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随着高速铁路、城市轨道等交通设施、高层建筑、机场跑道等基础设施的大量兴建,建成后必定对地基作用长期循环荷载,研究土体在循环荷载作用下的力学和变形特性显得尤为重要。以往研究主要集中在一种波形作用下的循环荷载,但实际上地基所受的循环荷载可等效成多种循环波形。例如,交通荷载对软土地基的循环作用可等效成三角形波或正弦波,储存石油燃料等的油罐和水库液面的循环升降对软土地基可等效成方形波。因此,本文以天津地区软土为对象,研究其在方形波、三角形波和正弦波作用下,考虑动载幅值、振动频率、循环周次,初始静偏应力等因素对饱和软土动力特性的影响。天然粘土普遍具有结构性,结构性的存在使得粘土具有复杂的物理力学特性,原状土在外部荷载作用下必然发生向重塑土转变,该转变阶段称为结构损伤。
本文研究了饱和软土在循环荷载作用下的动态损伤过程,通过共振柱试验和先动后静试验,分别得出软土结构损伤过程中刚度和强度衰减规律,并对其关联性进行分析,得出了有意义的结论。除此外,本文还比较了湛江地区软土与天津软土两种结构性土的力学性质,通过对两种地区软土进行冲击荷载试验模拟爆破挤淤处理软基的方法。主要内容包括:⑴通过开展相关室内试验评价了天津软土的基本物理力学性质,认为天津软土属中等结构性土,测出结构强度。对软土进行三轴剪切试验,分析结构性对静强度的影响,采用Duncan-Chang模型拟合应力-应变曲线得到静强度参数,对于应变软化型曲线分两段拟合。⑵在方形波、三角形波和正弦波作用下,考虑动载幅值、振动频率、循环周次对软土动力响应的影响,结果表明软土在循环荷载作用下存在一个临界动应力值,其大小与软土本身有关,与外界加载的波形无关;分析了累积塑性应变随循环周次的变化规律,建立满足要求的累积应变增长模型;另外,软土在循环荷载作用下也存在一个临界频率。通过分析软土在三种波形作用下刚度衰减规律,得到当动载幅值大于临界动应力时,方形波作用下软土刚度衰减最为剧烈。单独考虑在三角形波作用下,在有、无静偏应力情况下分别得到软土的动强度,分析了动强度参数的变化规律。⑶为了研究软土结构性在动载作用下的损伤过程,对处在不同损伤阶段的软土进行共振柱试验和先动后静试验。共振柱试验得到的刚度(Gmax)衰减规律与先动后静试验得到的强度(Su)衰减规律具有一致性,均在衰减过程中发生转折,衰减速率由快变慢。通过对刚度与强度关联性分析得到刚度的衰减程度大于强度的衰减程度,刚度与强度的比值(Gmax/Su)与累积塑性应变呈线性关系。⑷比较湛江软土与天津软土的基本物理力学性质指标,认为湛江地区软土属强结构性土,其结构强度远高于天津软土的结构强度。采用冲击荷载试验模拟爆破挤淤处理软土地基情况,结果表明若要求达到同等的处理效果,湛江软土需要的力是天津软土的两倍,这直接解释了湛江软土难以进行爆破挤淤处理地基。⑸根据软土在循环荷载作用下的动应力-动应变曲线所具有的三个特点:非线性、滞后性及累积性,对Iwan串联模型进行修正,提出了考虑上述三个特点的修正的Iwan模型,对比试验结果与模型计算结果发现,所建立的模型与实测值基本吻合。