水利工程論文-飽和砂土液化應(yīng)變發(fā)展過(guò)程的研究摘要：通過(guò)動(dòng)三軸試驗(yàn)，研究了洞庭湖區(qū)飽和砂土液化過(guò)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(dòng)次數(shù)的變化，將液化過(guò)程劃分為4個(gè)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(cè)軸向彈性模量隨應(yīng)變的發(fā)展而逐步衰化的過(guò)程，有助于進(jìn)一步了解砂土液化的過(guò)程.關(guān)鍵詞：砂土液化應(yīng)變彈性模量過(guò)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，在這些方面取得了許多可喜的研究成果.但是，對(duì)于砂土液化的破壞過(guò)程中的一個(gè)重要的現(xiàn)象即飽和砂土?xí)l(fā)生大的變形則研究得不多.通過(guò)研究飽和砂土的應(yīng)變變化過(guò)程，可以進(jìn)一步了解砂土液化的全過(guò)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(guò)動(dòng)三軸實(shí)驗(yàn)，對(duì)洞庭湖區(qū)砂土液化過(guò)程進(jìn)行了分析研究.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(guò)程，并記錄儲(chǔ)存實(shí)驗(yàn)過(guò)程中軸向力、應(yīng)變和孔隙壓力，因而可以對(duì)砂土的液化過(guò)程進(jìn)行分析研究.實(shí)驗(yàn)所用砂樣來(lái)自洞庭湖區(qū)，制備后進(jìn)行飽和固結(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,kc=1).以下討論沒(méi)有特殊說(shuō)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(guò)程劃分為四個(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(kāi)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(shí)，軸向應(yīng)變出現(xiàn)大的變化，由壓應(yīng)變峰值迅速達(dá)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(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(guò)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(shuō)明出現(xiàn)了殘余的塑性應(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(guò)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(guò)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(shuō)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(huì)出現(xiàn)相對(duì)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(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服砂土顆粒間的摩阻力時(shí)，應(yīng)變才開(kāi)始向反方向發(fā)展.(4)當(dāng)振動(dòng)次數(shù)達(dá)到3035次時(shí)，應(yīng)力應(yīng)變回滯環(huán)形狀基本上與振動(dòng)2530次的形狀保持不變，而應(yīng)變幅值繼續(xù)增加直至達(dá)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(shuō)明砂土在高應(yīng)變處結(jié)構(gòu)并不穩(wěn)定，當(dāng)遇到反向荷載時(shí)，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(lái)，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(guò)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(guò)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(guò)程.圖6圖8給出了飽和砂土液化過(guò)程中應(yīng)力路徑的變化，圖中在繪制應(yīng)力路徑時(shí)，發(fā)現(xiàn)在振動(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.研究表明，當(dāng)有效應(yīng)力是拉應(yīng)力時(shí)，一部分拉應(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(jiàn)，在式(2)中求解有效正應(yīng)力的孔壓可取此時(shí)殘余孔隙水壓的一個(gè)折減值，則式(2)應(yīng)改寫(xiě)為：=d+3-ug,ug為振動(dòng)積累的殘余孔隙水壓力，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(guò)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)現(xiàn)在這一階段的應(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(lái)愈大，于是該應(yīng)變劇烈變化的區(qū)域是擴(kuò)大的，砂土也逐漸達(dá)到破壞狀態(tài).圖605次振動(dòng)的應(yīng)力路徑圖72030次振動(dòng)的應(yīng)力路徑從以上的圖形可以看出：(1)初始振動(dòng)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(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)變發(fā)展較緩；(2)進(jìn)入剪脹階段，在第2530次振動(dòng)過(guò)程中，應(yīng)力路徑的形狀發(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(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