復(fù)雜應(yīng)力條件下飽和重塑黏土動力特性試驗(yàn)研究.pdf

1、隨著海上能源的開發(fā)，海洋工程的數(shù)量和規(guī)模都在迅速發(fā)展，因此探索波浪荷載作用下海床的動力特性引起了研究者的極大興趣。波浪荷載在海床中所產(chǎn)生的循環(huán)應(yīng)力的主要特點(diǎn)之一是正應(yīng)力偏差與剪應(yīng)力所形成的循環(huán)偏應(yīng)力的幅值不變而主應(yīng)力軸方向發(fā)生了連續(xù)旋轉(zhuǎn)。另外，海洋建筑物下地基內(nèi)各個部位土單元的應(yīng)力狀態(tài)是各不相同的，沿著某一潛在滑動面，各點(diǎn)的初始主應(yīng)力方向隨其位置而改變。迄今，人們在研究海洋土體在主應(yīng)力軸連續(xù)旋轉(zhuǎn)條件下的變形與強(qiáng)度特性時，大多數(shù)都是采用的

2、重塑砂土進(jìn)行試驗(yàn)，成果也較多。然而在我國沿海地區(qū)海洋建筑物下覆地基表層土大都為數(shù)米厚的軟黏土覆蓋層，但飽和黏土在波浪作用下的動力特性及其強(qiáng)度的研究目前相對較少。作為海床與海洋建筑物地基穩(wěn)定性評價中的一個基本而重要的問題，探討復(fù)雜應(yīng)力條件下飽和黏土的變形與強(qiáng)度特性，對于指導(dǎo)波浪荷載作用下飽和黏土海域海床穩(wěn)定性分析，以及實(shí)際工程的設(shè)計(jì)和施工，具有重要的理論價值和實(shí)際工程意義。因此，為配合海洋工程設(shè)計(jì)與建設(shè)，必須進(jìn)行黏土在復(fù)雜應(yīng)力條件下的循環(huán)

3、特性試驗(yàn)研究，發(fā)展海洋土動力學(xué)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)與分析理論。 國內(nèi)外學(xué)者已對飽和黏土的動力特性進(jìn)行了一定的研究，但由于試驗(yàn)條件的限制，一般采用常規(guī)動三軸試驗(yàn)儀和常規(guī)動扭剪儀進(jìn)行試驗(yàn)，不能考慮主應(yīng)力方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)的影響，無法很好地模擬波浪荷載作用下飽和黏土的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)?；趯Σɡ撕奢d作用下飽和黏土動力特性研究的重要意義及其研究現(xiàn)狀，本文利用土工靜力—動力液壓三軸—扭轉(zhuǎn)多功能剪切儀，模擬海洋地基土單元的實(shí)際受力條件，對飽和重塑黏土的動模量與

4、阻尼比，主應(yīng)力軸連續(xù)旋轉(zhuǎn)條件下的豎向—扭向循環(huán)耦合剪切特性進(jìn)行了較為深入而系統(tǒng)的研究。全文主要包括以下幾方面內(nèi)容： (1)因現(xiàn)場取樣費(fèi)用高，地基土的空間變異度大，難以保證所獲取土樣的數(shù)量和均勻性，分析波浪、交通荷載等作用下土體參數(shù)的變化規(guī)律和系統(tǒng)探索土的基本規(guī)律性十分困難。因此在難以獲得原狀土樣而又需要系統(tǒng)地探討土樣動力特性時，一定程度上是依靠室內(nèi)制備重塑土來完成試驗(yàn)的。本文采用改進(jìn)的真空抽吸法制備成批性質(zhì)均一的黏土試樣，作為土

5、工試驗(yàn)所需的樣品，這樣既消除了土樣的不均勻性，又保證了不同應(yīng)力歷史和不同類型試驗(yàn)之間的合理比較。改進(jìn)的黏土制樣方法具有操作簡便、制樣時間短，所制備試樣成分均一、飽和度高，且易于切削制備圓柱或空心圓柱試樣等優(yōu)點(diǎn)。同時在較短時間內(nèi)能以較低的成本獲取大量試驗(yàn)土樣，在室內(nèi)對黏土進(jìn)行試驗(yàn)特性的研究中可以采用。 (2)采用單個試樣在不同圍壓下多次固結(jié)(包括加卸壓)的動扭剪方法來獲取最大剪切模量和阻尼比等動力特性參數(shù)，并將這種方法獲得的動剪切

6、模量和阻尼比與采用多個試樣的常規(guī)方法獲得的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，探討了兩種試驗(yàn)方法獲得的動剪切模量和阻尼比的主要差別，驗(yàn)證了這種簡化方法的可靠性。單個試樣的試驗(yàn)方法具有試驗(yàn)結(jié)果離散性較小，可以減小由于試驗(yàn)操作、試樣均勻性等因素對試驗(yàn)結(jié)果分析的影響，節(jié)省取樣數(shù)量并減少裝樣、拆樣的工作量等優(yōu)點(diǎn)。并且探討了模擬波浪荷載等主應(yīng)力軸連續(xù)旋轉(zhuǎn)條件下飽和黏土的動模量和阻尼比的變化規(guī)律，建立了動模量和阻尼比的計(jì)算模式。 (3)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬主應(yīng)力

7、軸連續(xù)旋轉(zhuǎn)的重塑飽和黏土試驗(yàn)，對評價海床在波浪荷載作用下的穩(wěn)定性，無疑具有重大的意義。因此針對飽和黏土開展了應(yīng)力控制的雙向耦合循環(huán)試驗(yàn)研究，詳細(xì)研究了飽和黏土在主應(yīng)力軸連續(xù)旋轉(zhuǎn)條件下的動強(qiáng)度、孔壓、變形、廣義臨界循環(huán)應(yīng)力比、應(yīng)力洛德參數(shù)等特性?；谠囼?yàn)結(jié)果探討了不同剪應(yīng)力幅值水平、振動波形、超固結(jié)比、振動頻率等試驗(yàn)因素對土體性狀的影響。評估黏土在波浪等主應(yīng)力軸連續(xù)旋轉(zhuǎn)條件下的動強(qiáng)度時，本文建議的綜合應(yīng)變式同時考慮了水平向剪切變形和軸向變

8、形的共同效應(yīng)，又反映了平均殘余變形和循環(huán)變形的影響，可以作為主應(yīng)力軸連續(xù)旋轉(zhuǎn)的耦合循環(huán)剪切試驗(yàn)的破壞標(biāo)準(zhǔn)。由于黏性土在耦合循環(huán)荷載作用下孔隙水壓力的量測存在著滯后現(xiàn)象，導(dǎo)致黏土土樣的孔壓在軸向和徑向形成梯度，而且受到試驗(yàn)儀器本身的限制，孔壓傳感器安裝在土樣底部，測量到的孔壓與土樣中的實(shí)際孔壓有一定的差距。為更好地反映軸向—扭轉(zhuǎn)雙向循環(huán)耦合作用下黏土的孔壓，本文采用循環(huán)荷載停止后，將振動破壞的土樣靜置繼續(xù)量測孔壓，直到其達(dá)到一個穩(wěn)定的最高

9、值并記錄下來，作為動載后黏土的孔隙水壓力值。試驗(yàn)結(jié)果表明循環(huán)荷載停止后，試樣的孔壓在達(dá)到穩(wěn)定前還會有較大的增加，采用循環(huán)荷載停止后靜置繼續(xù)采集孔壓的方法可以更好的反映黏土的孔壓發(fā)展規(guī)律。 (4)針對飽和黏土在均等固結(jié)不排水條件下進(jìn)行了應(yīng)力控制的主應(yīng)力方向交替變化和主應(yīng)力方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)的不同應(yīng)力模式下的循環(huán)剪切試驗(yàn)，通過對比探討了模擬波浪荷載的不同應(yīng)力模式對飽和黏土剪切特性的影響。研究表明：不同應(yīng)力模式下的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線具有顯著

10、的不同，滯回曲線在循環(huán)初期均比較致密，隨著循環(huán)次數(shù)的增加漸漸疏松，割線模量不斷衰減；中主應(yīng)力系數(shù)和應(yīng)力洛德參數(shù)分別在主應(yīng)力方向交替變化和主應(yīng)力方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)變化的不同應(yīng)力模式下變化規(guī)律也不同；主應(yīng)力方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)的應(yīng)力模式中，動剪切分量大的橢圓應(yīng)力模式的動強(qiáng)度略小于動正向偏差分量大的橢圓應(yīng)力模式的動強(qiáng)度。 (5)針對飽和黏土進(jìn)行了不同初始主應(yīng)力方向角的單調(diào)扭剪試驗(yàn)，主要研究了不同初始主應(yīng)力方向?qū)握{(diào)剪切強(qiáng)度、軸向應(yīng)變、剪切過程中主應(yīng)