yīng)變幅值，縱軸是加荷過程中軸向動(dòng)應(yīng)力為零時(shí)的瞬態(tài)模量.假如根據(jù)滯回圈頂點(diǎn)的動(dòng)應(yīng)力d和動(dòng)應(yīng)變d，計(jì)算動(dòng)模量Ed:Ed=d/d，那么將動(dòng)應(yīng)變與動(dòng)模量的開展關(guān)系如圖17所示，3代表圍壓，1是破壞時(shí)的軸向應(yīng)變，取為10%.顯然，動(dòng)模量隨d的增加而減少，初始減少幅度小，后面的減少幅度大.同時(shí)，固結(jié)圍壓的大小對(duì)動(dòng)模量也有影響，圍壓愈大，其動(dòng)模量也大，這種差異在振動(dòng)初期明顯，而到了臨近液化破壞狀態(tài)，因圍壓不同引起動(dòng)彈性模量的差異逐漸減少.圖16不同動(dòng)模量的衰化圖17動(dòng)模量衰化6結(jié)論：(1)砂土液化的滯回曲線隨著振動(dòng)次數(shù)的增加是會(huì)發(fā)生變化的，變化的原因是砂土進(jìn)入了特殊的應(yīng)力狀態(tài)，構(gòu)造發(fā)生了變化；(2)砂土的應(yīng)變開展與砂土應(yīng)力途徑嚴(yán)密相關(guān)，進(jìn)入狀態(tài)轉(zhuǎn)換面后，標(biāo)志著砂土的構(gòu)造發(fā)生了重大變化，應(yīng)變出現(xiàn)大的開展；(3)軸向剩余應(yīng)變與剩余孔壓之間有著親密的聯(lián)絡(luò)，進(jìn)一步的研究將有利于對(duì)孔壓的開展的更深的理