砂土液化实验原理及结果处理

土动力学试验报告 李建明 学号 2009632037

一 实验器材

三轴压缩试验装置，振动三轴仪（包括控制部分，加载部分），photocorder ，现场制备的试样等。 二 试验条件

1 土样选择为饱和土样，在自备土样过程不受扰动。

2 将地震随机变化的波形简化为等效的谐波作用，谐波等效幅值为最大峰值的0.65倍地震

方向按水平剪切波考虑，频率为1 HZ ，初相位为π。

3 动三轴实验中，用1σ和3σ表示土柱在静动条件下实际所受的应力状态。

4 振动三轴实验在不排水的条件下进行。 三 实验过程 1 制备试样

使空压管路充水排出空气，在试样底座套上乳胶膜筒，安上对开试膜，将乳胶膜翻大套在试膜壁上，形成一个符合试样尺寸要求的空腔，往里面加沙加水，保证试样饱和压实，最后将试样安装容器筒，通入100kpa 的测压，消除负压，试样制备工作结束。 2 施加静载荷

在试样的侧向和轴向按要求控制的应力状态施加一定的侧向压力和轴向压力，由于仪器火塞面积和式样面积相符，故侧压和轴压需独立施加，目的是砂土等压固结。过程通过水先对测压施加，后将轴压增至要求的数值。 3 施加动荷载，进行振动测试

施加动应力并记录实验结果，选择准备好施加的动荷波形，频幅的振动次数，其次将放大器，记录通道打开，随即开动动荷，并在记录仪上观察并记录实验结果。 四 实验原理

地震时，土层中土单元应力状态可看为如下图一所示的简化。地震荷载被看为由自下而上的剪切波引起的，是一种幅值，频率不断变化的不规则运动。当在振动三轴仪上模拟这种应力状态时，将不规则振动简化为等效常幅有限循环次数的振动，即在试件上模拟两种应力状态，有效覆盖压力引起的静应力0γσ和00K γσ地震均匀循环剪应力为h v τ。

（图一水平土层土单元应力状态）

试件本身应在密度，饱和度和结构等方面尽可能模拟现场土层的实际状况。除取原状土做实验外，在实验室内也须准备重塑试件。考虑地震过程时间短暂，地震产生的超孔压来不及消失，所以实验室在不排水条件下进行的试验。

为实现上述模拟，本实验采用不排水循环载荷三轴试验来实现上述模拟。假如在试件上

先施加各项均等固结压力

σ，后在垂直方向施加

2

d

σ

±循环载荷的同时，横向也施加

2

d

σ

的荷载，如下图二所示，试件45度斜面上的应力状态与图一相似，其初始法向应力为

σ，

初始剪应力为零，与地震前单元水平面承受的

γ

σ相当，双向循荷载

2

d

σ

作用并不该变45

度倾斜面上的法向应力

σ值，而只产生循环剪应力

2

d

d

σ

τ=，相当于图一中右图的受力情况，即图二中第（1）栏所示在三轴试验中为了模拟所要求的应力状态。

显然，双向振动三轴仪能方便地实现这种应力状态。而在饱和不排水情况下，单项振动的三轴试验通过空压修正也能获得同样的应力状态。此时，施加的应力状态如同图二中（4）

栏所示，只在垂直方向施加动荷载

d

σ

±，当轴向增加

d

σ时，设想各向均等压力减少

2

d

σ

，

所构成的等效应力状态恰好与所要求的相同；于此相似，轴向减少

d

σ时应当增加各向均等

压力

2

d

σ

，由于是饱和不排水的，各向均等压力的变化只能引起试件中空隙水压力的相应变化，对有效应力，也即对试件的强度和变形并无影响。换句话说，可以获得与双向振动三轴仪试验完全相同的强度和变形值。对单项振动三轴试验中的实测孔压值进行修正即可获得双

向振动时的相应孔压值，轴向加

d

σ时的修正值为

2

d

σ

，减

d

σ时修正值为

2

d

σ

-。但是，实

际上很少作这种修正，因人们关心的主要是强度和变形值。

不难看出，只是在三轴试件45度斜面上才大体模拟了现场应力状态。实际上还存在若干0

γ

σ

τ

γ

σ

重要的区别，例如现场土层静测压力系数0k 一般取0.4（随土的性质而变），最大和最小主应力方向分别为垂直和水平方向，振动时主应力方向的摆动不超过40度等，但在振动三轴试验中，试样的0k 等于1，主应力方向不断作90度变换。因此，在应用此试验结果于现场时，必须考虑这种差别而做相应的修正，此外，完全可以不拘泥于上述应力状态的模拟，而把单项振动液化试验只看做是在这种特定状态下的一种液化过程，进而着重研究这种液化过程与其他条件下液化过程的异同。

图二轴实验中土单元应力状态的模拟

五 数据处理

试验完毕后，对三组试验的资料进行整理和计算，最后以图和表的形式给出所要求的结果，试验结果记录如表一，由此可以确定

d τσ和循环次数f N ，后者是根据累积孔压等于初

始有效固结压力。

表一试验数据表

把三组试验结果汇集起来可以获得一组常规试验结果，如图三所示，绘出不同液化破坏标准下的液化应力比和循环次数之间的关系曲线。

图三液化应力比与循环次数之间的关系

六实验总结

基本符合希德根据若干材料获得的平均结果。说明施加的动荷载越大对应的循环次数越少，可以看出动荷载的大小与应力循环次数成反比关系。而施加的经荷载越大则对应的应力循环次数越大，即应力循环次数与固结应力成正比关系。