循环荷载作用下结构性软粘土特性的试验研究

摘要

我国东南沿海广泛分布着深厚结构性软粘土土层,在其上正兴建越来越多的大型交通工程,地基土经常承受交通等动力荷载的作用.为了保证目前越来越多的大型建、构筑物的安全与稳定,减少工程事故的发生,研究软粘土在结构变化时的不排水循环特性以及对这些特性的预测和评价具有重要意义. 本文在总结了目前关于循环荷载作用下软粘土特性以及弯曲元剪切波速测试与应用方面的相关研究成果的基础上,开展了如下研究工作: 1.在压缩仪上开发了压电陶瓷弯曲元剪切波速测试装置,并利用该装置测试了结构性软粘土在压缩过程中的剪切波速变化规律.试验结果表明:原状软粘土的剪切波速变化与其变形规律相吻合,随应力水平增加均可分为三个阶段,这三个阶段以先期固结压力和结构屈服应力为分界点,因此,利用剪切波速可简单方便地判定出这两个关键应力值. 2.对萧山原状、重塑及掺水泥的软粘土样进行了一系列的不排水循环三轴试验.研究结果表明,试样的应变一振次关系曲线上均存在着一个明显的转折点.在转折点之前,土样变形较小,而在转折点之后,土样变形急剧增大.施加的动应力幅值不同,该转折点应变也不相同,但在半对数坐标上大致落在一条直线上.原状样的转折点应变一破坏振次关系分三个阶段变化,且与压缩试验的三个阶段具有良好的对应关系；对于重塑样,该关系基本不随应力水平变化而变化；掺水泥试样的拟合系数与水泥掺量呈线性关系. 土结构性对土体的动应变和动强度特性有很大影响,当固结压力大于结构屈服应力时,原状土的变形和强度特性趋向于重塑土. 3.通过对三种试样剪切波速与动强度关系的分析,结果表明原状样的剪切波速由于受土结构性和孔隙比的耦合作用,总体上随着固结压力的增大而不断提高,与动强度呈非线性关系；若采用 Hardin 建议的F(e)=(2.973-e)<'2>/(1+e)对剪切波速进行归一,消除孔隙比的影响,则正常固结状态下归一化剪切波速与动强度呈良好的线性关系. 重塑样的剪切波速只受孔隙比e的影响,与土结构性无关,因此随着固结压力的增大而不断增大,并与动强度呈良好的线性关系. 对掺水泥试样的剪切波速同样采用上述F(e)表达式进行归一后,与试样动强度之间呈良好的线性关系,这表明对同种土样而言,只需对V<,s>采用F(e)进行归一,就可与相应的动强度呈良好的线性关系.若对掺水泥试样的剪切波速和动强度分别采F(e)和e进行归一,其值与原状样的剪切波速和动强度(未归一化值)呈良好的线性相关关系. 4.在循环三轴试验的基础上,提出了无偏移应力和有偏移应力情况下土体变形的本构模型 ,拟合值与测试结果吻合得较好.利用该模型结合2.5维有限元程序和分层总和法计算了交通循环荷载作用下软基的长期瞬时累积沉降,结果表明,交通荷载作用下路基下卧层软土地基的长期瞬时累积沉降随时间的增加而不断增大,但其增长速率会逐渐减小,直至稳定.软土地基的沉降随着交通荷载速度的提高而增大.软土地基的沉降主要分布在一定的深度范围以内,在该深度以下,沉降迅速变小.对软弱地基进行注浆加固,能有效降低交通荷载作用下软粘土地基的沉降. 最后,本文给出了结论和进一步研究的建议.

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1引言

1.2土结构性

1.2.1土结构性的概念

1.2.2土结构性研究历史

1.2.3粘性土的结构模型

1.3结构性软粘土的工程性质

1.3.1结构性软粘土的压缩特性

1.3.2结构性软粘土的固结特性和渗透特性

1.3.3结构性软粘土的三轴剪切特性

1.3.4循环荷载作用下软粘土的特性

1.3.5软粘土的结构性与剪切波速

1.4本文的研究目的及主要工作

1.4.1本文研究的目的与意义

1.4.2本文的主要工作

第2章压缩仪中弯曲元剪切波速测试装置的研制

2.1压电陶瓷弯曲元测试剪切波速的研究概况

2.2压电陶瓷弯曲元测试剪切波速的原理

2.3固结仪上安装弯曲元剪切波速测试装置

2.3.1测试装置的主要元件和仪器

2.3.2固结仪上弯曲元安装技术

2.4固结仪上弯曲元剪切波速测试方法及信号分析

2.4.1测试方法

2.4.2测试信号分析

2.5国际平行试验比较

2.6本章小结

第3章结构性软粘土压缩过程中剪切波速变化规律

3.1概述

3.2土样基本物理性质及试验方法

3.3重塑样与原状样的压缩试验结果分析

3.3.1结构性软粘土先期固结压力和结构屈服应力的确定

3.3.2萧山原状和重塑软粘土压缩特性对比

3.3.3影响结构性软粘土压缩特性的微观机理

3.4结构性软粘土压缩过程中剪切波速的变化规律

3.5本章小结

第4章原状软粘土在循环荷载作用下的变形特性

4.1概述

4.2试验方案及方法

4.2.1试验方案

4.2.2试验仪器

4.2.3试验土样及步骤

4.3循环荷载作用下的变形及破坏应变

4.3.1应变累积发展形态及新的应变破坏标准

4.3.2不同应变破坏标准下的动强度比较

4.3.3固结压力对原状样变形特性的影响

4.4循环荷载作用下的孔压

4.5循环荷载作用下的动强度

4.6应力释放对原状样动力特性的影响

4.6.1概述

4.6.2试验土样及方案

4.6.3试验结果及分析

4.7本章小结

第5章重塑软粘土在循环荷载作用下的变形特性

5.1概述

5.2试验方案

5.3相同初始孔隙比下重塑样的变形特性及与原状样的比较

5.3.1循环荷载作用下的应变

5.3.2循环荷载作用下的孔压

5.3.3循环荷载作用下的动强度

5.3.4机理分析

5.4不同初始孔隙比下重塑样的变形特性及比较

5.4.1初始孔隙比和土结构性对动应变的影响

5.4.2初始孔隙比和土结构性对动孔压的影响

5.4.3初始孔隙比和土结构性对动强度的影响

5.5本章小结

第6章掺水泥软粘土在循环荷载作用下的变形特性

6.1概述

6.2试样制备及试验方法

6.3循环荷载作用下掺水泥试样的特性

6.3.1掺水泥试样的动应变

6.3.2掺水泥试样的动孔压

6.3.3掺水泥试样的动强度

6.4掺水泥试样动强度随水泥掺量变化的回归分析

6.5三种土样的最小动强度与临界破坏应变

6.6本章小结

第7章土体剪切波速与动强度的关系

7.1概述

7.2原状样剪切波速与动强度的关系

7.3重塑样动强度与剪切波速关系

7.4掺水泥试样、原状样及重塑样的剪切波速与动强度之间的关系

7.4.1未归一化时剪切波速与动强度之间的关系

7.4.2归一化后剪切波速与动强度之间的关系

7.5剪切波速反映土结构性的机理分析

7.6本章小结

第8章循环荷载作用下软粘土不排水应变模型及其在沉降计算中的应用

8.1概述

8.2无偏移应力循环荷载作用下的不排水累积应变

8.2.1原状样和重塑样在变形达到εtp前的不排水累积应变

8.2.2掺水泥试样在变形达到εtp前的不排水累积应变

8.2.3三种试样在变形超过εtp后的的不排水累积应变

8.3有偏移应力循环荷载作用下的不排水累积应变

8.3.1试验结果介绍

8.3.2静偏应力作用下土样变形达到εtp前的不排水累积应变

8.3.3静偏应力作用下土样变形达到εtp后的不排水累积应变

8.4高速列车循环荷载引起的瞬态累积附加沉降计算

8.4.1工程实例及相关参数

8.4.2高速列车引起的路基动应力

8.4.3路基附加累积沉降计算及分析

8.5本章小结

第9章结论和建议

9.1结论

9.2进一步研究的建议

参考文献

附录：作者简历及发表论文

致谢