海口擾動紅粘土動破壞準則分析

駱俊暉，李光范

（海南大學土木建筑工程學院，海南海口 570228）

海口擾動紅粘土動破壞準則分析

駱俊暉，李光范

（海南大學土木建筑工程學院，海南海口 570228）

通過選用不同的動力破壞準則來分析海口紅粘土的動力特性.提出了一些裝樣時的改進方法，介紹了動三軸試驗操作過程.對不同破壞準則理論的分析結果進行比較，認為用極限平衡法比較保守，而應變5%破壞準則的方法較為穩定和簡便.由《地基動力特性測試規范》計算出海口市相應的等效破壞振次，并用擬合的方法求得海口紅粘土的動強度參數.

剪切強度;動力特性;破壞準則

中國位于世界兩大地震活動帶之間，是地震災害最為嚴重的國家之一.海南省省會海口市，抗震設防烈度為8度，該城所設計的基本水平地震加速度值為0.30 g，這在全國省會城市中是最高的.地震時，欲對建筑物地基進行動力分析，需要室內土動力試驗所提供的土體詳細資料.室內動力試驗中常以地震波的等幅周期的短期循環荷載來模擬地震.由于目前還很難檢索到有關海口紅粘土動力特性的文獻，為此，筆者利用海口紅粘土進行了一系列的動三軸試驗，對海口紅粘土的動力特性進行了試驗比較和分析.

土的抗剪強度是土力學的重要課題之一，動強度可定義為一定振次N下，使土體達到某一破壞準則所需要的動應力幅值［1－2］.動強度的首要問題是破壞準則的選定，不同破壞準則會有不同的界限變形和界限孔壓，從而決定了動變形、動孔壓的研究.

破壞準則有孔壓和變形兩類，孔壓準則有極限平衡準則［3］和液化準則［4］;變形準則有規范準則［5］（根據實際工程選用5%，10%）及沈珠江的砌體模型破壞準則［6］，而本文主要討論不同破壞準則下的土動力特性.

1 裝樣過程及改進方法

所取擾動土（海口紅粘土）的含水量為29%～36%，其物性指標見表1.

表1 海口紅粘土物性指標

先制作與取土時一樣的擾動土（天然含水量）.

試驗對試樣的飽和度要求較高，可依次采用抽氣飽和、二氧化碳飽和以及用三軸儀通水進行反壓力飽和.但進行抽氣飽和時，土樣在水中浸泡時間較長將會導致裝樣困難，因此，筆者對裝樣方法進行了一些改進.

按常規步驟，將配制好的擾動土用制樣器進行制樣，此后，將已制備好的土樣放入飽和器里抽氣飽和，然后再用承膜筒套上乳膠套進行裝樣，此時土樣已在飽和器中浸泡比較久，土的飽和度將比較高，土體很容易坍塌或形成略鼓狀，無法保證裝好樣.本次試驗中改進為:使用制樣器進行土樣制樣后，直接推入裝有乳膠套的對開模（用于裝砂樣的器具）里，然后在封閉好的對開模里放入濾紙和透水石，代替飽和器進行抽氣飽和.裝樣時，對開模左右打開，代替了承模筒往上拔出的方式，可避免由于往上抽拔而使土樣坍塌或成鼓狀變形.

2 動三軸試驗

2.1 試驗設備 使用GEOCOMP公司的LoadTracⅡ型三軸儀，能在靜載、循環荷載作用下進行三軸試驗.

2.2 試驗過程 動三軸試驗是在CU（固結不排水）條件下進行的.預壓、飽和、固結過程和靜三軸的操作是一樣的，只是加載不同，具體操作過程如下:

飽和:將原狀土開樣，做成三軸試驗土樣后，用25 kPa的圍壓來進行預壓，此后，依次先進行室外抽氣飽和，再通入二氧化碳對試樣飽和，最后用三軸儀通水進行反壓力飽和.

固結:試樣進行等壓固結.依次輸入50，100，200，300 kPa進行固結.圖1所示為固結過程，Test Data為固結線，是在體積－時間平方根坐標下的曲線，而兩根豎線分別是主固結線和次固結線.通過試驗軟件來計算土樣的體積變形，以確定固結所需時間.當試樣達到完全固結時，會出現一條垂直于時間坐標的豎線，從而確定主固結的時間.第2條豎線則用于確定次固結的時間（本試驗不考慮次固結）.

加載:加載時，選用使土樣軸向應變達到5%破壞時，在振次為幾次、幾十、幾百3種情況下分別對對應的荷載進行加載.加載時輸入不同的CSR來控制動應力:，其中σd為動應力.

圖1 固結過程

3 不同破壞準則及比較

3.1 循環荷載下土的強度準則 循環荷載作用下土的動強度破壞準則如下:

1）汪聞韶［7］對飽和土（砂土和壤土）的動三軸試驗結果進行分析，認為極限平衡理論可以建議作為評定飽和砂土（及非靈敏性壤土）破壞的準則，它比規定應變值法似具有更明確的物理概念.筆者在文中嘗試用于分析海口擾動紅粘土動三軸試驗.該準則根據控制應力條件不同，將試件分為拉伸破壞與壓縮破壞兩種情況.

情況Ⅰ拉伸破壞時

極限平衡公式為

臨界孔隙水壓增量為

情況Ⅱ壓縮破壞時

極限平衡公式為

臨界孔隙水壓增量為

2）規范法 規定動強度試驗參數是:固結過程為均壓固結時取雙幅應變5%，偏壓固結時取總應變為10%.本試驗的固結過程采用均壓固結，取應變值5%為規范法的破壞準則.

3）沈珠江［6］用一個模型，3個理論和4個分支來概括現代土力學，其中，模型指本構模型，特別是結構性模型，它是現代土力學的核心問題.土的結構性是指土體顆粒、孔隙的性狀和排列形式及顆粒之間的相互作用.擾動土也具有其結構性，但原狀土比擾動土的結構性強，成因不同的原狀土結構性也有較大的差異.沈珠江提出一種堆砌體模型理論，用以描述這種結構破壞現象.結構性粘土堆砌體模型的理論基礎是結構性軟粘土變形發展規律與其結構變化有關.循環荷載作用下，薄弱處先發生破損，荷載的持續作用使小土塊逐漸破裂成更小的土塊，并最終導致土體結構的嚴重破壞，使土體產生較大變形.土體結構的變化伴隨著應變的發展，應變曲線上轉折點的出現標志著土體結構即將出現坍塌性破壞，故以轉折點處的應變值作為土體破壞的取值準則.

國內學者［8］以此破壞準則來分析蕭山軟粘土動三軸試驗的數據，圖2為軸向應變－振次曲線，頻率與超固結比的數值均為1，有效圍壓為25 kPa，所示不同動應力下的4條曲線，虛線為應變轉折點的連線.

3.2 不同破壞準則的比較 以圍壓50 kPa的循環荷載試驗為例，結果分析如下:

圖3所示為3種破壞準則下的應變－振次曲線.由式6取用極限平_衡法計算，取CD試驗得到的有效應力強度指標，;取初始孔隙水壓力u0，可求得臨界孔隙水壓力所對應的軸向應變值.可以看出，極限平衡法較為保守，大約在軸向應變為2%時就發生了.

用砌體模型分析，軸向應變－振次圖的轉折點位置可以通過求各曲線的切線找到.可以看出，轉折點大致在一條直線上，在變形中轉折點應變隨著動應力幅值的增大而較早出現.

圖2 蕭山擾動軟粘土應力－振次圖

圖3 不同破壞準則下的應變－振次曲線

圖4 破壞動剪應力與振次關系圖

圍壓為50 kPa下的動三軸試驗，3種不同破壞準則中應變5%規范法較為穩定，方法較簡易.

4 動強度參數

將試驗數據通過一次線性擬合可以得到各點的擬合直線方程:y=a+bx，其中a，b，R（相關系數）參數如表2所示.

表2 擬合直線方程參數表

影響土強度的因素很多，可以分為兩類.一類是土本身的因素，如土的組成、狀態和結構.另一類是外部因素，主要包括應力狀態（圍壓、中主應力）、應力歷史、主應力方向、加載速率及排水條件.

由圖4中可以看出，圍壓越高，破壞動剪應力越大，而且不同圍壓動三軸試驗各點擬合的直線趨于平行.

《地基動力特性測試規范》中提出了等效破壞振次，根據我國地震部門推廣的公式可以求得在不同震級下的等效破壞振次

式中，M為震級，I0為震中烈度（海口的設防烈度為8度）.

M=0.68×8+0.98=6.42，查表可得海口地區等效破壞振次為8次，見表3.

表3 震級、等效破壞振次關系

在圖4中的曲線上獲得振次等于8時所對應破壞動剪應力，做出莫爾圓，得到動強度Cc≈15 kPa，φc≈26°.由于所取紅粘土中有砂礫夾層，故所求得的內摩擦較大.

5 結 論

1）筆者在試驗時對一些操作進行了新的嘗試，將土樣直接從制樣器推入對開模可以有效地減小由于抽拔使得土樣坍塌或呈鼓狀，但是若土樣太干，含水量不高，在推入過程中的摩擦力較大，會擾動土樣，所以此方法適合含水量較高的土樣.

2）在進行不同破壞準則的討論時，發現極限平衡法在分析粘土時，相對于規范法較為保守，而變形中轉折點應變隨著動應力幅值增大而出現得較早，并且基本能連成一條直線.規范法取值較穩定，而且方法簡便，但經濟如何有待考慮.

3）用極限平衡法分析粘土不如用此法分析砂明顯，且應變較小，因此該準則更適用于分析砂.顯然轉折點不太穩定，但是連線都在一條直線上，便于從理論上進行歸一化分析.規范法更適合于工程中分析粘土的動強度.

［1］李廣信.高等土力學［M］.北京:清華大學出版社，2004.

［2］龔曉南.高等土力學［M］.杭州:浙江大學出版社，1996.

［3］汪聞韶.土的動力強度和液化特性［M］.北京:中國電力出版社，1997.

［4］張茹.室內土動力測試研究進展［J］.水利水電科技進展，2005（4）:62－66.

［5］建筑抗震設計規范GB50011－2008［M］.北京:中國建筑工業出版社，2008:21－30.

［6］沈珠江.理論土力學［M］.北京:中國水利水電出版社，1999.

［7］汪聞韶.往返荷載下飽和砂土的強度、液化和破壞問題［J］.水利學報，1980（1）:14－27.

［8］陳穎平，黃博，陳云敏.循環荷載作用下結構性軟粘土的變形和強度特性［J］.巖土工程學報，2005（9）:1065－1071.

Analysis of Dynamic Failure Criteria: Case of the disturb Haikou red clay

LUO Jun-hui，LI Guang-fan

（College of Civil Engineering and Architecture，Hainan University，Haikou 570228，China）

In this paper，the different dynamics failure criteria were performed to analyze the dynamic characteristics of Haikou red clay.Some sample loading improvement methods were put forward，and the dynamic triaxial test operation process were introduced.The results of different failure criteria analysis were compared，and it was concluded that the limit equilibrium method was relatively conservative，and the method of 5%failure criteria strain was relatively stable and simple.Foundation Dynamic Test Standard were used to obtain corresponding equivalent damaging vibration times of Haikou，and the fitting methods were used to obtain the red clay dynamic strength parameters of Haikou.

shear strength;dynamic characteristics;failure criteria

TU 532.8

A

1004－1729（2012）01－0054－04

2011－03－29

海南大學青年基金項目（qnjj1021）

駱俊暉（1985－），男，福建三明人，海南大學土木建筑工程學院2009級碩士研究生.

李光范，男，海南大學土木建筑工程學院教授，博士.