（岩土工程专业论文）不同类型孔隙水压力的动力效应研究.pdf

西安理工大学硕士学位论文 不同类型孔隙水压力的动力效应研究 学科 蚩 王墨 作者 夏基曼 导师 选定竖熬攫 摘要 签 签 答辩日期 名 锄撬h 孔隙水压力是多孔多相松散介质一个主要的应力特征 饱和土的有效应力原理 是孔隙水压力效应的基本原理 在饱和砂七瞬态动力学研究中 孔隙水压力按其成 冈类型的不同被分为静冰孔乐 动水孔压 应力孔压 结构孔压和传递孔压五类 它们产生丁不同的力学机理 是不同的七水作用效应在孔隙水压力上的体现 在十 的动力荷载作刖过群中对十的动力特性具有不同的力学效应 本文首先深入分析了 住i 氍实际中可能出现的上述五类孔隙水压力的主要区别和特性 提出了对不同类 型7 l 隙水压力的实验室模拟方法 并根据需要改造了对常规的振动二轴仪 设计了 相麻的试验方案 然后以人量试验成果的分析为依据 得出了一些有益的结论 揭 示了 各类孔隙水压力的动力效应特征 最后 结合试验所得的初步成果 对当前的 十动力学研究及相关的i 程实际问题进行了审视与讨论 本文的试验研究表明 在自然排水条件f 初始静水孔压不参与动应力的作用 过程 对十的动力特性没有影响 但是 稳定渗流条件卜的初始动水孔压 它虽在 静力f 已处于平衡力系之中 不对土的变形产生影响 但在士中有动力结构孔压发 展后 将导致动态的非稳定渗流而逐渐参与动应力作用过程 对士的动力特性产生 影响 其影响的程度与动水孔压和渗透坡降的大小及组合有关 此时 土的动力性 质较无动水孔压时明显恶化 出现 渗透力作用的动力复活效应 使士的动力破 坏过程加剧 在不排水条件f 初始应力孔压因其不能对土的细观结构产生作用 不会影响士的动力特性 初始的静力结构孔压 如固结残余孔压 的存在 只要l 刮 结有效应力状态相同 其动力特性将仍然与无此初始孔乐相同 不受朱i 古 结部分麻 力所引起超孔压的干扰 而初始的动态结构孔压 其形成时的预振作用在导致十结 摘要 构一定的破坏 出现结构孔压的同时 也使土结构在整体上有一定增稳 使动强度 有所提高 孔压扩散引起的传递孔压也会使土中有效应力发生减小和松弛而导致动 强度在较大动应力下有所降低 超固鲒作用总是会减小动力作用的破坏效应 这样 本文认为 只要孔隙水压力的增减变化直接参与或闻接诱发土骨架结构 粒间接触 面积 接触力等 发生变化 那么它就会对土的动力特性产生影响 从而第一次将 渗透力作用的动力复活效应 问题提上了土动力学研究的日程 关键词 饱和砂七动力效应孔隙水压力 循环三轴试验动力特性 西安理工大学硕士学位论文 d y n a m i ce f f e c to fp o r e w a t e rp r e s s u r e si nd i r r e r e l 婚 p a t t e r n s 0 nd 幔m i cp r o p e r t i e so fs a t u r a t e ds a n d s u b j e c t a u t h o r a d v i s o r g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g 墨銎圣i 垫銎g 垒壁g s i g n a t u r e l i 旦旦i 翌g z i s i g n a t u r e a b st r a c t t h ef a m o u se f f e c t i v es t r e s sp r i n c i p l eo fs a t u r a t e ds o i li sa ne l e m e n t a l p r i n c i p l et od e s c r i b et h ee f f e c to fp o r e w a t e rp r e s s u r et h a ti sam a i ns t r e s s c h a r a c t e r i s t i co fp o r o u sr e e d i e mo fm u l t i p l ep h a s e s f i v ed i f f e r e n tp a t t e r n s o fp o r e w a t e rp r e s s u r e s p o r e w a t e rp r e s s u r e d u et os t a t i cw a t e rl e v e l p o r e w a t e rp r e s s u r e d u et ow a t e rf l o w p o r e w a t e rp r e s s u r e dd u et o t r a n s i e n ts t r e s sc h a n g e p o r e w a t e rp r e s s u r e d u et os o i ls t r u c t u r ed a m a g e a n dp o r e w a t e rp r e s s u r e d u et ow a t e rd i f f u s i o na n dd i s s i p a t i o n m a y e x i s ts i m u l t a n e o u s l yi nt h ep r o c e s so fd y n a m i c l o a d i n ga c c o r d i n gt ot h e t r a n s i e n td y n a m i c sr e s e a r c ho fs a t u r a t e d s a n d a n dt h e yh a v ed i f f e r e n t e f f e c t so nd y n a m i cc h a r a c t e r is t i c so fs a t u r a t e ds o l lb e c a u s eo ft h e i r d i f f e r e n tp r o d u c i n gr e a s o n si nm e c h a n i a m b a s e do nt h e s ei d e a sa b o u td y n a m i c p o r e w a t e rp r e s s u r e f i r s t l y t h i sp a p e ra n a l y z e st h o r o u g h l y t h em a i a d i f f e r e n c e sa n dp r o p e r t i e so ft h e s ep o r e w a t e rp r e s s u r e st h a tm a ya p p e a r i nt h e e n g i n e e r i n gp r a c t i c e p u t s f o r w a r dt h e i rm o d e l i n gm e t h o d si n g e o t e c h n i q u el a b s i m p r o v e st h ec o n v e n t i o n a ld y n a m i ct r i a x i a li n s t r u m e n t a c c o r d i n gt ot h em o d e l i n gr e q u i r e m e n t s a n dd e s i g n sr e l e v a n te x p e r i m e n t a l s c h e m ef i r s t l y a n dt h e nm a k e sas e r i e so fe x p e r i m e n t sb yu s i n gt h isi m p r o v e d i n s t r u m e n ta n dd r a w ss o m eu s e f u lc o n e l u s i o n sw h i c hr e v e a lt h ed y n a m i ce f f e c t o fp o r e w a t e rp r e s s u r e si nd i f f e r e n tp a t t e r n s l a s t l y c u r r e n ts t u d yo fs o l l d y n a m i c sa n de o r r e s p o n d i n gp r a c t i c a lp r o b l e m si ne n g i n e e r i n ga r es u r v e y e d a n dd i s c u s s e do nt h eb a s i so ft h eg a i n e de l e m e n t a r yc o n c l u s i o n s t h er e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a t u n d e rt h ec o n d i t i o no fu n c o n t r o l l e d ab s t r a c t d r a i n a g ei s n tc o n c e r n e di nt h ed y n a m i c l o a d i n gd u r a t i o n a n dc a n ta f f e c t t h ed y n a m i ep r o p e r t i e so fs a t u r a t e d s a n d b u tu n d e rt h es a m ed r a i n i n g c o n d i t i o n t h e p r o d u c e dd u et ot h es t e a d yp o r e w a t e rs e e p a g e w h i c hi s i ne q u i l i b r i u ms y s t e mo ff o r c e sa n dt a k e sn oe f f e c to nt h ed e f o r m a t i o no f s o il c a na f f e c tt h ed y n a m i cd e f o r m a t i o np r o p e r t yo fs a t u r a t e ds a n dw h e n t h ed y n a m i cr e s i d u a lp o r e w a t e rp r e s s u r eo c c u r so w i n gt ot h ed e s t r u c t i o n o fi tsm i c r o s t r u c t u r e t h i sn a yr e s u l ti nt h el o c a lo rw h o l eu n s t e a d yw a t e r p e r m e a t i o nf r o mt h eu n b a l a n c e a b l ed i s t r i b u t i o no fp o r e w a t e rp r e s s u r e a n d c o n s e q u e n t i yi n d u c et h eo b v i o u sd e g r a d a t i o no fd y n a m i cp r o p e r t i e si n c o m p a r is o nw i t ht h a ti nc o n d i t i o nw i t h o u t p t h i sp h e n o m e n o nc a nb ec a l l e d a st h er e v i v i n ge f f e c to fs e e p a g ef o r c e s a n di t se x t e n to fa f f e c t i n gv a r i e s w i t ht h em a g n i t u d ea n dc o m b i n a t i o no f p a n da l s ot h ep e r c o l a t i o ng r a d i e n t i na d d i t i o n u n d e rt h eu n d r a i n e dc o n d i t i o n t h ei n i t i a l dh a sn oe f f e c t o nt h ed y n a m i cp r o p e r t i e sa si ti s n tc o n c e r n e dw i t ht h ec h a n g eo f s o i i m i c r o s t r u c t u r e a n dt h ed y n a m i cp r o p e r t i e so fs a t u r a t e ds a n dw i t ha ni n i t i a l s t a ric c t h er e s i d u a p o r e w a t e rp r e s s u r ei nc o n s o l i d a t i o ne g r e m a i n s t h es a m ea st h a tu n d e rt h ee o n d i t i o nw i t h o u ti n i t i a l b u tw i t ht h es a m e e f f e c t iv es t r e s ss t a r et h a tis t h ee x c e s sp o r e w a t e rp r e s s u r ed u et o p a r t i a lc o n s o l i d a t i o nw i l ln o ta f f e c tt h ed y n a m i cp r o p e r t yo fs a t u r a t e ds a n d b u t t h ei n i t i a ld y n a m i c i n d u c e db yp r e v i b r a t i o nc a nw h o l l yi m p r o v e t h es t a b i l i t yo fs o i ts t r u c t u r ea n di n c r e a s ei t sd y n a m i cs t r e n g t ha st h e s a m et i m ea st h es o i ls t r u c t u r ei sd a m a g e da n dp r o d u c e sac e r t a i nr e s i d u a l p o r e w a t e rp r e s s u r e a sf o rh d u et op o r e w a t e rp r e s s u r ed i f f u s i o n i t c a nr e s u l ti nt h er e d u c t i o no fd y n a m i cs t r e n g t hu n d e rt h ea c t i o no fal a r g e r d y n a m i c1 0 a db e c a u s eo ft h er e d u c t i o na n dr e l a x a t i o no fe f f e c t i v es t r e s s i ns o i l t h eo v e r c o n s o i i d a t i o no f s o i lc a na l w a y sd e c r e a s et h e d a m a g e e f f e c to fd y n a m i e1 0 a d i n g a 1 1i n a 11 t h e f o i i o w i n gc o n c l u s i o na b o u t d y n a m i ce f f e c to fp o r e w a t e rp r e s s u r e si nd i f f e r e n tp a t t e r n so nd y n a m i c p r o p e r t i e so fs a t u r a t e ds a n dc a nb ea r r i v e da tt h a tt h ed y n a m i cp r o p e r t i e s o fs a t u r a t e ds o i l w i l lb ea f f e c t e da sl o n ga st h ee x i s t e n c ea n dc h a n g eo f i o 西安理工大学硕士学位论文 p o r e w a t e rp r e s s u r e sc a nr e s u l ti nt h em i c r o s t r u c t u r ec h a n g eb yw a yo f d i r e c tp a r t i c i p a t i o no ri n d i r e c ti n d u c e m e n tt h er e s e a r c ht a k e st h ep r o b l e m a b o u tt h ed y n a m i cr e v i v i n ge f f e c o fs e e p a g ef o r c e si n t oc o n s i d e r a t i o ni n t h es t u d yo f s o i ld y n a m i c sf o r t h ef i r s tt i m e k e yw o r d s s a t u r a t e ds a n d d y n a m i ce f f e c t s p o r e w a t e r p r e s s u r e s c y c l i ct r i a x i a lt e s t d y n a m i cp r o p e r t i e s 西安理 t 大学硕士学位论文 1 孔隙水压力及其研究现状 1 1 孔隙水压力是多孔多相松散介质一个主要的应力 特征 多孔多耜介质是指由围体颡睾主的集合体弓粒问琵隙中所填充的液体 或气体所组成的介质 土介质是一种典型的多孔多相松散介质 它由围 俸 土颗粒 液体 孔隙水体 和气体 魏隙气体 三相组成 其特殊 的组成物质和组成结构决定了土力学的研究不同于一般单相介质力学的 研究 力学不仅簧研究固液气三裙介质的力学特性 更要准确揭示三胡 介质体之删复杂的相互作用效应 在外部荷裁 力 水以及温度变化锋 广义祷载 的作嗣下 体内部要产生相疲的应力敬态来维掩颓粒骨黎 的平衡 此时 细观上表现出颗粒与颗粒之间的挤压 脱落 滑移 滚 动甚至磅裂等运动变化 孔隙流体在一定豹驱动势引导下发生流动 簇 缩等运移变化 颗粒骨架和孔隙流体之间出现的拖曳 吸附排斥等一系 弼复杂豹运动变化 最终体蠛为相应于一定外赛因豢变化下缨观组桷麴 变化 饱和砂土槔为 季中教粒体食质 水体组合而成 对大多数砂土来讲 它由楣互接触的细微土颗粒和孔陈 在外部荷载作用下土颗粒和水体本 身的变形模量远大于 嚣架的变形模量 因此一般地可班认为砂土受旖 以后的变形主要产生于颗粒的运动和重排 也就是应力状态变化所导致 舱砂土细观结均交化 表璇为砂土体宏观变形的产生 在这 变形的发 媵过程中 若砂土体内部或渗流边界的排水受阻 砂土就表现为孔隙水 压力与土骨架应力之间的相互演化 并睫 毒载条 牛 起始条件 边界条 第一章孔隙水压力及其研究现状 侔等内外阁素的不同表现出迥异的力学行为 因此可以既 孔隙水压力 是多孔多相松散分质一个主要的应力特征 土介质力学特性的研究必须 以孔隙水压力物理力学效应的真实揭示为基础 1 2 孔隙水压力效应的基本原理一一饱和主的有效应 力原理 混合物理论将饱和 等效为土骨架和孔凉水豁缀成体 使用连续介 质的应力应变关系来描述砂土的变形特性 提出有效应力的概念 t e r z a g h i 1 9 3 6 在第一届豳际土力学和綦础工程大会上就提出了有效应 力原理 认为饱和 体中任何剖西上任意一点的应力 o o o 都 由两部分构成 一跫孔隙水压力u 它作用在水或土粒上 在各个方向上 都相等 可以称作为中性压力 中性压力的变化对 体的变形和强度没 有影响 二是总应力与中性压力之羡 o u 这部分应力作用予固橱 土粒的夕 部 是土粒相对位移的动力 对主体变形是有效的应力 常称 为有效应力 有效应力原璎的科学意义在于它揭示了有效应力与应变之 间的唯一性关系 土体变形和强度的变化都是由有效应力变化引起的 丽有效应力的大小等于作用于主体上的总应力与中性应力 即孔隙水压 力 之差 有效应力暇壤是多楣连续介质力学独有的基本力学艨理 其本质意 义在于它揭示了土的强度和变形特性主要受有效应力的支配 它将孔隙 水压力从总廒力中剥离出来 用有效应力的概念实现了把多相介质分化 为单相介质来研究的强的 从而使土力学的研究真正走向了科学化 t e r z a g h i 有效应力原理描述饱和土的变形和强度必须同时满足下列 两个条件 都土粒不可压缩和控制 粒间接触面积和土粒削簿阻力的屈 服应力与潮压无关 t e r z a g h i 1 9 2 5 b o w d e n t a b o r 1 9 4 2 有效应力 西安理王大学硕士学饭论文 是总应力和孔隙水压力的函数 有效应力原理成立的前提条件是孔隙水 压力的变化与总威力的交化具有相同的应力路锓和相曩的变化速率 毫 无疑问 土体并不是理想的弹性材料 孔隙水压力和总应力变化并不一 定具有相同的应力路径和相同的变化速率 此时若单用有效应力来撼述 土体的变形行为可能就不太合适 虽然有效应力原理作为饱和土应力状 态变量的合理性 已为试验所多次证实 并被普遍接受 r e d u l i c 1 9 3 6 b i s h o p e l d i n 1 9 5 0 l a u g h o n 1 9 5 5 s k e m p t o n 1 9 6 1 僵这样豹证实大 都艰予静力条件f 豹饱和重塑土 它在动力条 譬下以及较强结构性土的 适用性还缺乏相应的试验证实 文献 l 通过预加不问反压力值的常规 振动三轴试验 得出与有效应力原理相背的结论 即施加的反压力值越 离 砂土的抗液化能力也越强 说明这个问题仍具有进一步研究的必要 窿 有效应力蒙理的微观理论基础是假设土体中颗粒是殍数的 孔隙水 是完全连通和可流动的 实际上这样的假设与工程土体的实际情况也存 在差异 在粘性土土压力问题上关于 水土合算 和 水土分算 的争 论 就其实质而言 仍然是有效应力原理是否适宜于描述粘性土在某些 条件下的力学特经的问题眨 3 t4 5 1 对于菲饱和土来说 馋和土豹有效应力原理剡更加不能箍单地应用 在非饱和土中孔隙水压力为负值 与孔隙气压力一道形成非饱和土特有 的基质吸力 使得孔隙水压力的力学效应变得更为复杂 为了能效仿饱 和土力学中通过有效应力原理将多栩介质分离为单相介质来研究的先 例 很多学者拓展了饱和 力学有效应力绦理 褶继提出了众多的非饱 秘 有效应力表述式 具体可参见文献 6 1 用一个有效应力来描述非 饱和 应力状态的研究 至今仍然是一个非常有意义的课题 后来 f r e d l u n d 等人在非饱和土力学中又提出了双应力变量的观点 认为当孔 隙水压力和孔隙气压力对土颗粒的压缩可以忽略时只需要两个独立的变 羹 即净总应力和吸力两个变量就可以眈较方便篷描述非饱和 中的应 1 第一章孔隙水孱力及其研究现状 力状态 目前这种观点得到了学术界较多的支持 1 3 孔隙水压力的主要类型 产生枧理与作用特点 在一般的文献或者教科书中都摁孔隙水压力按其产生的机理分为静 水压力和超静水压力两种 其中 所谓静水压力是出 层中地下水的静 水位引起的 即静止水位以下单位两积上水体重量所产生的压力 超静 水压力是由外蕊荷载或水位变亿所引起的那部分孔隙水压力 随藿时间 的增长丽逐渐漓散 都固结 鼓后将全部转化为有效应力 超静水压力 不包括静承压力或稳定渗浚的那部分水压力 澳大剽驱耨南戤尔士大学的著名学者i k l e e 等人则将孔隙水压力分 为独立的孔酴水压力 t h ei n d e p e n d e n tp o r ep r e s s u r e 和从属的或超孔隙 水压力 t h ed e p e n d e n to re x c e s sp o r ep r e s s u r e 两类 按照他们的定义 独立的孔隙水压力是与水力边界条件拥乎衡蔗与作用在 单元体的总应 力无关的孔压 否则即为从属的孔隙水压力 寒二祥 1 将i l 隙水压分为两类 一是与水的空闻分布对应的孔隙水 压 既包括无渗流的情况也包括有渗流 稳态和瞬态 的情况 二是由 于土的骨架变形挤压孔隙水丽产璺三的孔隙承压力 也就是在士力学中用 s k e m p t o ni l 压系数a b 汁算的孔隙水压力 一般称之为超黪水压力 由于对前一种孔隙水压力难以绘出一个统一的名称 故可统称为第一类 孔涨水压力 后一种孔隙水压力楣应被称为第二类孔隙水压力 对围一 土体同时谈论有排水及无排水条件下的变形 这囊然是指加载速率相对 于渗流场交化的速度要快很多的情况 因此 可以忽略变形与渗流的相 互影h 融 但对于瞬态渗流的阀避 边界水压在短时间内的明显变化则戍 视为外部荷载来予以考虑 在土动力学中 往返荷载作蹦下饱和砂土中孔隙水压力验发展变化 不仅具有平均量的单调累积增长性 两且其有瞬态量的起伏波动变化性 西安理工大学硕士学位论文 且累积增长的孔压是各个周期内瞬态孔压增减变化中残余量积累的结 果 从本质上讲 孔隙水压力的产生根源于土骨架空隙内水体的受压 西安理工大学谢定义等吨9 1 对动荷作用下土体中孔隙水压力产生的内在 机理进行了深入的研究 认为往返荷载作用下饱和砂土中产生的孔隙水 压力可以按其成因的不同区分为静水孔压 动水孔压 应力孔压 结构 孔压和传递孔压 静水孔压是指静止水压力作用条件下饱和砂土中产生 的孔隙水压力 在其作用下土骨架并无胀缩变化 体积应变势为零 动 水孔压是指由于饱和土中孔隙水受一定水力梯度的驱动发生渗流时产生 的孔隙水压力 也称渗透压力 它作用于土的骨架上 在土骨架有变形 的情况下表现为非稳定渗流 发生动水孔压与变形之间的耦合变化 在 土骨架无变形的情况下渗流为稳态渗流 动水孔压已与其它作用荷载产 生的应力相平衡 表现为作用于土骨架上实际有效应力的一个组成部分 应力孔压指土的结构没有出现塑性变形的条件下 由于应力的施加使水 或土骨架发生弹性应变时所引起的孔压 随应力的增减而增减 随应力 的卸除而消失 也称为弹性孔压 结构孔压指由于土骨架结构发生不同 程度破坏所引起的孔压 它是有效应力向孔压的转化结果 也称塑性孔 压 传递孑l 压则是由于土中孔压的消散和扩散引起增减变化的部分 它 影响到有效应力的重新分布 伴随着土骨架的胀缩变化 事实上 这五 种类型的孔隙水压力在静应力和动应力作用的过程中都可能以不同的形 式出现 但在量值上会因静 动应力的不同而有所差异 在静力条件下 如作用应力较小而只能引起弹性变形 产生的孔压为弹性孔压 如作用 应力足以引起饱和土体产生不同程度的结构破坏 但因排水受阻结构破 坏无法实现 这种破坏应力只能以弹性孔压的形式出现 一般称之为初 始超孔压 相反 若允许排水 则土的结构破坏将与结构的重新排列 固 结 相耦合 结构孔压体现为固结孔压 它随固结度的提高而减小 在 这个过程中对于土体来说 孔压场的差异常会导致孔隙水的运动 沿流 线方向在途经的各点上引起动水孔压 同时动水孔压的大小将受到由于 i 第一章孔隙水压力及其研究现状 土体中孔压消散扩散所引起传递孔压的干扰而发生不断的变化 从而使 荷载作用过程中不同产生机理的孔压出现不同形式的相互耦合 进而造 成孔压场的变化 只有在特定条件下或某一过程的特定阶段上 才会出 现种或两种孔压具有压倒其它类型孔压的优势影响 一般来说 由孔 压求解或孔压测试所得到的孔压是多种性质孔压综合影响的结果 在动 力作用条件下 应力孑l 压表现为孔压过程的往返波动性 结构j l 压表现 为孔压过程的单调增长性 向 这些孔压在土体中组成的孔压场 其量值 的变化受到动水孔压与传递孔压的干扰影响 体现出静应力 动应力 渗透和变形之间的耦合作用关系 对于土骨架变形稳定条件下任一点上 作用的动水孔压 一般由于它己处于同其它外加应力之间的平衡状态 对土骨架的变形强度不起任何影响 但当新的作用 如动应力变化 而 使已经处于变形稳定条件下的土骨架重新发生破坏时 原来已经作用着 的动水孔压将与新产生的动态孔压是否会有耦合作用呢 这个问题虽然 与土石坝受到地震作用时的反应行为有不可分割的关系 但至今在土动 力学中还没有得到任何相应的研究 1 4 动孑l 隙水压力长消模型 静 动 研究 1 4 1 残余孔压长消的数学模拟 动荷作用下饱和砂上中孔隙水压力的产生 发展及消散过程直接影 响到土体的动力特性及其液化过程 在土动力学的研究中具有举足轻重 的地位 我国学者黄文熙 10 汪闻韶 首先进行了振动荷载作用下饱 和砂土孔隙水压力增长和扩散变化规律的研究 这一开创性的工作揭示 了土的强度和变形特性与有效应力的本质关系 后来 m a r t i n f i n n 和 s e e d 1 9 7 5 谢定义等 19 8 6 以及0 c z i e n k i e w i c z 1 9 8 2 等人也对这 一问题进行了各自的分析研究 西安理工大学硕士学位论文 振动荷载作用下土中孔隙水压力的变化规律得到了深入广泛的研 究 己发展了计算孔隙水压力增长模式的多种数学表述式 7 0 年代 s e e d m a t i n 和l s s m e r 1 根据动三轴试验成果 提出了一个振动孔隙水压力 变化与振动次数之间变化关系的孔压模式 这一模式主要针对土体为等 向固结的条件 对于不等向固结条件 有时无法确定土初始液化时的振 动次数n l 故常用孔隙水压力达到侧向固结压力一半时的振动次数n 5 0 来建立动孔压增长模式 f i n n 1 9 7 7 考虑了固结应力比及初始静剪 应力对孔压发展的影响 提出了相应的孔压模式 基于s e e d 和f i n n 的研 究思想 徐志英 4 1 对其孔压模式作了进一步简化 其他学者 如刘颖 1 5 1 王志良 d o b r y 沈珠江 1 王天颂 8 1 石桥 何广讷 2 0 1 石兆吉1 2 1 1w a n g 2 2 1 等的模式均源于类似的思路 都是基于某种特定的 土动力学试验 如等应力幅动三轴试验 振动单剪试验 振动扭剪试验 等 的试验成果 将振动孔隙水压力与振动次数或其它特性指标 如剪 应力 剪应变等 建立某种经验关系来进行数学拟合 没有考虑动孔隙 水压力变化的内在机理 由于在现场条件下 动应力幅 或动应变幅 的变化过程非常复杂 常与室内试验条件差别很大 使以上模式的实际 应用受到了很大限制 另外 在排水条件下 该类方法只能求出孔压消 散后的体积残余变形而无法知道形状残余变形 且无法解释偏差应力卸 荷时引起孔压增长的现象 即不能反映土的反向剪缩特性 将孔压与某种应变 如排水体应变 剪应变 结合起来建立孔压增 长模式是孔压模型的另一种形式 汪闻韶 1 m a t i n 2 3 1 谢定义 1 等 均做出了深入的研究 他们根据排水及不排水动力试验结果 将不排水 条件下的孔隙水压力与排水时的永久体积变形 或称体积应变势 相联 系 可以在一定程度上解决应力模型中出现的矛盾 并可直接和动力分 析中的应变幅值联系起来 但它依然没有真正揭示出孔隙水压力发展的 内在机理 况且用不排水振动使孔压增长和排水固结求取体积应变势这 两者所经过的有效应力路径明显不同 如此建立它们之间的关系 显然 第一章孔隙水压力及其研究现状 不甚合理 i s h i h a r a 5 1 等提出的孔隙水压力发展的有效应力路径模式 能清晰 地反映饱和砂土由振动开始到初始液化发生所经历的应力路径 有助于 理解孔隙水压力发展的起伏波动性 但由于该模型是在静力三轴试验基 础上提出的 所以并不能较好地反映振动荷载作用条件下饱和砂七实际 状念的起伏波动性及孔隙水压力起伏变化的规律性 更不能反映反向剪 缩这一对孔压发展起重要作用的现象 n e m a t n a s s e r 1 9 7 9 n 6 1 等人最早从能量的角度出发 研究振动荷载 作用下松砂的振密和孔隙水压力的增长与振动过程中土体能量消散之问 的相互关系 之后 d a v i s 和b e r r i l l 1 9 8 2 1 蛇7 1 基于n a s s e r 等人的理论 从热力学的观点建立了场地土孔隙水压力增长与土体耗损能量之间的关 系 并以此为基础统计了大量的场地地震液化资料 提出了相应的场地 地震液化的判别式 曹亚林t 2 8 1 何广讷蛇9 1 基于能量法的基本原理 也 提出了相应的孔压计算模式 并分析了能量输入模式 边界排水效应等 的影响 给出了个便于实际应用的半经验的液化判别式 f i n n 等吣0 1 1 9 8 1 用内时理论来表征饱和砂土在周期加载条件f 的 孔压变化 它可以将一组由周期加荷试验得到的孔隙水压力比虬 盯 与 加载周期n 的关系曲线转换为一条单一的曲线 将孔压与某一个单调增 长的内时参数联系起来 何广讷 等也鉴于砂土的非线性振动反应和多 凼素影响 采用内时理论将本构关系表达为单一的内时变量的函数 为了研究振动荷载作用下土体内孔压增长和消散过程 一般将不排 水条件下动荷载作用的孔压发展模式与t e r z a g h i 固结理论或者b i o t 固结 理论加以耦合来定量求解孔隙水压力的演化过程 s e e d 等人发展了一个 孔压增长和消散的一维固结理论并利用它来研究砂土液化问题 3 2 1 后末 又将这一理论推广到三维的情况并分析了设置圆柱形砾石排水系统来稳 定液化砂层的可能性t3 3 1 0 汪闻韶1 3 4 1 徐志英1 3 5 1 王天颂 1 8 1 刘颖 5 1 等的工作也是采用同样的思路 另外一些学者则是通过改变t e r z a g h i r 西安理工大学硕士学位论文 维固结理论中瞬时施加恒定荷载的假定 用来计算地基表面有动荷载作 用条件下孔隙水压力的变化和分布规律 如s c h i f m a n 3 6 1w i l s o n 3 7 1 b a l i g h 1 3 8 1 a l o n s o 等的工作 而g h a b o u s s i 和d i k m e n1 4 0 1 沈珠江和 徐志英t 1 4 l 史宏彦和谢定义 则利用b l o t 固结方程与不排水条件下孔 隙水压力增长模式进行耦合求解二维问题 徐志英 4 2 1 周健 发展了 三维有效应力动力分析方法 后来进一步提出了三维两相有效应力分析 方法 对尾矿坝在地震作用下的动力反应分析问题进行了研究 考虑了 水土动力耦合作用和土体的非线性性质 4 4 1 这种计算在考虑孔隙水 压力产生 扩散和消散与动力反应分析中是分时段交替进行的 两者是 分离的 与实际不符 z i e n k i e w i c h 等 5 1 则建立了一个能将动孔隙水压 力产生 扩散和消散与动力反应分析相耦合的计算理论 它在理论上较 严密 适用性也较广泛 是目前有效地解决土动力学边值问题时值得深 入研究的方向 不难看出 在解决上述问题中 饱和砂土动孔隙水压力的长消规律 与饱和砂土动本构关系是密不可分的 影响着实际土体受荷后所表现出 来的各种变形特性 非线性 剪缩剪胀性等 这种联系的纽带正是饱和 砂土的有效应力原理 这就同样不能不牵涉到土中各种孔隙水压力类型 在动力作用下的具体效应及其对土动力变形和强度发展变化的影响 1 4 2 瞬态动孔压长消的数学模拟 上节关于土体内动力残余孔压长消的数学模拟 只考虑了孔压过程 的单调增长性 为了深入揭示动孔压既单调增长又往返波动的特性规律 西安理工大学谢定义等 1 从土的瞬态动力学理论出发 对不排水条件下 饱和砂土瞬态孔隙水压力的变化机理进行了深入研究 指出三轴应力条 件下 结构孔压 即残余孔压 由起始的零值逐渐增大到结构完全破坏 时的侧向有效应力值 其间结构孔压越大 应力孔压则越小 反之亦然 动荷作用下的应力孔压变化取决于土骨架弹性性质和受荷特性的变化 9 第一章孔隙水压力覆其研究现状 而结构孔压利动应力的大小分别可以反映土骨架弹性性质随土结构破坏 的变化程度和土的受荷状态 n n n n 态动孔压增长计算模式表示为 乩 函 渤 i 1 函 厂 盯 k 1 2 f l 1 一m o j 1 3 式中 疏 为瞬态孔隙水压力 的增量 函 为应力孔压 的增量 国 为 结构孔压 的增量 盯 为应力张量 k 为表征土结构破坏程度的参数 通常可取为汁算时段初始时刻所对应的结构孔压水平 盯 为动应力 0 为应力孔压哀化系数 可由试验确定 为界限孔隙水压力 通常可取 结构孔压的最大值 振动三轴条件下可取为固结围压qc 1 1 一 u 表 征了土骨架弹性性质随土结构破坏的衰化程度以及受荷特性的变化对应 力孔压的影响程度 这里 应力孔压 被表示为结构孔压 和动应力口 的函数 因此从 整体上讲 确定出结构孔压增量函数 盯 k 的具体表达式就成了问题 的关键 虽然对此已有多种表达式 但它们毕竟只是反映了结构孔压 残 余孔压 和某种条件下主要影响因素的某个方面的经验性的联系 很难 准确选择适用于复杂条件下的对应参数 同时考虑到从揭示孔压发展内 在机理出发时 这种表达式又必须和饱和砂土在不同物理状态 增荷剪 缩 增荷剪胀 卸荷网弹和反向剪缩等 所表现出不同变化规律相联系 故又要附加一定的物态判别准则 为了求得相应的动孔隙水压力的演化 过程 还需将其结合用于t e r z a g h i 固结方程或b i o t 固结方程 进行迭代 计算 这就使计算过程非常繁琐 应该做出进一步的简化 应该指出 鉴于直接研究动孔隙水压力波动变化模型 尤其在不规 则动应力作用时 所遇到的巨大困难 z i e n k i e w i c h 4 5 1 等许多学者建议直 接将动力反应和动力渗流固结计算相结合 由此直接解出孔隙水压力的 长消变化过程 这无疑具有更大的合理性 但与之俱来的问题是它对饱 西安理工大学硕士学位论文 和砂土有效应力型动力本构模型的研究提出了更高的要求 这又一次说 明了将不同类型孔隙水压力的动力效应研究提上议事日程的重要性 1 5 孔隙水压力动力效应的研究 接孔压 传感器 反压力 o u t 气压 体变管 0 ic a 动三轴压力室 b 反压筒 图1 1固结振动反压加卸载试验装置 对于孔隙水压力不同类型的动力效应问题 西安理工大学谢定义 1 等曾进行过初步探索 他们在振动三轴上进行了饱和砂土的固结振动反 压加卸载试验 以此来研究不同成因类型的孔隙水压力在受到扩散 传递 孔压增大 和消散 传递孔压减小 影响过程中相应发生的体变变化规 律 试验时先使土样在均压或偏压作用下固结 再施加振动荷载使土样 产生一定的结构孔压 然后保持该结构孔压不变 再加卸一定反压使孔 压上升或下降 并使土试样产生回胀和再压缩 从而测定出固结 回胀 和再压缩过程中相应孔压和体变的变化 称为固结振动反压加卸荷试验 试验采用的基本装置如图1 1 所示 这种试验可以模拟有一定结构孔压 的饱和土单元 以及因传递孔压的变化而伴随土体积的胀缩和有效应力 重新分布这些主要特点 可据以确定土骨架体积应变势的相应变化 试 验根据实际中饱和土单元可能出现的不同成因孔压的组合变化及相互影 商一一一一纠 爨鐾 第一章孔隙水压力及其研究现状 响 选择了如下五种试验方案 固结过程中的孔压消散试验 无结 构孔压时孔压的扩散与消散试验 不同结构孔压水平下孔压的消散试 验 不同结构孔压水平下孔压扩散试验 不同起始孔压水平下结构 孔压的消散试验 试验得出了如下的结论 1 固结压力引起的孔压消散过程中的孔压一体变曲线 与振动引起 的结构孔压在消散过程中的孔压消散曲线基本吻合 说明土骨架结构变 化b j i l 压的消散曲线不受孔压产生原因的影响 2 不同结构孔压水平下的消散曲线 孔压一体变曲线 基本重合 晚明消散起始时刻的结构孔压水平并不影响孔压消散自身的规律 3 在不同结构孔压水平上 孔压经过一定的扩散变化再回到原结构 孔压水平后 继续消散时的消散曲线与未经扩散的消散曲线走同一路 径 说明消散过程中的孔压扩散不影响原有消散规律 4 无结构孔压条件下孔压的扩散曲线与消散曲线相吻合 但产生的 体应变比有结构孔压条件下产生的体应变小 说明没有发生进 步结构 破坏时的扩散与消散 饱和砂样只显示出较小的变形性质 5 在小同结构孔压水平f 的扩散曲线和扩散后的消散曲线具有大致 平行的性质 表明起始结构孔压水平和起始密度影响较小 6 在 f i 同的传递孔压水甲卜振动引起结构孔压增长后的消散曲线具 有大致平行的性质 说明起始传递孔压的存在并不影响到结构孔压的长 消特性 根掘这一研究 可以认为结构孔压的消散和传递孔压的扩散与消散 在特性上有着各自的相对独立性 基本上不受相互的影响 但试验本身 所反映出来的问题 仅仅只是限于在一定的动静荷载作用后所产生的不 同量值应力孔压 结构孔压和传递孔压之组合在静力条件下的消散或扩 散 并没有涉及到振动过程中不同类型孔压划 饱和砂土动力变形特性的 影响效应 也就是说该试验成果揭示的只是动孔隙水压力的静力效应 之后 他们又对地震期间结构孔压的消散情况进行了研究t 9 lo 试验 i2 西安理工大学硕士学位论文 时先在不排水条件下振动使土样产生不同的结构孔压水平 包括液化 然后继续振动 同时允许排水 在此过程中测记土样体积变化 得到其 孔压一体变曲线 结论认为 这种试验条件下测得的体积应变比静力条 件下孔压消扩散测得的体积应变要大的多 何广讷等 川曾用福建标准砂在振动单剪仪中进行了几组排水振动和 不排水振动的对比试验 以此来研究不同排水条件下砂土的振密特性 试验中每组的两个对比试样都采用同样的制备方法 使其具有相近的结 构 初始密度和初始应力状态 然后施加同样的循环剪应力 试验结果 表明 处于排水条件下承受循环剪切振动若干次后测得的排水体变 和 在不排水