海口扰动红粘土动破坏准则分析

骆俊晖，李光范

（海南大学土木建筑工程学院，海南海口 570228）

海口扰动红粘土动破坏准则分析

骆俊晖，李光范

（海南大学土木建筑工程学院，海南海口 570228）

通过选用不同的动力破坏准则来分析海口红粘土的动力特性.提出了一些装样时的改进方法，介绍了动三轴试验操作过程.对不同破坏准则理论的分析结果进行比较，认为用极限平衡法比较保守，而应变5%破坏准则的方法较为稳定和简便.由《地基动力特性测试规范》计算出海口市相应的等效破坏振次，并用拟合的方法求得海口红粘土的动强度参数.

剪切强度;动力特性;破坏准则

中国位于世界两大地震活动带之间，是地震灾害最为严重的国家之一.海南省省会海口市，抗震设防烈度为8度，该城所设计的基本水平地震加速度值为0.30 g，这在全国省会城市中是最高的.地震时，欲对建筑物地基进行动力分析，需要室内土动力试验所提供的土体详细资料.室内动力试验中常以地震波的等幅周期的短期循环荷载来模拟地震.由于目前还很难检索到有关海口红粘土动力特性的文献，为此，笔者利用海口红粘土进行了一系列的动三轴试验，对海口红粘土的动力特性进行了试验比较和分析.

土的抗剪强度是土力学的重要课题之一，动强度可定义为一定振次N下，使土体达到某一破坏准则所需要的动应力幅值［1－2］.动强度的首要问题是破坏准则的选定，不同破坏准则会有不同的界限变形和界限孔压，从而决定了动变形、动孔压的研究.

破坏准则有孔压和变形两类，孔压准则有极限平衡准则［3］和液化准则［4］;变形准则有规范准则［5］（根据实际工程选用5%，10%）及沈珠江的砌体模型破坏准则［6］，而本文主要讨论不同破坏准则下的土动力特性.

1 装样过程及改进方法

所取扰动土（海口红粘土）的含水量为29%～36%，其物性指标见表1.

表1 海口红粘土物性指标

先制作与取土时一样的扰动土（天然含水量）.

试验对试样的饱和度要求较高，可依次采用抽气饱和、二氧化碳饱和以及用三轴仪通水进行反压力饱和.但进行抽气饱和时，土样在水中浸泡时间较长将会导致装样困难，因此，笔者对装样方法进行了一些改进.

按常规步骤，将配制好的扰动土用制样器进行制样，此后，将已制备好的土样放入饱和器里抽气饱和，然后再用承膜筒套上乳胶套进行装样，此时土样已在饱和器中浸泡比较久，土的饱和度将比较高，土体很容易坍塌或形成略鼓状，无法保证装好样.本次试验中改进为:使用制样器进行土样制样后，直接推入装有乳胶套的对开模（用于装砂样的器具）里，然后在封闭好的对开模里放入滤纸和透水石，代替饱和器进行抽气饱和.装样时，对开模左右打开，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样坍塌或成鼓状变形.

2 动三轴试验

2.1 试验设备 使用GEOCOMP公司的LoadTracⅡ型三轴仪，能在静载、循环荷载作用下进行三轴试验.

2.2 试验过程 动三轴试验是在CU（固结不排水）条件下进行的.预压、饱和、固结过程和静三轴的操作是一样的，只是加载不同，具体操作过程如下:

饱和:将原状土开样，做成三轴试验土样后，用25 kPa的围压来进行预压，此后，依次先进行室外抽气饱和，再通入二氧化碳对试样饱和，最后用三轴仪通水进行反压力饱和.

固结:试样进行等压固结.依次输入50，100，200，300 kPa进行固结.图1所示为固结过程，Test Data为固结线，是在体积－时间平方根坐标下的曲线，而两根竖线分别是主固结线和次固结线.通过试验软件来计算土样的体积变形，以确定固结所需时间.当试样达到完全固结时，会出现一条垂直于时间坐标的竖线，从而确定主固结的时间.第2条竖线则用于确定次固结的时间（本试验不考虑次固结）.

加载:加载时，选用使土样轴向应变达到5%破坏时，在振次为几次、几十、几百3种情况下分别对对应的荷载进行加载.加载时输入不同的CSR来控制动应力:，其中σd为动应力.

图1 固结过程

3 不同破坏准则及比较

3.1 循环荷载下土的强度准则 循环荷载作用下土的动强度破坏准则如下:

1）汪闻韶［7］对饱和土（砂土和壤土）的动三轴试验结果进行分析，认为极限平衡理论可以建议作为评定饱和砂土（及非灵敏性壤土）破坏的准则，它比规定应变值法似具有更明确的物理概念.笔者在文中尝试用于分析海口扰动红粘土动三轴试验.该准则根据控制应力条件不同，将试件分为拉伸破坏与压缩破坏两种情况.

情况Ⅰ拉伸破坏时

极限平衡公式为

临界孔隙水压增量为

情况Ⅱ压缩破坏时

极限平衡公式为

临界孔隙水压增量为

2）规范法 规定动强度试验参数是:固结过程为均压固结时取双幅应变5%，偏压固结时取总应变为10%.本试验的固结过程采用均压固结，取应变值5%为规范法的破坏准则.

3）沈珠江［6］用一个模型，3个理论和4个分支来概括现代土力学，其中，模型指本构模型，特别是结构性模型，它是现代土力学的核心问题.土的结构性是指土体颗粒、孔隙的性状和排列形式及颗粒之间的相互作用.扰动土也具有其结构性，但原状土比扰动土的结构性强，成因不同的原状土结构性也有较大的差异.沈珠江提出一种堆砌体模型理论，用以描述这种结构破坏现象.结构性粘土堆砌体模型的理论基础是结构性软粘土变形发展规律与其结构变化有关.循环荷载作用下，薄弱处先发生破损，荷载的持续作用使小土块逐渐破裂成更小的土块，并最终导致土体结构的严重破坏，使土体产生较大变形.土体结构的变化伴随着应变的发展，应变曲线上转折点的出现标志着土体结构即将出现坍塌性破坏，故以转折点处的应变值作为土体破坏的取值准则.

国内学者［8］以此破坏准则来分析萧山软粘土动三轴试验的数据，图2为轴向应变－振次曲线，频率与超固结比的数值均为1，有效围压为25 kPa，所示不同动应力下的4条曲线，虚线为应变转折点的连线.

3.2 不同破坏准则的比较 以围压50 kPa的循环荷载试验为例，结果分析如下:

图3所示为3种破坏准则下的应变－振次曲线.由式6取用极限平_衡法计算，取CD试验得到的有效应力强度指标，;取初始孔隙水压力u0，可求得临界孔隙水压力所对应的轴向应变值.可以看出，极限平衡法较为保守，大约在轴向应变为2%时就发生了.

用砌体模型分析，轴向应变－振次图的转折点位置可以通过求各曲线的切线找到.可以看出，转折点大致在一条直线上，在变形中转折点应变随着动应力幅值的增大而较早出现.

图2 萧山扰动软粘土应力－振次图

图3 不同破坏准则下的应变－振次曲线

图4 破坏动剪应力与振次关系图

围压为50 kPa下的动三轴试验，3种不同破坏准则中应变5%规范法较为稳定，方法较简易.

4 动强度参数

将试验数据通过一次线性拟合可以得到各点的拟合直线方程:y=a+bx，其中a，b，R（相关系数）参数如表2所示.

表2 拟合直线方程参数表

影响土强度的因素很多，可以分为两类.一类是土本身的因素，如土的组成、状态和结构.另一类是外部因素，主要包括应力状态（围压、中主应力）、应力历史、主应力方向、加载速率及排水条件.

由图4中可以看出，围压越高，破坏动剪应力越大，而且不同围压动三轴试验各点拟合的直线趋于平行.

《地基动力特性测试规范》中提出了等效破坏振次，根据我国地震部门推广的公式可以求得在不同震级下的等效破坏振次

式中，M为震级，I0为震中烈度（海口的设防烈度为8度）.

M=0.68×8+0.98=6.42，查表可得海口地区等效破坏振次为8次，见表3.

表3 震级、等效破坏振次关系

在图4中的曲线上获得振次等于8时所对应破坏动剪应力，做出莫尔圆，得到动强度Cc≈15 kPa，φc≈26°.由于所取红粘土中有砂砾夹层，故所求得的内摩擦较大.

5 结 论

1）笔者在试验时对一些操作进行了新的尝试，将土样直接从制样器推入对开模可以有效地减小由于抽拔使得土样坍塌或呈鼓状，但是若土样太干，含水量不高，在推入过程中的摩擦力较大，会扰动土样，所以此方法适合含水量较高的土样.

2）在进行不同破坏准则的讨论时，发现极限平衡法在分析粘土时，相对于规范法较为保守，而变形中转折点应变随着动应力幅值增大而出现得较早，并且基本能连成一条直线.规范法取值较稳定，而且方法简便，但经济如何有待考虑.

3）用极限平衡法分析粘土不如用此法分析砂明显，且应变较小，因此该准则更适用于分析砂.显然转折点不太稳定，但是连线都在一条直线上，便于从理论上进行归一化分析.规范法更适合于工程中分析粘土的动强度.

［1］李广信.高等土力学［M］.北京:清华大学出版社，2004.

［2］龚晓南.高等土力学［M］.杭州:浙江大学出版社，1996.

［3］汪闻韶.土的动力强度和液化特性［M］.北京:中国电力出版社，1997.

［4］张茹.室内土动力测试研究进展［J］.水利水电科技进展，2005（4）:62－66.

［5］建筑抗震设计规范GB50011－2008［M］.北京:中国建筑工业出版社，2008:21－30.

［6］沈珠江.理论土力学［M］.北京:中国水利水电出版社，1999.

［7］汪闻韶.往返荷载下饱和砂土的强度、液化和破坏问题［J］.水利学报，1980（1）:14－27.

［8］陈颖平，黄博，陈云敏.循环荷载作用下结构性软粘土的变形和强度特性［J］.岩土工程学报，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

海南大学青年基金项目（qnjj1021）

骆俊晖（1985－），男，福建三明人，海南大学土木建筑工程学院2009级硕士研究生.

李光范，男，海南大学土木建筑工程学院教授，博士.