（岩土工程专业论文）江苏软土地基震陷特性分析.pdf

摘要 作为由地震所引起一系列的地基失稳问题，如震陷、液化等，都是工程中经常 遇到的。因为液化过程中会导致地基的强度丧失、以致地基彻底破坏，故大家更 多的重视液化。但随着社会快速发展，遇到的软土地基日渐增多，软土地基的震陷 问题也日益得到了重视。 由于饱和粘土具有高灵敏度、高压缩性、低强度、低渗透性、固结时问长等 特点，软土地基的震陷研究较为复杂，震陷机理分析尚存在争议，震陷规律的成果 应用方面存在不足。因此，对其的研究，既具有理论意义，亦具有现实意义。 对于软土震陷的机理，从比较动单剪试验和单向压缩试验的差异入手，进行 了定性分析；从动荷载存在的两种效应的角度进行分析：并对软土地基震陷进行 了宏观解释。从软化效应的层面进行了定量分析，较为详细分析了已有的循环荷 载作用下软化模型，依据试验结果，借鉴了描述土体应变软化的软化指数，提出了 盐城及太仓地区饱和软粘土在循环荷载作用下的应变软化模型，确定了参数，并 给出了其与试验数据间的相关系数。 室内试验研究，包括物理力学性质试验、灵敏度试验、静三轴试验、动单剪 试验等。室内试验的结果为软土震陷机理的分析提供依据，并为震陷有限元计算 参数的选取提供依据。 通过震陷有限元计算，在虚拟环境中模拟在不同的地震震级下，得出天然地 基或某高层建筑物的地基的震陷等，并对其试验结果进行分析。 震陷分级及评价，以室内试验及二维有限元的分析结果及规律性为依据，根 据工程的要求，在对震陷的评价及分级标准的划分方面做了些尝试。 关键词：软土；地基：震陷；机理分析；软化模型：结构性；二维有限元分析 震陷评价； 摘要 作为由地震所引起一系列的地基失稳问题，如震陷、液化等，都是工程中经常 遇到的。因为液化过程中会导致地基的强度丧失、以致地基彻底破坏，故大家更 多的重视液化。但随着社会快速发展，遇到的软土地基日渐增多，软土地基的震陷 问题也日益得到了重视。 由于饱和粘土具有高灵敏度、高压缩性、低强度、低渗透性、固结时问长等 特点，软土地基的震陷研究较为复杂，震陷机理分析尚存在争议，震陷规律的成果 应用方面存在不足。因此，对其的研究，既具有理论意义，亦具有现实意义。 对于软土震陷的机理，从比较动单剪试验和单向压缩试验的差异入手，进行 了定性分析；从动荷载存在的两种效应的角度进行分析：并对软土地基震陷进行 了宏观解释。从软化效应的层面进行了定量分析，较为详细分析了已有的循环荷 载作用下软化模型，依据试验结果，借鉴了描述土体应变软化的软化指数，提出了 盐城及太仓地区饱和软粘土在循环荷载作用下的应变软化模型，确定了参数，并 给出了其与试验数据间的相关系数。 室内试验研究，包括物理力学性质试验、灵敏度试验、静三轴试验、动单剪 试验等。室内试验的结果为软土震陷机理的分析提供依据，并为震陷有限元计算 参数的选取提供依据。 通过震陷有限元计算，在虚拟环境中模拟在不同的地震震级下，得出天然地 基或某高层建筑物的地基的震陷等，并对其试验结果进行分析。 震陷分级及评价，以室内试验及二维有限元的分析结果及规律性为依据，根 据工程的要求，在对震陷的评价及分级标准的划分方面做了些尝试。 关键词：软土；地基：震陷；机理分析；软化模型：结构性；二维有限元分析 震陷评价； a b s t r a c t as e r i e so f p r o b l e m sa b o u t t h es t a b i l i t y o f f o u n d a f i o n sc a u s e db y t h ee a r t h q u a k e s ，s u c ha s s e i s m i cs e t t l e m e n tl i q u e f a c t i o ne t c a si nt h ec o u r s eo f l i q u e f a c t i o nt h ei n t e n s i t yo f f o u n d a t i o n s m a yb el o s ta n dt h ef o u n d a t i o nm a yb et o t a l l yd a m a g e d ，w em u s ta t t a c hg r e a ti m p o r t a n c et ot h e l i q u e f a c t i o n w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f t h es o c i e t ya n dm a n ym o r es o f tf o u n d a t i o np r o b l e m s ， p e o p l en o wp a ym o r ea t t e n t i o nt ot h es e i s m i cs e t t l e m e n to fs o f tc l a y s a t u r a t e dc l a yh a ss e v e r a lt y p i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha sh i g hs e n s i t i v i t y , h i g hc o m p r e s s i b i l i t 3 ，； l o wp e r m e a t i o n ，t h u st h es t u d ya b o u tt h es e i s m i cs e t t l e m e n to f t h es o f tc l a yi sc o m p l i c a t e d ，a n dt h e a n a l y s i so f t h es e i s m i cs e t t l e m e n tm e c h a n i s mi ss t i l ld i s p u t e dt h e r ea r es o m ed e f e r e n c ea b o u tt h e f a c e to f t h ea p p l i c a t i o no f t h ed i s c i p l i n a r yo f t h es e i s m i cs e t t l e m e n t , s ot h es t u d yi s m e a n i n g f u l b o t hi nt h e o r ya n di np r a c t i c e t h ep a p e rg i v e st h eq u a l i t a t i v ea n a l y s i so f t h es e i s m i cs e t t l e m e n tm e c h a n i s mo f t h es o f tc l a y f r o mt h ed i f f e r e n c eo f t h es t i rs h e a rt e s ta n dt h eu n i l a t e r a l i s mc o m p r e s st e s t t h ep a p e re x p l a i n s t h ec a u s a t i o no f t h es e i s m i cs e t t l e m e n to f t h es o f tf o u n d a t i o n q u a n t i t a t i v ea n a l y s i si sg i v e nt ot h e s o f t e n i n gd o m i n oe f f e c ti nt h i sp a p e r t h ee x i s t i n gs o f t e n i n gm o d e li sa n a l y z e d t h es o f t e n i n g m o d e la c t e di nt h ec i r c l el o a da b o u ts a t u r a t e dc l a yi ny a n c h c n ga n dt a i c h a n gi sp u tf o r w a r d a c c o r d i n g t o t h er e s u l t o f t e s t a n d t h e c o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t i sg i v e n t h es t u d yo f t h er o o me x p e r i m e n t si n c l u d e st h ee x p e r i m e n t so f p h y s i c sm e c h a n i c sc h a r a c t e r , t h e d e g r e e o f d e l i c a c y , t r i a x i s ，s t i rs h e a r a n ds oo n t h er e s u l to f t h e e x p e r i m e n t sc a r ls u p p l ys o m e b a s i so f t h ea n a l y s i so f t h es e i s m i cs e t t l e m e n tm e c h a n i s ma sw e l la st h ep a r a m e t e rw h i c hi st h e b a s i so f t h ec a l c u l a t i o no f t h ef e m t h es e i s m i cs e t t l e m e n to f t h ec r u d eo rt h es t r u c t u r ef o u n d a t i o nc a nb eg a i n e db yt h ec a l c u l a t i o n o f t h ef e mi nd i f f e r e n te a r t h q u a k el e v e l s ，a n dt h e nt h er e s u l to ft h ec a l c u l a t i o nc a nb ea n a l y z e d b a s e do nt h ea n a l y s i sr e s u l t ，t h ed i s c i p l i n a r i a no f t h en u m e r i c a la n a l y s i so f t h ef e ma n dt h e r o o me x p e r i m e n t s ，a n da c c o r d i n gt od i er e q u i r e m e n to f t h ep r o j e c t ，t h i sp a p e rd o e ss o m ea t t e m p t s t ot h ee v a l u a t i o na n dt h en o r m a t i v ec l a s s i f i c a t i o n k e yw o r d s ：s o f tc l a y , f o u n d a t i o n ，s e i s m i cs e t t l e m e n t ，a n a l y s i so f t h em e c h a n i s m ，s o f t e n i n gm o d e l ， c h a r a c t e ro ft h ec o n f i g u r a t i o n ，2 df e m ；e v a l u a t i o n 学位论文独创性声明： 本人所呈交韵学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，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。与我一同工 作的同事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 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：蔼望 2 0 0 6 4 月2 9 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术 期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或 电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外， 允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权 河海大学研究生院办理。 j 。 论文作者( 签名) ：1 蜀宝2 0 0 6 年4 月2 9 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 地震，作为一种自然现象，从地震史料可看出，其给人类带来的灾难是严重 的。据明朝文献对地震灾害的记载，1 5 5 6 年的关中8 级大地震，死亡人数高达 8 3 余万，为世界地震史上所罕见。上个世纪以来，我国发生6 缴以上的地震 6 0 0 余次，其中1 9 2 0 年海原地震和1 9 7 6 年唐山地震给人们留下沉痛记忆。世界 其它地方，地震灾害同样严重，如1 9 2 3 年的日本关东地震，仅东京、横滨两市， 死亡人数即达十万余人。1 9 9 5 年的阪神地震造成1 0 0 0 多亿美元的损失，这个损 失甚至超过过去十年全球地震的总损失。究其原因，主要是由于地震所引起一系 列的地基失稳问题，如震陷、液化、滑坡等。其主要发生在软弱粘土层、松散砂 土层等中。 震陷的宏观现象是地震引起的地面沉陷。不仅软粘性土( 包括黄土1 会发生震 陷，砂土也可能发生震陷，例如饱和砂土液化终了时出现的地面下沉现象，不过 比起液化过程中导致地基强度丧失、地基彻底破坏要次之，所以一般更重视液化 e 2 对于液化的重视引起对之广泛的研究，并取得大量的研究成果，振动三轴仪 的应用使得地震研究从宏观的震害调查转为较精确的定量试验研究成为可能。5 0 年代末，在黄文熙教授的倡导下用振动三轴仪进行砂土液化研究的方法在国内外 发展很快日1 ，研究成果大都出自此。与液化研究的同时，对于震陷的研究亦开展 起来。 黄土是一种多孔隙、弱胶结的第四纪沉积物。它在我国以及东欧、南美和北 美均有较广泛的分布。现场震害调查和室内试验研究表明h “，在一定强度的地 震作用下，黄土场地会产生突然性的显著沉陷，一般称之为黄土的震陷。它可以 引起黄土土体的开裂、地基的不均匀沉陷和建筑物的破坏或倒塌。 软土在我国沿海一带分布很广，如渤海湾、挺江三角洲、珠江三角洲以及浙 江、福建沿海地区等都存在海相或湖相沉积的软土，它们是在成水或淡水中沉积 形成的细粒土，含有机质和矿物质的综合物。软土具有松软、孔隙比大、天然含 水量高、压缩性高、强度低、渗透性小和灵敏结构性的特点，使其在受扰动后极 易丧失强度。软土地基在地震作用下会产生不可恢复的附加沉陷，即震陷( 也 称永久变形) e 8 。 广义上说，软弱土包括松散砂土和粉土、淤泥、淤泥质土、软弱吹填土和杂 填土等。一般的软土是指天然含水量大，压缩性高，承载力低的一种流塑状到软 塑状的粘性土，如淤泥、淤泥质土以及其他高压缩性饱和粘性土、粉土 9 1 等， 这是工程界对软土的较统一认识。习惯上，把淤泥、淤泥质土以及天然强度低、 第一章绪论 1 2 软土震陷研究现状 1 2 1 对软土震陷的机理研究 软粘土的结构性“到很强。正常固结的软粘土由于土骨架的结构性而具有较 大的孔隙 x 河海大学硕上学位论文 在室内震陷试验中，动应力与最大静主应力是同向的，但在实际震陷计算时却把 动力有限元分析得到的结果看作是最大动应力，而其与静力有限元分析得到的最 大静应力在多数情况下是不同的。这种不合理造成的计算误差，可通过引入一修 正系数来补偿。 以上研究均基于软化模型( 如图1 1 ) ，其基本概念是饱和软粘土透水性很 差，在地震荷载作用下由于不能及时排水，使土骨架呈振缩势，粒间的有效应力 转换为孔隙水压力，致使土变形模量急剧降低，呈软化现象。因此地震作用后由 于模量降低，两次静力计算变形之差即为地震引起的永久变形。石兆吉采用软化 模型计算塘沽新港地区的震陷，发现对房屋建筑来说，以震陷值不大于2 厘米为 标准，震陷的影响范围约为建筑物底宽的f21261倍191o 另一种观点是由于震动惯性的 时段的均匀等效应力f。和等效荷载 力均等效结 点力可用图l 一2 求出，j 互。誓。【至一再；) j| it 目zi1 图l 2 等效结知扛示重图 c ；= 三f 。( 骂一y + 】f j l 1 )考 虑到永久变形是沿初始剪应力方向积累的，r 。的方向与单元中初始剪应 力的方向一致，将每个结点周围单元的结点叠加，就得到总的等效结点力荷载。 将等效惯性结点力作用于单元结点上，用试验得出的动应力与残余应变关系曲 线，按静力有限元法求出土体的地震变形。 刘惠姗等睢总结了软士震陷的原因：其一是软土的触变性；其二由于动静 荷载共同作用下土中剪应力增大；第三是孔压上升，有效应力下降，使土的抗剪 强度降低。但认为孔压上升并不明显。触变性即强度与模量的降低与软化效应对 应，剪应力增大与惯性效应对应，正与于洪治等的观点相互印证。由于剪应力的 增大和土的抗剪强度降低，使地基中极限平衡区周期性的扩大并产生累积塑性 (永久) 变形，即震陷。文献中还提到国外有观测资料说明软土震陷过程能延续 相当长的时间。有一粘土建筑地基震前两年半只沉降0 3 厘米，地震瞬时沉降 轴5 厘米，震后四年半又沉降十余厘米，这说明震陷的机理还有很多值得深入研 4 第一章绪论 究之处。 于洪治等2 23 则认为震陷是由软化应变和惯性效应共同作用的结果，并通过 软化试验和震陷试验区分了土体软化效应应变和惯性效应应变。发现砂土的软化 具有突变性，当孔压比小于某一限值时几乎无软化变形，一旦超过该值后应变迅 速增长，直至初始液化；而饱 x 第一章绪论 ( 4 ) 震陷分级及评价 以室内试验及有限元数值模拟的分析结果及规律性为依据，针对工程的要 求，在对震陷的评价及分级标准的划分方面做了些尝试。 河海大学倾j 学位论文 第二章应变软化模型的建立及震陷的机理分析 2 1 软土的结构性 沿海地区的土木工程、地质工程大多建于欠固结一正常固结淤泥软土之上， 故本文将以之作为主要研究对象。 晚全新统软土沉积的岩性以淤泥质粘土、粉质粘土为主，结构疏松，为欠固 结一正常固结土，孔隙比大，含水量高，多呈软塑状态，强度较低，承载力1 0 一6 0 k p a 。这类软土其力学性质虽因海域及沉积相的不同而有一定的差别，但却有一 个共同的特征，即结构效应明显，属于结构性软土。 4 0 5 0 年代，人们对重塑粘土的特性进行了比较透彻的研究，尤其是英国 学者在这方面取得了突出的成果，并最终导致剑桥模型的建立h 3 “1 。从6 0 年代 开始，少数学者研究了天然软土的特性，发现了许多新的现象 4 53 。英国学者 b u r l a n d 作了一个r a n k i n e 讲座1 ，总结了西方在天然粘土方面的研究成果。归 纳起来r 4 7 ，天然软土具有下列特性：( 1 ) 高孔隙比；( 2 ) 较强透水性；( 3 ) 陡降 形压缩曲线，天然粘土压缩曲线的初始段是很平缓的，当压力超过某一a ，值时 出现陡降段，并向重塑土的压缩曲线靠近，盯，是土体结构强度的表现，盯。，o 理应称为结构应力比( 4 ) 折线形强度包线。o(4731 在原位测试方面，南京水利科学研究院在南京油罐地基中插入塑料排水板观 测到3 0 c m 以上的沉降 4 8 3 。文献4 9 3 报道了砂井打设后十字板强度平均降低6 k p a 。 这些现象也充分说明天然粘土结构性的重要意义。 通过长期的实践，越来越多的学者认识到，结构强度在天然软土中是普遍存 在的，而不仅仅限于少数灵敏粘土 5 0 7 。 对于软土的结构性一般其天然结构强度可以用灵敏度s r 表示，表2 1 列出我 国一些地区海积软土的灵敏度值。由表2 一l 可见，海积软土的灵敏度因沉积相、 软土类型不同而有差异，但都具有一定的结构强度( s r 1 ) ，在土的这种初始结 构强度丧失后，会发生体积收缩，导致孔隙水压力增高，因此结构效应应被考虑。 表2 一l近代海积软土的灵敏度值 海 域 渤海与黄海东海南海 珠 沉 海江 积 海湾相黄河三角洲湾 长江三 海湾相 = 角洲 相相角 洲 成威浙 地海海 桑约湾 胶州 前前 塘 黄河三角洲 东广东 点湾湾湾东 湾 湾 沽沿沿岸 北 由 中西 岸 软淤粉粉淤粉淤 淤淤粉粉淤粉粉 淤 淤淤淤淤淤 土泥质质 泥质泥泥泥质质泥质质泥泥泥 泥 泥泥 第二章应变软化模型的矬芷及震陷的机理分析 类淤淤淤 质粘 粘质 粘粘质质 质质质质 型泥泥泥粉土 土 粘 土土 粘粘粉粘粘粘 土土十土士土土土 灵 敏 l8 4 23l1 2 i 41 3l856 l o7 5 1 0 1 l 5 31 2 3 76 44 7 8 度 注：盐城试样及太仓试样均为淤泥质粉质粘土，灵敏度墨分别为3 8 7 、6 0 7 。 表2 一l 部分数据采用参考文献【5 1 2 2 应变软化模型的建立及参数的确定 2 2 1 引言 循环荷载作用下饱和软土中孔压的产生将引起土体应变的软化，从而导致土 体结构的破坏，这种循环软化作用的影响取决于粘土本身的稳定性及所具有的结 构。 影响土体振动软化的因素很多，但研究表明晟主要和最基本的因素为土的孔 隙水压力( 超静水孔隙水压力) ，且其他因素影响的结果也将不同程度地反映于孔 压上，因此，土体的软化一般可视为土体的孔压软化 5 2 o 通过研究已知，循环荷载作用下土体的孔压与应变之间有一定的关系 5 33 , 另一方面由于仪器的限制，故在本文研究中，将不从孔压的角度出发，而着重由 应变的变化反映土体软化。即通过研究不同循环应力比下应变的软化情况来分析 土体的软化，i 司时建立一个较合理地反映土体应变软化的数学模型并确定参数。 2 2 2 现有应变软化模型总结分析 f 1 ) n e v e nm a t a s o v i c 和m l a d e nv u c e t i c 模型 n e v e n m a t a s o v i c 和m l a d e n v u c e t i c ( 1 9 9 5 ) j 臣过对不同超固结比下高塑性海 洋粘土v n p f 取自v e n e z u e l a ，n o r t ho f p a r i a ，称为v n p 粘土1 的试验，研究了超 固结比对土体软化的影响 5 3 y 作出了不同超固结比下软化指数j 随加荷周数n 变化的关系图。为了描述软化，引进了软化指数j 和软化参数t ，j 和t 的定义 由i d r i s s 等人n 9 7 6 、1 9 7 8 ) 提出，具体形式： j ：垃：鱼! 墨：血( 2 一1 ) g t r 【 y ：o ：l 式中：晦，、6 0 一分别为第1 周及第n 周的割线剪切模量 r c 。、r 。分别为第1 周及第n 周的循环剪应力； 疋一循环剪应变。 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 等 或 河海大学硕士学位论文 他们建立了软化参数t 与循环剪应变大小以之间的关系，即f 以。 t = s ( y o r ) 7 ( 2 - 4 ) 式中：s 、r 一分别为试验参数； 一一门槛循环剪应变值，对于正常固结土和超固结土一= 0 1 。 ( 2 ) 要明伦、聂栓林模型 要明伦、聂栓林( 1 9 9 4 ) 提出了计算饱和软粘土动变形的一种模式f 5 4 ，他们利 用i d r i s s 提出巧= n 。公式进行软化计算时发现，当振动次数无穷大时模量为零， 这与实际不符，因而对公式进行了修正。他们取渤海近海海底的饱和软粘土进行 动三轴试验，并用修正后的软化模型进行验算，证明修正后的公式是可行的，公 式的具体表达式为： 氏= 1 0 ”。 ( 2 5 ) 通过绘制应变为o 2 、0 5 、o 8 、1 2 、2 o 、3 0 、5 0 时的l g ( 1 9 磊) 与l g n 的关系线( n 为等效循环次数) ，发现t 为常数，因而认为i d r i s s 公式中的t 不是峰值应变的单值函数，对t s 关系曲线进行拟合可以得到： ( 互) = a + 1 b 一3 (26)1 式中：a 、b 一分别为试验参数，a = 4 8 ，b = 4 6 ； 元一荷载反向时等效塑性峰值应变。 ( 3 ) 郭瑞平，李广信，阪上最一b 5 1 在清华模型的基础上建立了一个可以反映应 变软化特性的弹塑性模型。此弹塑性模型中，应变增量分为两部分：弹性应变增 量和塑性应变增量。弹性应变增量根据广义h o o k e 定律进行计算。弹性体应变模 量k 由等向压缩试验的卸载再加载段确定，并可表示为： k = 七。p ( 2 7 ) 式中：j j 。为试验常数。 弹性剪切模量g 通过三轴试验的卸载再加载段确定。它可以表示为 g 砒斟 浯。， 式中：，唿是试验常数；p a 是大气压力，其单位与应力和g 的单位相同；吒 是小主应力。塑性应变增量部分通过其介绍的塑性理论来计算。由于在土的受力 变形过程中，不管是应变硬化还是应变软化，塑性功总是单调增长函数。因此以 塑性功或塑性功的函数为硬化参数的模型可以较好地模拟土的应变软化特性 5 6 第二章应变软化模型的建立及震陷的舸l 理分析 ( 4 ) 王建华、要明伦模型 王建华、要明伦( 1 9 9 6 ) 对软粘土不排水循环特性进行弹塑性模拟时，提出了 按边界面半径衰减来描述等向弱化嘲1 。 对于动三轴试验，屈服方程简化为： ( 一1 5 0 r ) 一a 2 = 0 ( 2 9 ) 式中：= o 1 一吒 a 一动三轴土样运动硬化参数； a - - , b r i a n 载屈服面半径。 他们利用循环加荷中w 。o 。的衰减来描述土体的等向弱化特性，名是初 始加荷时边界面半径，日：。是初始加荷时的最大弹塑性模量。通过同一固结压 力下的多个单向试验得到的初始加荷曲线，得到罐随初始有效平均应力吒。的变 化关系式： 名= 1 1 6 4 ( 瓦p o ) o ”7 ( 2 1 0 ) 式中：p o 为大气压力。 同时可以得到h ：。随a ：的变化关系式： 破。= 4 0 0 8 9 ( o 昂) ( 2 一i i ) 定义如f 等向软化参数d ： 。= 伊e = 瓦h m x 正( 1 - 厕q 一2 a o ) ( 2 一1 2 ) 通过试验得到等向软化参数d 随偏应变长度五的典型变化关系： d ：l o i ( 。+ ) 7 非7 1 ( 2 1 3 ) 式中：a = i 嚷嘞； ( 2 1 4 ) 一初始加荷时的偏应变长度： q 。一为相邻两次应力反向时的最大反向等效应力： t = 0 - 1 3 8 ( q ，一名) 3 。 ( 21 5 ) 若规定4 = 4 0 ，则按式h 。= dho 描述等向弱化；若规定q 。= 日一o ，则按 式4 = 百j 面菇筲描述等向弱化。 由于土的等向弱化取决于一次循环中的晟大循环应力，对任意循环应力路 径，在每次应力反向时，按相邻两次应力反向中的最大反向等效应力确定d ，进 河海大学硕十学位论立 而计算反向后的月。或4 。 ( 5 ) 孟上九，刘汉龙，袁晓铭，高玉峰皓7 1 改进了软化模型，假定地震中土体随 动荷作用而逐步软化，表述为： 土：上+ 争一1 ( 2 1 6 ) e ie o 乞e “ 瓦= 告 ( 2 - 1 7 ) 式中：为动应力的第i 次循环作用；磊为土单元初始模量；s 。为残余 应变增量：e 为第i 次作用后的软化模量；n 为筛选后总的循环作用次数。 逐步软化模型在物理上可以理解为一系列的弹簧首尾相接串联在一起，只要 有一个应力循环就有一个弹簧串联在体系之中，而且每串联一个弹簧，体系的模 量就衰减一次，相应的土体变形也计算一次，以此类推，一直到全部动应力时程 作用结束。因此震陷也是不断发展的，由于各单元的软化模量是依据其受到的实 际动应力分别计算的，所以每一次应力循环作用下各单元的残余应变都不相同。 这样，就在土体变形中考虑了应力波形的不规则性。 ( 6 ) 栾茂田，罗锦添，李焯芬，翟阳【5 8 1 提出了应变软化型双衄线非线性应力一应 变模型，其基于d u n c a n - - - c h a n g 的双曲线本构模型，可以构造下列含有两项独 立双曲线函数的数学方程来描述不排水剪切过程中偏差应力( q - q o ) 和轴向应变 t 之间的非线性变化关系，其能够反映应变软化特性及从峰值强度向稳态强度的 渐变过程 旷+ 去l h 南j - 1 8 ) 式中：a 、b 、q o = ( 1 一芷) 盯，。口和卢为4 个待定参数；吼= ( 1 一k ) c r ，。为初始 偏差应力，这里k 为初始固结应力比，盯。为初始竖向固结应力。 ( 7 ) 沈珠江模型 沈珠江( 1 9 9 3 ) 提出可以从损伤的角度巧3 1 来描述土体软化，虽然不是针对循 环荷载作用下饱和软粘土的应变软化提出的，但对研究软粘土的循环软化有重要 的启发意义。他作了如下基本假定： 1 ) 土的回弹模量e 及渗透系数七等可表示如下： e = ( 1 一w ) e f + w 日 ( 2 - 1 9 ) = ( 1 一w ) t + 幢d ( 2 2 0 ) 2 ) 土的塑性应变由原状士的屈服、损伤土的屈服和损伤比增加三部分贡献组成： s 9 = ( 1 一w ) 刚【4 ，】+ w 仉 【4 五】+ 一 ( 2 2 1 ) 第二章应变软化模型的建立及震陷的机理分析 其中，和五分别表示为原状土和损伤土的屈服函数；塑性系数4 和以及矢 量 ) 平l r a 分别代表，和厶增加个单位时两种分量的大小和方向； 代 表损伤应变。如果把原状土当作弹性体看待，即忽略第一项， 可简化为： 矿 = w 仉 【以五】+ 一 ( 2 2 2 ) 式中：【】内的值只能大于或等于0 ，亦即卸荷时4 = o 他建议损伤比w 按下式计算： w = i e 一 4 + 蝇( 2 - 2 3 ) 式中：f 。= 占j + 乞+ 毛 g s = 苦( 一岛) 2 + ( 岛+ 毛) 2 + ( 毛一) 2 a 、b 一分别为实验参数，可通过有侧限和无侧限试验确定。 w 增量可以写为： w = ( 1 一w ) ( 口+ 6 t ) ( 2 2 4 ) 由损伤比引起的损伤应变 可写为： s 。 = c ，一曲a ：苦a ， t ，+ 孚6 ：竽 c z z s ， 式中：h = 一q ，) ； 1 ) - 1 1 1 0 0 0 2 ； 矗一试验参数，可由压缩曲线的斜率推算。 此节介绍的7 个软化模型，分别从不同的角度描述了土体的软化，对本文研 究土体应变软化有较大的指导意义。n e v e nm a t a s o v i c 和m l a d e nv u c e t i c 模型建 立了软化参数t 与循环剪应变之间的关系，通过参数t 的变化反映土体的软化； 要明伦、聂栓林对l d r i s s 定义的软化参数t 进行了修正，使得软化参数t 更确切地 反映土体的软化；郭瑞平，李广信，阪上最一建立了一个可以反映应变软化特性 的弹塑性模型；王建华、要明伦提出在运用边界面模型对循环荷载下土体进行模 拟时，可以用初始加荷时的边界面半径或初始加荷时最大弹塑性模量来描述土体 的等向弱化；孟上九，刘汉龙，袁晓铭，高玉峰改进了软化模型，从渐变去分析 软化；栾茂田，罗锦添，李焯芬，翟阳基于d u n c a n - - c h a n g 的双曲线本构模型 提出了应变软化型双曲线非线性应力一应变模型，通过构造含有两项独立双曲线 函数的数学方程来描述不排水剪切过程中偏差应力( g q o ) 和轴向应变乞之间的 “q 海人学硕士学位论文 非线性变化关系，通过其反映应变软化特性及从峰值强度向稳态强度的渐变过 程；最后沈珠江提出可以从损伤的角度出发描述土体的软化，这对分析研究土体 的循环软化有较大的启发意义。 2 2 3 应变软化的试验研究 循环荷载作用下土体将产生应变软化，影响土体应变软化的因素很多。较高 的循环应力比会导致应变软化。y a s u h a r a ( 1 9 8 2 ) 通过研究循环荷载下正常固结土 的动强度表明，动强度随应变的不断增加逐渐降低，变化曲线为双曲线，但他的 研究认为频率的改变不影响动强度的变化。 g l e f e b v r e ( 1 9 9 6 ) 研究循环荷载下应变速率对士体的影响时表明，当应变速率 加大时，土体的不排水强度也随之增加，它弥补了由于循环荷载而引起的强度软 化，也就是说加载速率也将影响土体的软化。 本文试验研究中将较详细的研究循环应力比对应变软化的影响。 借鉴i d r i s s 软化指数j 的定义，由于本文进行的是应力控制的循环单剪试验， 因而本文中软化指数的建立如下： 一l 占：亟：垃：鱼( 2 2 6 ) g s l ! 上y c n 其中：g 。、瓯。一分别为第1 周及第n 周的割线剪切模量；f c 一最大循环剪 应力；、，c 一分别为第l 周及第n 周的最大循环剪应变。 单剪仪是直剪仪的改进型，用于测试土的剪应力与剪应变之间的关系，它是 为了克服直剪仪试样剪应力分布不均匀、剪切面预先固定以及不能控制排水条件 等缺点而加以改进的。振动单剪试验是对单剪仪施加循环剪切力，用以测试土的 动强度、液化剪应力和剪切模量、阻尼比。单剪仪结构如图2 1 所示，将圆柱 形试样用有侧限环的橡胶膜或绕钢弦的橡胶膜包扎，在施加竖向压力固结后逐级 施加循环剪切力试验。试样在k 应力条件下固结，循环剪切时主应力大小的变化 和方向的摆动，都与天然土层受到水平剪切时的条件相近，而且试样是平面应变 条件，符合实际土层的情况，因此被认为是一种较好的室内静力和动力测试仪器。 振动单剪试验是对一定密度和湿度的圆柱形试样施加竖向固结压力，在无侧 向变形的条件下进行固结。固结完成后在不排水条件下作水平振动试验，水平动 剪应力一般多加在试样底部。试验过程中记录试样的剪应力、剪应变和孔压随振 次的变化过程线。 1 、试验仪器 动单剪试验的设备为振动单剪仪。主要包括：( 1 ) 激振设备，对试样施加稳 定的等幅动剪应力；( 2 ) 量测设备，包括剪应力、剪应变以及记录设备；( 3 ) 静单 第一章应变软化模型的建立及震陷的机理分析 剪仪附件：试样容器，制样、抽气、饱和设备，加压系统等。 试验仪器2 1 图所示。试样直径7 0 m m ，高2 0 r a m ，在顶面施加竖向压力以， 试样固结后在底面施加周期往返剪力，将位移传感器和应力传感器通过动态电阻 应变仪接微机采集。 图2 一l 侧限环式单剪仪 2 、试样准备 本章试验采用原状土试样，试样取自苏州工业园区华能发电厂( 太仓) 和盐城 电厂，试验研究的重点为埋深5 1 0 米的软土，其物理力学性质参数见表2 2 。 表2 - 2 物理力学指标 士样含水量湿密度比重初始孔塑限液限液性指凝聚力内摩珏缩 选地w ，( ) g 。隙比c 0w d ，( ) w ( ) 数i l c 擦角巾系数 ( g c m 3 ) ( k p a ) ( o )a v ( m p a ) 盐城 4 3 1l7 517 21 1 6 63 0 _ 3 74 3 6 3o 9 6 0 2 9 6 8 0 7 0 地区 太仓 4 3 41 6 91 7 01 2 1 l 2 2 3 3 9 3 1 2 42 02 60 7 9 地区 3 、试验内容 本章通过试验建立软化模型并确定其参数，试验内容主要包括不同动剪应力 下，振动周数与剪应变的关系。 4 、试验方法 ( 1 ) 试样固结 a 、无初始剪应力：竖向固结压力由荷重传感器控制施加，旋加完毕进行固 结； b 、有初始剪应力：竖向固结压力由荷重传感器控制施加，施加初始剪应力， 施加竖向固结压力及初始剪应力完毕后进行固结。对于试样密度很低，土很软或 初始剪应力较大，应分级加荷，以免试样被挤出或剪坏。 ( 2 ) 施加动应力 固结完成后试样将在不排水条件下振动试验。加振前，调整好动应力、动应 变传感器的零点读数。调整好微机零点和标距。 上面介绍了试验仪器、试样制备、试验内容及试验方法。每次试验的数据由 7 i i l 海人学碗i ：学位论文 计算机自动采集。对这些试验结果进行分析对比，具体的研究如下。 根据试验结果，可以绘制软化指数占与加荷周数的关系曲线。其中软化指 数定义艿见本章式( 2 2 6 ) 。 1 o 8 螽0 6 霉 萋o 4 0 2 o 02 04 06 08 01 0 0 加荷周数n 图2 2 不同循环应力比下软化指数6 与加荷周数n 的关系曲线( 太仓地区) 1 o 0 8 蓥o 6 萎o 。 0 2 o o 02 0 4 06 08 01 0 0 加荷周数n 图2 - - 3 不同循环应力比下软化指数占与加荷周数n 的关系曲线( 盐城地区) 从图2 2 及图2 - - 3 可以看出随着加荷周数的不断增加，软化指数逐渐减小， 说n j 引3 n 荷周数越多，土体的软化程度越高；对应于同样的加荷周数，循环应力比 生越大，软化指数越小，土的软化程度越高，这也进一步的证实了较高的循环 气 应力比二l 将引起土体的应变软化。 c r 0 通过对以上试验关系曲线的研究，我们可以建立基于试验基础上的土体软化 模型。 第二章应变软化模型的建正及震陷的机理分析 2 2 4 应变软化模型的建立及参数的确定 由于缺乏对循环荷载作用下土体应变软化机理较详细深入的研究，目前从理 论上推导建立应变软化模型还不甚可行，只能根据试验结果进行模拟分析。 通过曲线拟合，如图2 2 及图2 3 可知，可以用表达式占= c i n n + b 来描述 软化指数万随加荷周数n 的变化规律。 当= 1 时，由j 定义得：j = l 。因此，巧= c l n + 曰可简化为：j = c l n + l 。 正常固结土频率为1 h z 时，由不同循环应力比二土下软化指数j 与加荷周数 c r o n ，建立如下模型： 万= c l n + 1( 22 7 ) 其中假定上式系数c 与循环应力比互成简单一次线性关系，即： c ：a 皇+ 6 o - 0 上式中的a 、b 均为试验参数。 ( 1 ) 根据试验结果可得： a = 一1 1 0 3 b = 0 0 4 6 将上述参数代入上式，可得软化指数的综合表达式： ( 22 8 ) 占：r 一1 ，1 0 3 三止+ 0 0 4 6 ) l n n + l ( 2 2 9 ) 相关系数r = 0 8 7 3 ( 相关系数是根据从某一试验曲线中随机选取软化指数j 及对应加 荷周数的一组数据得出的) 。 注：本表达式参数由太仓试验数据得出。 ( 2 ) 根据试验结果可得： a = 2 1 2 0 b = 0 7 9 0 将上述参数代入上式，可得软化指数的综合表达式： j ：( 2 1 2 立十0 7 9 ) 1 n n + i ( 2 3 0 ) 吒 相关系数r = 0 9 8 6 ( 相关系数是根据从某一试验曲线中随机选取软化指数d 及对应加 荷周数的一组数据得出的) 。 9 河海大学硕 ：学位论文 注：本表达式参数由盐城试验数据得出。 相关系数分别为o 8 7 3 与0 9 8 6 ，说明了拟合曲线与试验曲线的相关程度是 比较高的，本文所给出的软化指数表达式是基本符合要求的。 2 3 震陷的机理分析 软土震陷的机理分析的研究现状在本文第一章第二节已叙述，各家观点不 一，主要有： ( t ) 由土体软化而形成；由于饱和软粘土的土粒孔隙中充满了不可压缩的 水，且土体的渗透性非常低，在短瞬的地震作用下，土体不可能产生固结排水。 通常认为这种土在地表是不可压密的。然而饱和软粘土的静强度较低，且具有一 定的结构性，因此在往返荷载的反复作用下，其结构抗剪强度随着振动历时及振 动往返次数的增加而降低。当承受的应力超过了土体的结构抗剪强度时，土体中 产生的塑性剪切破坏，同时产生大幅度的剪切变形。瞳1 ( 2 ) 震动惯性的直接效应形成； ( 3 ) 由软化应变和惯性效应共同作用的结果；软土的震陷，主要是由于土经 受振动产生动孔隙水压力，孔隙水压力使土体软化，以及惯性力直接效应综合形 成的附加变形。”( 软化是指土骨架的软化，变形模量降低，土体在原有的静荷 载下产生的附加变形。随着振动孔隙水压力的增长，有效应力降低，土强度下降， 土在原有的剪应力作用下，土粒问的连结遭到一定破坏而呈现软化。此时土的变 形模量与剪切模量皆随孔隙水压力的升高而降低。另一方面，由于振动惯性力的 直接作用，使土粒相互滑移或重新排列产生附加变形。在不排水的条件下，这种 附加应变势，反映土骨架的刚度降低，而统称为软化效应) 。 本文根据动单剪试验结果的分析，可得： l o 8 鼎0 6 颦 s 0 4 群 0 - 2 o o 1 8 循环戍力比 o 力比 力比 2 04 06 0舯1 0 0 加荷周数n 图2 - - 4 不同循环应力比下软化指数j 与加荷周数n 的关系曲线( 太仓地区) 第二章应变软化模型的建旁及震陷的机理分析 屺 彝 辨 基 荟 一0 2 6 循环应力比 02 04 06 0 8 01 0 0 加荷周数n 图2 - - 5 不同循环应力比下软化指数j 与加荷周数n 的关系曲线( 盐城地区) 从图2 4 及图2 - - 5 可看出在最初的数周( 特别是第一周) 模量下降坡度很 陡，然后平缓，最后基本趋于稳定。 从竖向压缩变形的角度对单向压缩试验与动单剪试验的比较： 图2 6 e p 压缩曲线( 盐城地区) 在侧限条件下，单向压缩曲线规律一般为随竖向有效应力增加，土体的孔隙 比减小，即竖向压缩变形增加。 对于此试验，采用动单剪仪，在某一竖向固结压力土体固结完成下，施加水 平循环剪切力。最初，孔隙水压力快速上升，有效应力减小，而此时宏观现象是 竖向压缩变形