水利工程論文-飽和砂土液化應(yīng)變發(fā)展過程的研究.doc

水利工程論文-飽和砂土液化應(yīng)變發(fā)展過程的研究摘要：通過動三軸試驗，研究了洞庭湖區(qū)飽和砂土液化過程中軸向應(yīng)變的發(fā)展規(guī)律，根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變滯回環(huán)隨振動次數(shù)的變化，將液化過程劃分為4個階段，并將軸向應(yīng)變與砂土的應(yīng)力路徑、孔隙水壓力的變化相聯(lián)系，研究表明：砂土的應(yīng)變與應(yīng)力狀態(tài)緊密相關(guān).據(jù)此，觀測軸向彈性模量隨應(yīng)變的發(fā)展而逐步衰化的過程，有助于進一步了解砂土液化的過程.關(guān)鍵詞：砂土液化應(yīng)變彈性模量過去人們對砂土液化的研究多集中于孔隙水壓力、砂土液化強度上1-4，在這些方面取得了許多可喜的研究成果.但是，對于砂土液化的破壞過程中的一個重要的現(xiàn)象即飽和砂土?xí)l(fā)生大的變形則研究得不多.通過研究飽和砂土的應(yīng)變變化過程，可以進一步了解砂土液化的全過程，從而對飽和砂土液化機理有更深的認識.筆者通過動三軸實驗，對洞庭湖區(qū)砂土液化過程進行了分析研究.1液化實驗實驗采用北京新技術(shù)應(yīng)用研究所研制的DDS-70微機控制動三軸儀，該儀器可以適時監(jiān)視實驗過程，并記錄儲存實驗過程中軸向力、應(yīng)變和孔隙壓力，因而可以對砂土的液化過程進行分析研究.實驗所用砂樣來自洞庭湖區(qū)，制備后進行飽和固結(jié)不排水實驗，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)變的時程曲線(Dr=0.58，3=d=10kPa,kc=1).以下討論沒有特殊說明，均以該實驗條件為準.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個階段，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典型的試件液化實驗曲線圖2015次振動軸向應(yīng)力與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線圖32025次振動軸向應(yīng)力與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線圖42530次振動軸向應(yīng)力與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線圖53035次振動軸向應(yīng)力與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線從圖可以看出：(1)在振動開始階段(圖2)，遲滯環(huán)呈不規(guī)則橢圓形.在拉應(yīng)力處于峰值附近時，軸向應(yīng)變出現(xiàn)大的變化，由壓應(yīng)變峰值迅速達到拉應(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，振動次數(shù)之間的回滯環(huán)變化不大，可以認為，砂土還處于粘彈性階段；(2)隨著振動次數(shù)的增加，曲線出現(xiàn)變化，在2025次振動過程中，回滯環(huán)形狀發(fā)生了少許變化，應(yīng)變的幅值變大，同時，相鄰振次之間的回滯環(huán)差異逐步變大，說明出現(xiàn)了殘余的塑性應(yīng)變，砂土已進入粘塑性階段；(3)隨著振動次數(shù)的增加，應(yīng)變的增幅大，在2530次振動過程中，應(yīng)變幅值由0.025增加到0.075，應(yīng)變幅值增加值占整個液化過程應(yīng)變增加的50%；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)卸載時的應(yīng)變絕對值并不減少，表現(xiàn)為基本維持不變或略有上升；(b)在拉、壓加荷階段，應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本相互平行，說明兩者的彈性模量相同；(c)接近拉、壓應(yīng)力峰值階段的應(yīng)變也會出現(xiàn)相對較大的變化.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，在動力作用下，砂土發(fā)生塑性變形，該變形在荷載減少時并不恢復(fù)，當反向作用力大到能克服砂土顆粒間的摩阻力時，應(yīng)變才開始向反方向發(fā)展.(4)當振動次數(shù)達到3035次時，應(yīng)力應(yīng)變回滯環(huán)形狀基本上與振動2530次的形狀保持不變，而應(yīng)變幅值繼續(xù)增加直至達到破壞，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)變處結(jié)構(gòu)并不穩(wěn)定，當遇到反向荷載時，砂土的結(jié)構(gòu)即發(fā)生劇烈的調(diào)整，在低應(yīng)變處，結(jié)構(gòu)調(diào)整逐漸穩(wěn)定下來，表現(xiàn)為其彈性模量的增大.3應(yīng)力路徑與軸向應(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)緊密相關(guān)，所以通過研究砂土液化的應(yīng)力路徑可以了解飽和砂土軸向應(yīng)變的發(fā)展過程.圖6圖8給出了飽和砂土液化過程中應(yīng)力路徑的變化，圖中在繪制應(yīng)力路徑時，發(fā)現(xiàn)在振動實驗中，當孔隙水壓增大到一定的程度，且軸向力為拉時，按照以往規(guī)定，=d+3-u(2)計算時，有效應(yīng)力會在一段時間內(nèi)出現(xiàn)負值，即：ud+3.研究表明，當有效應(yīng)力是拉應(yīng)力時，一部分拉應(yīng)力可以被飽和砂土的阻尼力所抵消.同時，由于砂土處于該階段的時間很短，在動力作用下的孔隙水壓力對有效應(yīng)力的影響是否符合式(2)，是否還值得考慮；研究認為，為簡便起見，在式(2)中求解有效正應(yīng)力的孔壓可取此時殘余孔隙水壓的一個折減值，則式(2)應(yīng)改寫為：=d+3-ug,ug為振動積累的殘余孔隙水壓力，其值可以取本次循環(huán)振動，軸向動應(yīng)力為0時的孔隙水壓力；為土性參數(shù)，其值的大小還需進一步研究，本文取為1.對于圍壓作用產(chǎn)生的有效應(yīng)力，還是取為：=3-u.在振動過程中，砂土可能由于孔隙水壓增大，處于瞬態(tài)的破壞狀態(tài)，由于該階段的時間持續(xù)很短，并不能使砂土出現(xiàn)破壞，但研究確實發(fā)現(xiàn)在這一階段的應(yīng)變變化相當大，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)變變化是相當劇烈的，并且，隨著振動次數(shù)的增加，孔壓增加，這種狀態(tài)在一個循環(huán)中所占的比重愈來愈大，于是該應(yīng)變劇烈變化的區(qū)域是擴大的，砂土也逐漸達到破壞狀態(tài).圖605次振動的應(yīng)力路徑圖72030次振動的應(yīng)力路徑從以上的圖形可以看出：(1)初始振動階段，應(yīng)力路徑基本上是呈傾斜的直線變化，隨著孔壓的增加，應(yīng)力路徑逐步向原點靠攏，由于應(yīng)力狀態(tài)遠離剪脹和破壞狀態(tài)，對應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變回滯環(huán)變化不大，應(yīng)變發(fā)展較緩；(2)進入剪脹階段，在第2530次振動過程中，應(yīng)力路徑的形狀發(fā)生了較大的變化，該時段的軸向應(yīng)力、孔壓和應(yīng)變的變化時程曲線如圖9.在該階段中，孔壓上升比較快，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)第一個穩(wěn)定凹槽時對應(yīng)的應(yīng)力狀態(tài)確定，該凹槽的前一個峰值對應(yīng)于軸向壓力的峰值，而后一個峰值卻與軸向拉應(yīng)力的峰值相對應(yīng)，同時，凹槽的槽底對應(yīng)于壓應(yīng)變的峰值，而孔壓的波谷對應(yīng)于拉