（环境工程专业论文）黄河三角洲不同粘粒含量粉土的动力特性研究.pdf

黄河三角洲不同粘粒含量粉土的动力特i 生试验研究 学位论文完成日期： 指导教师签字： 答辩委员会成员签字： 汐懒 管 勿学 易l ：巧，。矽 1 掇锉整 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 ( 洼i 翅遗直甚丝姜墨挂别直咽笪：奎拦亘窒2 或其他教育机构的学位或证书使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：翻詹砍签字日期：为d 年6 月以闰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 翻众次聊嫁螺i 。哪 签字日期：f 。年月坶日签字日期：弘f 睥6 月l 日 黄河三角洲不同粘粒含量粉土的动力特性试验研究 摘要 黄河三角洲海域，海床粉土在波浪作用下，易产生滑动、塌陷凹坑、粉砂流 等地质灾害。三角洲海岸地区作为油气资源的生产地，越来越多的海上工建筑物 及海底光缆、输油管线建设在这些地区，而由于恶劣的海洋环境动力作用，常造 成海底粉土地基的失稳破坏，因此研究粉质土在循环荷载作用下的动力特性就显 得十分重要。 本文从粉土特殊的颗粒组成出发，通过配制不同粘粒含量的粉土样品作为研 究对象，根据三角洲地区存在的地质灾害问题，确定以不同粘粒含量粉土的动力 特性为研究目标，利用模拟波浪作用的动三轴试验，理论分析与计算，以及对前 人研究成果的归纳总结等研究方法，展开研究工作。 论文利用动三轴试验模拟波浪作用，对不同粘粒含量的黄河三角洲粉土( 粘 粒含量分别为3 、9 、1 5 和2 1 ) 的动力特性进行了试验研究，基于试验结 果分析了不同粘粒含量粉土的动强度衰减规律；分析了不同粘粒含量粉土的动孔 压发展特性，并研究了粘粒含量对粉土动孔压发展的影响；通过分析讨论确定了 黄河三角洲粉土的临界循环应力比。 ， 对不同粘粒含量粉土的动力特性的研究结果表明：黄河三角洲粉土的动强 度、内聚力和内摩擦角随循环荷载振动次数的增加呈现以幂函数曲线缓慢衰减的 规律；粉土的动强度随粘粒含量的增加并不是单调增加的，且在不同围压作用下 粘粒含量对粉土的动强度的影响表现出较大的差异；粘粒含量对粉土振动孔压的 发展有较明显的影响，主要表现为随粘粒含量的增加，粉土的孔压发展速度和最 大孔压值均明显减小，但不同粘粒含量粉土的动孔压发展可以用统一的孔压发展 模式来表示，其区别是不同粘粒含量的粉土振动孔压发展模式中的系数不同；通 过模拟波浪荷载的动三轴试验，发现黄河三角洲粉土存在临界循环应力比，利用 临界循环应力比公式k 产( o 加j ) 居砂。，对实验数据分析后，将黄河三角洲重塑粉 土的临界循环应力比确定为1 3 0 ，将原状粉土的临界循环应力比确定为1 4 0 。 通过波浪对粉土底床作用的水槽试验，探讨了黄河水下三角洲硬层形成的原 因，研究表明：波浪作用可以导致粉土底床浅表局部软弱区的振荡滑动，在土体 i 一钳静孵妒m ”叫嗍! 随波浪振荡过程中，细颗粒物质会逐渐从土体中析出，进入水体，使土体粒径粗 化；同时运动土体随振荡过程的持续会发生排水的过程，使土体含水量降低，密 度增大，从而形成强度高值层；波浪作用结束后经过一段时间的静置，由于排水 过程的持续，土体的强度又会出现较明显的增大。 关键词：黄河三角洲；粘粒含量；动强度；临界循环应力比；硬层 i i e x p e r i m e n t a ls t u d yo nd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so f v a r i o u s c l a yc o n t e n ts i l t ys o i lo f t h ey e l l o wr i v e rd e l t a a b s t r a c t i nt h ey e l l o wr i v e rd e l t a , t h es i l t ys e a b e di s p r o n et og e o l o g i c a l h a z a r d s i n c l u d i n gl a n d s l i d e s ，c o l l a p s e s ，s i l tf l o w , c t c a st h ep r o d u c t i o na r e a so fo i la n dg a s r e s o u r c e s ，m o r ea n dm o r em a r i n es t r u c t u r e sa r eb u i l ti nt h e s ea r e a s ，s u c ha ss u b m a r i n e c a b l ea n do i lp i p e l i n e s h o w e v e r , t h es i l t ys e a b e di su s u a l l yc a u s e df a i l u r eb e c a u s eo f b a dm a r i n ed y n a m i ca c t i o n s ，s or e s e a r c h e so ns i l t ys o i lo fd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s u n d e rc y c l i cl o a d i n g sa r ev e r yi m p o r t a n t i nt h i ss t u d y , t h r o u g hp r e p a r ev a r i o u sc l a yc o n t e n ts i l t ys o i l sa st h er e s e a r c h o b j e c t s ，s e v e r a lm e t h o d sa r ec a r r i e do u tt os t u d yt h ed y n a m i cp r o p e r t i e s ，s u c ha s l a b o r a t o r yd y n a m i ct r i a x i a le x p e r i m e n t s ，t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o nm e t h o d a n ds u m m a r i z e dp r e v i o u sr e s e a r c h e r s r e s u l t s t h r o u g hd y n a m i ct r i a x i a le x p e r i m e n t st os i m u l a t ew a v ea c t i o n s ，t h ed y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so fv a r i o u sc l a yc o n t e n ts i l t ys o i l sa r es t u d y b a s e do nt h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t s ，t h ed y n a m i cs t r e n g t hw e a k e n i n gr u l eo fv a r i o u sc l a yc o n t e n ts i l t ys o i l si s a n a l y z e d ；t h ed e v e l o p m e n tc h a r a c t e r i s t i c so fd y n a m i cp o r ew a t e rp r e s s u r ea r es t u d y , a l s ot h ee f f e c to fc l a yc o n t e n tt ot h ed y n a m i cp o r ew a t e rp r e s s u r ei ss t u d i e d ；t h e c r i t i c a lc y c l i cs t r e s sr a t i oo f y e l l o wr i v e rd e l t as i l t ys o i li sg i v e no u t t h er e s e a r c hr e s u l t so nt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fv a r i o u sc l a yc o n t e n ts i l t y c h a r a c t e r i s t i c ss h o wt h a tt h ed y n a m i cs h e a rs t r e n g t h ，c o h e s i v ef o r c e ，a n di n t e r n a l f r i c t i o na n g l ea t t e n u a t ei nac u r v eo fp o w e rf u n c t i o nw i t l lt h ei n c r e a s i n gc y c l e n u m b e r s c l a yc o n t e n th a sas i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo nt h ed y n a m i cs t r e n g t ho fs i l t y s o i l sa n dt h ed y n a m i cs t r e n g t h so fv a r i o u sc l a yc o n t e n ts i l t ys o i l ss h o wg r e a t d i f f e r e n c eu n d e rd i f f e r e n tc o n f i n i n gp r e s s u r e c l a yc o n t e n ta l s oh a sas i g n i f i c a n t i n f l u e n c eo nt h ed e v e l o p m e n to fd y n a m i cp o r ew a t e rp r e s s u r ea n dt h ei n f l u e n c e m a i n l yp r e s e n t e da sb o t ht h ed e v e l o p m e n tr a t ea n dt h em a x i m u mv a l u eo fp o r ew a t e r p r e s s u r ed e c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo ft h ec l a yc o n t e n t h o w e v e r , t h ep o r ew a t e r i i i p r e s s u r ed e v e l o p m e n to fv a r i o u sc l a yc o n t e n ts i l t ys o i l sc a l lb ee x p r e s s e db yau n i f i e d p o r ep r e s s u r ed e v e l o p m e n tm o d ea n dt h ed i f f e r e n c ei st h a tt h ec o e f f i c i e n t si nt h ep o r e p r e s s u r ed e v e l o p m e n tm o d ea r ed i f f e r e n tw i t he a c ho t h e r b a s e do nt h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t sa n dp r e v i o u sr e s e a r c h e r s r e s u l t s ，u s i n gt h ec r i t i c a lc y c l i cs t r e s sr a t i of o r m u l a k c 严( ( s d + s1 ) s 3 ) c rf o rc o n v e r s i o nc a l c u l a t i o n s ，t h ec r i t i c a lc y c l i cs t r e s sr a t i oo f r e m o l d e ds i l t ys o i l so fy e l l o wr i v e rd e l t ai sd e t e r m i n e da s1 3 0a n dt h a to ft h e u n d i s t u r b e ds i l t ys o i l si sd e t e r m i n e da s1 4 0 t h r o u g hw a v ef l u m ee x p e r i m e n t s ，t h ef o r m a t i o nr e a s o n so ft h ef o r m a t i o no ft h e h a r dl a y e ro fs u b a q u e o u sy e l l o wr i v e rd e l t aa r ed i s c u s s e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e w a v ea c t i o nm a yl e a dt ot h eo s c i l l a t i o ns l i d i n go fs u p e r f i c i a ll o c a lw e a ks e a b e d ；t h e f i n ep a r t i c l e so ft h es o i lg r a d u a l l ym o v e su pa n di n t ot h ew a t e ri nt h ep r o c e s so fw a v e a c t i o n ，a n dt h e nt h ec l a yp a r t i c l e sc o n t e n to ft h es o i ld e c r e a s e sa n dt h es o i lp a r t i c l e s i z ec o a r s e n s ；m e a n t i m et h ew a t e ri nt h es l i d i n gs o i ld i s c h a r g e so u ti nt h ep r o c e s so f s o i lo s c i l l a t i n g ，c a u s i n gt h ed e c r e a s eo fw a t e rc o n t e n ta n dt h ei n c r e a s eo fs o i ld e n s i t y , t h e nt h es o i ls t r e n g t hg r a d u a l l yi n c r e a s e sa n dh i g l l v a l u es t r e n g t hl a y e rf o r m s ；w h e n t h ew a v ea c t i o nw a so v e ra n da f t e rap e r i o do fr e s t i n g ，t h es o i ls t r e n g t hs i g n i f i c a n t l y i n c r e a s e sb e c a u s eo ft h ec o n t i n u a n c eo fw a t e r d i s c h a r g i n g k e yw o r d ：t h ey e h o wr i v e rd e l t a ；c l a yc o n t e n t ；d y n a m i cs t r e n g t h ；c r i t i c a lc y c l i c s t r e s sr a t i o ；h a r dl a y e r i v 目录 1 绪论1 1 1 研究意义1 1 2 研究对象2 1 3 波浪荷载作用下粉土的动力特性研究现状2 1 3 1 循环荷载作用下粉土的动强度特性研究现状2 1 3 2 循环荷载作用下粉土的动力变形特性研究6 1 3 3 循环荷载作用下粉土的孔压变化特性研究8 1 3 4 不同粘粒含量粉土的动力特性研究9 1 4 本文的研究工作1 0 2 现代黄河三角洲概况一1 2 2 1 现代黄河三角洲沉积概况1 3 2 2 现代黄河三角洲水文和沉积物概况1 4 2 2 1 波浪和风暴潮1 4 2 2 2 潮汐潮流1 5 2 2 3 水沙变化特征15 2 3 黄河三角洲典型沉积物的沉积特征和矿物结构特征：1 5 2 3 1 黄河三角洲沉积物的沉积特征1 5 2 3 2 黄河三角洲矿物组成1 6 2 3 3 黄河三角洲沉积物的物理力学性质和微结构特征16 3 不同粘粒含量粉土的动三轴试验18 3 1 概述1 8 3 2 动三轴试验仪器介绍1 9 3 3 动三轴试验所用土样的配制2 0 3 4 动三轴试验所用土样的基本性质2 0 3 5 粉土试样的制备和饱和：2 1 3 5 1 制样21 3 5 2 饱和2 2 3 6 试验方案与破坏标准2 2 3 6 1 动三轴试验方案2 2 3 6 2 土样破坏标准2 3 3 7 试验方法2 5 3 8 试验结果整理与分析2 6 3 8 1 不同粘粒含量粉土的动强度2 6 3 8 2 不同粘粒含量粉土的内聚力和内摩擦角3 2 3 8 3 试验结果分析3 5 3 9 结果讨论3 6 4 不同粘粒含量黄河三角洲粉土的临界循环应力比4 2 4 1 概述4 2 4 2 土体临界循环应力比的研究现状4 2 4 3 不同粘粒含量粉土的临界循环应力比的确定4 3 4 4 其他研究者得到的粉土的临界循环应力比4 5 4 5 关于临界循环应力比的讨论4 6 5 波浪作用下不同粘粒含量粉土的孔压变化特性4 8 5 1 概j 苤4 8 5 2 研究方法4 9 5 3 典型粉土振动孔压试验成果4 9 5 4 粉土动孔压发展模式的确定5 1 5 5 不同粘粒含量粉土的振动孔压特性5 2 5 6 粘粒含量对粉土振动孔压的影响5 3 5 7 粘粒含量对粉土振动孔压发展影响分析5 6 5 8 粉土动强度衰减过程中的孔隙水压力变化及土体微观结构分析5 6 6 波浪作用下黄河水下三角洲硬层形成的试验研究6 0 6 1 概j 态6 0 6 2 波浪对粉土底床作用的试验研究6 1 6 2 1 试验研究对象6 1 6 2 2 试验设备与试验方法6 2 6 2 3 试验过程与现象6 4 6 3 试验结果与分析6 6 6 3 1 普氏贯入仪强度测试结果6 6 6 3 2 土体粘粒含量的变化结果6 8 6 3 3 土体密度与含水率的变化结果7 0 6 3 4 试验结果分析7 1 6 4 小结与讨论7 2 6 4 1 本章小结7 2 6 4 2 关于黄河水下三角洲硬层形成的讨论7 3 7 结论与讨论7 4 7 1 结论8 4 7 2 存在问题与建议8 4 参考文献7 7 致谢8 4 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果8 5 i i 黄河三角洲不同粘粒含量粉土的动力特性试验研究 1 绪论 1 1 研究意义 海洋与人类有密切的关系，二十一世纪人类已迎来开发海洋、利用海洋的新 时代，海洋成了人类在新世纪里的希望。我国是一个海洋大国，海岸线长达 18 0 0 0 k m ，开发海洋资源，开采海洋油气资源是我国能源发展的一个重要方向。 大河入海的河口三角洲地区常常为油气资源的赋存场所。如中国的黄河三角洲， 地下存在巨大量的油气资源，现己探明含油面积1 6 0 0 多平方公里，石油地质储 量4 0 亿吨，天然气地质储量3 4 0 亿立方米。胜利油田从2 0 世纪6 0 年代在三角 洲地区进行大规模油气开发以来，已找到6 0 多个不同类型的油气田，累计生产 原油7 2 亿吨，约占中国原油总产量的五分之一。 粉质土构成的河口三角洲地区作为油气资源的生产地，越来越多的海洋工程 建筑物及海底光缆、输油管线等建设在这些地区，这些工程设施均以粉质土地层 作为地基，因此地基的稳定性是决定这些工程安全的重要因素。许多大河三角洲 地区不仅因为富含油气资源而进行开发生产，同时也是人类重要的经济活动场 所，如我国的长江三角洲经济发展带，珠江三角洲经济发展带，黄河三角洲经济 发展带等，人类的工程经济活动逐渐拓展到海上，水下三角洲地基土体的稳定问 题同样决定着工程的安全性，而且河口三角洲海岸地区往往会遭受恶劣的海洋环 境动力作用，造成海底地基的失稳破坏，因此研究粉土在循环荷载作用下的动力 特性就显得十分重要而且必要。 海洋土动力学作为一门综合性学科已经得到了较大的发展，作为海洋土动力 学一个重要方面，波浪作用下沉积土体工程特性的研究越来越受到各国学者的重 视。粉土颗粒大小介于砂土与粘土之间，工程性质非常特殊，既不同于砂土又有 区别于粘土，在波浪、地震等动荷载作用下的动力响应比较复杂，常导致海底滑 坡、构筑物失稳等地质灾害现象 1 引，对海洋工程的危害较大，但目前还没有形 成完整的动力响应理论。所以，在沿岸工程界，研究粉质土海床在循环荷载作用 下工程地质特性的动态变化有十分重要的科研价值。近年来随着黄河三角洲的全 面开发，加大了对其工程地质环境特性进行调查的迫切性。基于目前对黄河三角 1 黄河三角洲不同粘粒含量粉土的动力特性试验研究 洲形成的原因、历史和过程的研究，尤其是对黄河三角洲沉积物工程地质的调查 发现该地区的饱和粉质土具有很强的独特性，不同于一般土【4 剖。现代黄河三角 洲沉积厚度1 5 m 左右【6 】，这组地层构成了海底平台，管线及防波堤等的直接依托。 由于黄河的点状物源，高浓度输沙等特点，黄河三角洲沉积速率相当快，又因输 砂多为细颗粒物质，新近沉积层松散且饱水，工程地质性质很不稳定 _ 7 8 】。所以 不论是从科研价值角度出发，还是考虑海洋工程建设设计方面的需求及服务于本 地区的地质灾害防治，对黄河三角洲粉质土在循环荷载作用下的动力特性响应进 一步进行较为系统和深入的探讨研究都具有实际意义。 1 2 研究对象 本文研究的粉土是由砂粒、粉粒、粘粒三种颗粒组成的，粉粒和粘粒统称为 细粒，其中粉粒含量占绝对优势，砂粒和粘粒含量较少。此类土主要赋存于大河 入海的河1 2 - - 角洲地区，如密西西比三角洲、黄河三角洲、长江三角洲等。粉土 介于砂土和粘土之间，既不同于粘性土，又有别于砂土，具有其独特的性质。建 筑地基基础设计规范( g b 5 0 0 0 7 - - 2 0 0 2 ) 对其定义为：塑性指数i p = 1 0 且粒径 大于0 0 7 5m m 的颗粒含量不超过全重的5 0 的土。粉土的工程性质非常特殊， 在波浪、地震等动荷载作用下的动力响应比较复杂，常导致海底滑坡、构筑物失 稳等地质灾害现象，对海洋工程的危害很大。在本文的具体工作中，利用取自黄 河三角洲地区的粉土样品，主要通过室内动三轴试验对黄河水下三角洲粉土的动 力特性进行研究，另外本文还对黄河水下三角洲硬层的形成开展了部分研究工 作。 1 3 波浪荷载作用下粉土的动力特性研究现状 1 3 1 循环荷载作用下粉土的动强度特性研究现状 1 3 1 1 动强度的表达方式 黄河三角洲不同粘粒含量粉土的动力特性试验研究 反映动荷载大小的因素不光包括动荷载应力幅值的大小，而且也包括动应力 作用的持续时间，因此，动强度可以用一定振动次数下的动应力幅值，或一定动 应力幅值下的振动次数来表示。目前，动强度的表达方式己发展了以下四种 9 】： ( 1 ) 最基本的表达方式土的动强度反映土处于破坏条件时的动应力，通常 表述为一定循环振次作用下引起破坏所需的动应力幅值，也可以表达为在一定动 应力幅值作用下引起土破坏所需的循环振次，由引起土破坏时的动应力幅值与相 应振次之间的关系曲线( 6 d - l o g n r i i l j 线，或l o g 艿a 一1 0 晰曲线) 表示。这种曲线随 土体的起始密度、湿度、粒度和结构状态以及动荷载作用前固结静应力状态的不 同而不同。因此，上述的动强度曲线总是针对不同的土性和固结应力条件分别提 出。 ( 2 ) 第2 种表达方式研究动抗剪强度问题时，常以动三轴试验( 辟1 ) 时 4 5 。面上的应力状态来模拟水平表面土体在由基岩向上传播的剪切波作用下，其 中任一水平面上实际的应力状态，可作出动抗剪强度曲线( r r d 2 c r o - l o g ，曲 线) ，这种曲线也常分别由不同的固结应力比k c = q 。q 。和土性条件做出，以 便应用。式中的民为有效周围限制压力。在均压固结条件下，一。= 以。，故 仃：- - - - - 0 3 。；在偏压固结条件下，一。以。，故民= ( 0 。+ 2 以。) 3 。 ( 3 ) 第3 种表达方式在第2 种表达方式的基础上，对不同的土性及疋作出 动荷载作用下的莫尔应力圆，则它们的公切线仍然可以用库仑公式表示，从而求 出动抗剪强度的总应力指标，即动内摩擦角与动粘聚力c d ，如果考虑孔隙水 压力，即可求出有效应力指标妒。和c ，。 ( 4 ) 第4 种表达方式以破坏面上的静法向应力仃为横坐标，以这个面上在 动荷载作用下的剪应力f 掰为纵坐标( 有时也用该面上的剪应力增量f ，) ，则同样 可以对不同起始剪应力比o 嗾得出一组具有直线形态的动抗剪强度曲线。 1 3 1 2 动强度的破坏标准 确定土体动强度的关键是规定合理的破坏标准，然而破坏标准问题在静力条 黄河三角洲不同粘粒含量粉土的动力特性试验研究 件下也是一个没有很好解决的问题。在动荷载条件下，由于失稳过程具有更为复 杂的特征，而土的破坏往往具有往返活动性，所以破坏标准问题更难统一确定。 液化作为一种常见的破坏现象，作为起始液化的标准，一般均规定为动孔压等于 侧压时，即，试验表明，这个标准在均压固结情况下，对松砂和中密砂，同规 定双幅动应变达到5 的破坏标准基本一致；而对偏压固结情况，包括残余应变 在内的综合应变量可以达到1 0 1 5 以上；对于孔压上升达不到围压的情况，动 荷载作用下往往也会发生相当大的应变，因此一般常采用破坏应变标准。对于建 筑物所不能承受的应变，视建筑物的不同型式和使用条件，可能有一定的变化范 围，故常按不同的破坏应变值( 如5 1 0 ，1 5 等) 提出动抗剪强度曲线，以 便结合实际情况应用【l0 1 。 除以上液化破坏标准和应变破坏标准外，在土体动强度的研究中也提出了极 限平衡标准和屈服标准【1 2 1 。汪闻韶提出的极限平衡标准，将动荷载的作用 过程首次满足动极限平衡条件视为破坏，但由于动荷载的作用特点，这个条件只 出现在个别瞬间，有时距离明显破坏相差很远，除饱和松砂均压固结的情况外， 过分偏于保守。此后，谢定义等【1 3 】用极限平衡理论分析了动力失稳过程之后指 出，在动荷载作用过程中孔压逐渐增大时，动极限平衡可能在拉半周或压半周在 某一时刻首先达到，而在这个半周的其他时刻或另一个半周的各个时刻，均仍处 于弹性平衡状态，并反映出对破坏的一定阻抗。随着动荷载的持续作用，极限平 衡将会从开始的一个瞬间发展为一个时段。与此同时，在应力为达到极限平衡的 半周内，又开始出现瞬时的，进而发展为时段的极限平衡，当2 个半周的极限平 衡时段发展到一定程度时，土即达到了完全破坏，以后随着动荷载的持续作用， 极限平衡时段不再增大，而动变形却继续积累，直至振动过程终止时才终止变形。 因此，谢定义建议以后一个极限平衡条件出现为破坏标准【1 4 1 ，补足了一般极限 平衡标准的缺陷时破坏的出现基本上反映相近的安全度。屈服标准一般用于非饱 和粘性土，此时对于不同的应力状态和湿度状态，应变发展过程中出现明显转折， 即应变速率急增所对应的应变值相差很大【1 0 】。如仍取一个固定的应变值作为破 坏标准，显然不够合理，因此取转折点作为破坏标准来整理资料，作出动抗剪强 度曲线。 梁永霞【1 5 】使用机械振动台惯性力式振动三轴仪进行了标准砂的不同破坏标 4 黄河三角洲不同粘粒含量粉土的动力特性试验研究 准的试验研究，指出极限平衡标准的振动循环次数一般比初始液化标准的振动次 数提前3 至4 周，在，为1 0 至1 0 0 周期间，这个数值与振动次数并无明显关系。 1 3 1 3 循环荷载作用下粉土的动强度特性研究 关于经历循环荷载作用的土体的动强度，以前的研究者根据各自研究的不同 土体，得到许多研究成果。土体中含有粘粒与粉粒的情况下，粘粒含量与粉粒含 量之比和动强度之间的关系不明显，而和厶之间的对应关系良好，当易增加时， 动强度增加；土体中粘粒含量或厶增加时，动强度会有轻微增加【17 】；饱和砂土 对于相同的试验控制条件和破坏标准，原状粉土比重塑粉土有更大的动强度【l8 】； 孔隙比一定时，土体动强度随粉粒含量的增加而增大，这可能是在孔隙比不变时， 更多粉粒的加入增大了土体的相对密度【l9 1 。对正常固结的粉质土，在排水条件 下的动力作用过程，可以提高土体的不排水静强度，降低土内动孔压的发展速度， 提高其动强度【2 0 】；海底浅层粉土动强度指标动内摩擦角为静强度时的3 9 7 ，动 强度与固结比、振动频率关系密切【2 l 】；海底浅层粉土动强度较低，为静强度的 0 3 5 倍【勿。卢成原等【2 3 1 通过模拟不同振动频率的波浪荷载的动三轴试验对杭州湾 海底粉质土在波浪荷载作用下的动力特性进行研究，结果表明：波浪荷载作用下 振动频率的大小对土体的累积轴向应变和动强度有较大影响。鲍陈阳等【2 4 】根据 粉土的室内振动三轴试验，得出不同固结比和不同固结压力下的粉土的动强度与 振动次数的试验曲线，发现动强度与破坏振次间符合较好的乘幂关系，动强度与 固结比之间符合较好的二次抛物线关系。曹成效等 2 5 】选用近海分布广泛的粉土 为研究对象，利用动三轴压缩试验研究了动强度与临界循环次数之间的关系，研 究发现动强度随着循环次数的增加而减弱，随围压的增加而增加，并且粉土动强 度比固结不排水静三轴试验获得的静强度低许多。孟凡丽等选用杭州湾地区分布 较广的粉土，研究了振动频率的变化对粉土动应变和动强度的影响，试验结果表 明，粉土的动应变和动强度的发展与土样所受的固结应力、围压、循环应力比和 振动频率有关，并且波浪荷载振动频率的改变对不同围压作用下粉土的动强度影 响很大【2 6 ，2 7 1 。栾茂田等 2 s 1 对黄河三角洲埕北海域原状粉土试样进行了循环三轴和 循环扭剪试验，以此探讨了原状海底粉土的动力变形与强度特性，通过试验建立 了循环剪切破坏时循环剪应力比与其相应的循环次数之间的经验关系，从而确定 黄河三角洲不同粘粒含量粉土的动力特性试验研究 了粉土的动强度特性。罗强 2 9 1 通过某高速铁路路基粉土的动三轴实验结果，分 析了细粒含量对粉土抗液化强度的影响，研究发现密度、细粒含量都是影响粉土 抗液化强度的主要因素，并指出粉土的抗液化强度并不是随细粒含量的变化而单 调变化，而是当粉土中细粒含量达到一定量时，粉土的抗液化强度将达到最低点。 1 3 2 循环荷载作用下粉土的动力变形特性研究 土的动剪切模量和阻尼比是反映土体动力特性的两个基本参数，同时也是土 层地震反应分析和场地地震安全性评价中的必要参数。在重大工程中应当实测这 两个参数值，但是掌握这两个参数的基本规律也相当重要。国外的很多学者早在 2 0 世纪7 0 年代就对土的动模量和阻尼比影响因素和发展规律进行了较为广泛的 研究，但这些研究多集中于砂土和粘性土方面，如h 纵h n 和d m e v i c h 【3 0 】对粘土、 s e e d 和l d r i s s 3 1 】对砂土的研究，他们的研究成果表明，影响土体剪切模量的重要 因素主要包括：有效主应力、应变幅值、孔隙比、超固结比和有效应力强度参数 等。他们建立的砂土和粘土在承受动荷载作用时的最大动模量的经验公式及动模 量的经验衰减模式已成为经典，并被其他研究者及工程实践广泛参考和应用。 1 3 2 1 粉土模量特性 己有的研究大多数是针对砂土进行的，近十几年以来，有关黄土和粉土永久 变形增长规律的研究也越来越受到广泛重视。王兰民等 3 2 1 通过饱和黄土液化试 验，提出了饱和黄土地应变增长模型，如式( 1 1 ) 。李立云【3 3 1 通过粉土的振动 三轴试验，提出了粉土的永久应变增长模型，如式( 1 2 ) 的双曲线形式。 号2 考+ 翟4c 叫q 。可n 砸一番) f 坞。瓦n 5 ( n l f - o 7 ) 哪一可n ) 式m ) 式中：口， 0 ，z = 砖小a 0 o 正 v ，盛为有效围压，q 为土样所受的原有上覆盖土层应 力；旬和占，分别表示动应变和液化应变。 一啪意 6 允一九 黄河三角洲不同粘粒含量粉土的动力特性试验研究 式中，九、岛是模型位置参数，可以用试验数据中的第一个数据点的坐标表 示。a 、b 是模型形状参数，由试验数据拟合时确定。 黄博、阮永芬等通过动三轴试验，分别针对粉土的模量阻尼进行了研究， 得到了一些基本的规律。黄博对钱塘江地区的粉土和粉砂的研究结果表明，钱 塘江粉土和粉砂的模量比g g 嗽高于一般砂土3 4 1 ，其认为h 鲫m n 公式仍适用 于粉土，但最大动剪切模量随粘粒含量而成线性下降删，并且试验粉土的动 力特性符合土体的非线性和滞后性的规律。 黄博通过试验研究，结果表明g g 懈- 7 7 r 呈现良好的归一性，且动应力一 应变关系可用h a r d i n 和d m e v i e h l 拘l 修正双曲线模型来拟合【3 4 1 。修正曲线的具体 形式为： g1 1 + - - - 7 ( 1 慨一6 毛 以 式中：以为参考剪应变，以= 苦墼； u m 式( 1 3 ) 白一为破坏时最大动剪应力； a ，b 为试验时因土性而异的常数。 阮永芬等通过对可液化范围内的原状、重塑以及在不同粘粒粉粒含量、 不同超固结比、不同成形时间下的击实粉土进行动力试验分析，对于粉土的最大 动剪切模量得到如下公式： g d 一：( 掣慨5 ( o c r ) 3 6 2 1 8 4 1 1 - 5 63 2 9 p 。) 0 0 ( o c r ) 。式( 1 - 4 ) 一= ( 兰竿! 生仃。5 。 式 l - - i - p 式中：= 7 8 - 1 5 ；o c r 为超固结比；仃。为平均应力。 胡庆兴等闭对典型的全新世沉积粉土和粘性土进行了室内自振柱试验及粉 土的动三轴液化试验，研究发现粉土的剪模量比要比饱和粘土的大，而比砂土的 剪模量比要小；粘性土的剪模量比要比一般饱和粘土的大，而与砂土的剪模量比相 近。 1 3 2 2 粉土阻尼特性 黄河三角洲不同粘粒含量粉土的动力特性试验研究 胡庆兴等【3 6 1 研究结果表明淮安市典型的全新世沉积粉土的阻尼比接近于一 般的砂土。黄博3 4 1 由试验得到了粉土的阻尼比随剪应变幅的变化关系曲线，与 剪切模量相比，阻尼比随固结应力的变化范围不大，但总体上表现出固结压力越 大阻尼越低的趋势，且阻尼比随y 的变化可用式( 1 6 ) 来表示： d 一九 一= ：- - - 二二一 d 。1 + yh 儿：上( 1 + 口p 一6 寺) n 式中：d 一为最大阻尼比。 式( 1 6 ) 粉土在颗粒组成上含有一定含量的粘粒，表现出比砂土高的塑性，在较低的 应变水平下非线性不明显。在小应变幅下，阻尼比变化不大，而在大应变幅下， 阻尼比增长加快，结果也较离散【3 4 1 。 1 3 3 循环荷载作用下粉土的孔压变化特性研究 孔隙水压力在动荷载作用下的发展规律是土体变形和强度变化的重要影 响因素，是使用有效应力分析法分析问题的关键【37 1 。粉土与砂土的颗粒组成 差异导致了不能单纯的把砂土的孔压发展规律应用到粉土中。于洪治 3 8 】对孔 压发展规律进行了研究提出了一种孔压发展模式。何广讷等【3 9 】将能量分析法 运用到粉土的动态问题之中，针对某滨海粉土利用常体积振动单剪仪进行不排 水振动剪切试验，提出了一种粉土振动孔隙水压力发展规律的能量模式。王建 华等【4 0 】对海相沉积粉土利用振动三轴仪研究了固结压力对累计孔压比的影 响，建立了相应的粉土地震液化孔压增长模式。陈国兴等【4 l 】对南京粉细砂进 行了孔压发展模式研究，得到不同固结条件下的振动孔压发展模式。于濂洪等 【4 2 通过饱和粉土的动三轴试验总结分析了饱和粉土的振动孔隙水压力发展规 律，提出了振动孔隙水压力比与振次比之间满足幂函数关系的孔压发展模式， 说明了饱和少粘性土振动初期孔压急剧上升随之趋于稳定的特点，并分析了产 生的原因及粘粒含量的作用。冯秀丽等 2 2 1 选用近海分布广泛的粉土为研究对 象，利用室内动三轴试验，分析模拟波浪荷载作用下粉土中的孔压响应。曹宇 8 黄河三角洲不同粘粒含量粉土的动力特性试验研究 春等【4 3 l 根据循环三轴试验，分析了上海原状及重塑粉土的液化特性，提出了 原状粉土的孔压上升模型，并与细砂的液化特性及孔压模型进行了对比。通过 以上的试验研究发现，不管是原状粉土还是重塑粉土，在施加动荷载后，最初 阶段孔隙水压力急剧上升，后期阶段增长速度逐渐减慢，最终趋于稳定状态， 这是由于粉土的渗透系数比细砂要小，故在振动开始阶段时，孔隙水压力不易 消散和转移，在产生较大的体变势的情况下，致使动荷载作用初期孔隙水压力 急剧上升，使土体的结构迅速破坏。另一方面，因为粉土中含有一定量的粘粒， 少量粘粒的存在使粉土具有一定的结构强度和粘聚力，其结果是阻碍和限制了 体变势的进一步增大，致使后期的孔压增长较缓慢，直至趋于稳定。 1 3 4 不同粘粒含量粉土的动力特性研究 ， 基于粘粒对粉土强度的影响，国内外学者也进行了一系列研究。y o u d