软土动态残余应力势模型及其工程应用.pdf

软土动态残余应力势模型及其工程应用① 陈学良1金星2’3陶夏新4 福州 (1中国地震局工程力学研究所哈尔滨 150080；2福建省地震局 350003； 3南京工业大学 南京210009；4哈尔滨工业大学哈尔滨 150008) 摘要 如何合理有效地刻画软土场地非线性地震响应已成为岩土工程中的重要课题之一。对循环荷载下 软土刚度退化、动强度降低及残余应变势的研究现状作了探讨，针对动三轴、动简剪、动扭剪试验研究 结果，提出了多项式形式的动态残余应力势模型，分别给出了等幅循环荷载的相对残余应力势及不规则 荷载的局部相对残余应力势的概念，并通过试验结果加以验证；阐述了残余应力势与残余应变势的密切 关系，以及残余应力势在不规则荷载作用下的应用规则；动态残余应力势模型在厦门白鹭洲软弱场地分 析中得以成功应用，其永久位移、应力应变动态范围、淤泥层隔振效应、竖向及剪切地震响应的差异等， 均符合人们对残余应力特性及非线性场地反应的认识，进一步说明了模型的合理性及实用性。 关键词 残余应力势；多项式：软土；工程应用 1前言 软弱粘土(如淤泥)以及欠固结松软砂土在地震作用过程中将导致刚度退化，产生动态残余 应力，其外观表现形式便是不断产生不可恢复的残余变形，最终导致震后土体强度降低并产生永 久变形，这对地基上的建筑物或构筑物本身非常不利，甚至造成其正常功能的丧失【¨。尤其在我 国的沿海、沿江等经济发达、人口稠密的地区，各类大型、新型工程结构、海洋工程结构不断兴 建，使得该研究倍受关注。因此，地震引起的软土动态残余应力特性、累积塑性位移及永久变形 机制是一项具有重要工程意义的课题。 由于其外观表现形式，人们往往首先从残余应变的角度分析残余变形，进而获得永久变形量。 九(2004)【4】等针对等幅循环荷载试验的残余应变与荷载幅值、循环次数、固结应力、固结比、 或反映应力历史的时间因数等之间的对应关系，提出或完善了多种软土动态残余应变势模型。沈 珠江(1980)15】提出的砂土变形平均过程理论中，引入了动应力协同度及不均匀度的概念，改进 了残余体应变及残余剪应变经验公式。在土体动力本构关系中，应力与应变(或以恢复力与变形 表示)是相互影响、互为因果的两个重要参量。因此，从软土动态残余应力的角度入手，建立反 映累积塑性应力的动态残余应力势模型未尝不是一种途径。且大量土工实验(Finn，1989)表 明【6】，残余应力与残余应变之间确实存在某种必然联系。同时，提高试验方案的精度是一个至关 重要的问题，多种试验方案相互补充和检验的方式值得推荐。故本文直接从力学角度来分析土体 ①基金项目：地震科学联合基金青年课题(No．604036) -·-——370·。-—— 动力应力一应变关系的变化状况，寻求残余应力势的变化规律并期望在不规则荷载作用过程中得以 应用，这将有益于震后强度及土动力特性的认识。 2残余应力势的试验研究 人们很早就从大量的动简剪实验、动扭剪及动三轴实验中发现了软土中残余应力的存在。 次数的关系曲线(图1)，并将它与残余应力联系起来。由于反映实际工程土工条件的残余应力获 得较为严格，例如常规的动三轴试验(不排水或排水试验)中，由于孔隙水压力及有效平均主应 力的影响，使得试样拉伸区和压缩区的应力应变滞回圈产生明显的不对称，而这一现象主要限于 试验条件而并非反映实际的土性。采用常规动简剪仪、循环扭剪仪，或者高精度先进动三轴仪如 GDS动三轴就可以使这种不对称有很大的改善。因此，到目前为止，直接分析软土残余应力变化 规律的研究并不多见。 土类不同密实度的结果。图3是等剪应力幅值下土体剪应变在不断增大，而图2是等剪应变幅值 条件下土体的剪应力在不断减小，产生了不能恢复到先前状态的残余剪应力，它们均是由于土体 刚度(模量)的退化所造成的。图4和图5分别是动扭剪仪及先进动三轴仪的试验结果【71，图中 均给出了剪应力和剪应变随时间的变化关系，考虑到工程实际条件(不排水)以及橡皮膜的微小 渗漏、孔隙压力在试样中的传递速度以及操作工艺等因素，都可使动孔压的测量误差较大，故本 文仅考虑动剪应力及动剪应变之间的关系。下面将针对这些试验结果，提出相应的残余应力势模 型，并分析其相关参数。 E、，ALU删ON0FCYCLI