多向振动下砂土动力特性的试验与机理探究.docxVIP

多向振动下砂土动力特性的试验与机理探究

一、引言

1.1研究背景与意义

在岩土工程领域，砂土作为一种常见的地基材料，广泛分布于各类工程场地中，其动力特性的研究一直是学术界和工程界关注的焦点。在地震、交通荷载、机器振动等动力作用下，砂土的力学行为会发生显著变化，如强度降低、变形增大甚至液化等现象，这些变化对工程结构的安全与稳定构成了严重威胁。

在地震频发的地区，地震动往往具有多向性。当地震波传播至砂土场地时，砂土会受到来自不同方向的振动作用。这种多向振动使得砂土颗粒之间的相互作用变得异常复杂，颗粒的排列方式、接触力分布以及孔隙水压力的变化等均与单向振动情况存在明显差异。以1995年日本阪神大地震为例，大量建（构）筑物因地基砂土在多向地震动作用下发生液化和强度大幅降低而遭到严重破坏，许多道路、桥梁等基础设施也因砂土动力特性的劣化而无法正常使用，给当地带来了巨大的经济损失和人员伤亡。这一惨痛的教训深刻地表明，深入研究多向振动下砂土的动力特性，对于提高工程结构在地震等灾害中的抗震能力，保障人民生命财产安全具有至关重要的意义。

随着城市化进程的加速，城市轨道交通、大型工业厂房、高层建筑等基础设施建设规模不断扩大。在城市轨道交通建设中，盾构施工技术被广泛应用于穿越各类地层，其中砂土是常见的穿越地层之一。盾构掘进过程中，刀盘切削土体、盾构机推进以及管片拼装等作业会对周围砂土产生复杂的动力扰动，这种动力扰动可近似视为多向振动。佛山地铁2号线在盾构穿越中砂土地层时，就因砂土动力特性复杂，施工难度大，面临着较高的安全风险。如果不能准确掌握多向振动下砂土的动力特性，在盾构施工过程中，可能会导致土体坍塌、地面沉降过大、盾构机姿态失控等问题，严重影响施工进度和工程质量，甚至可能引发安全事故。此外，在大型工业厂房中，重型机器设备的运转会产生强烈的振动，这些振动以多向振动的形式传播至地基砂土中，若砂土的动力特性不明确，可能会导致地基不均匀沉降，影响厂房结构的稳定性和机器设备的正常运行。

在港口工程中，波浪荷载对海床砂土的作用同样呈现多向性。波浪的周期性起伏和波动会使海床砂土受到水平和竖向方向的循环荷载作用，导致砂土的孔隙水压力不断变化，有效应力降低，进而影响海床的稳定性。当海床砂土的动力特性无法准确评估时，可能会引发海床局部失稳，造成码头、防波堤等港口设施基础的破坏，影响港口的正常运营和使用安全。

由此可见，多向振动下砂土动力特性的研究成果能够为各类岩土工程的抗震设计、施工方案制定以及稳定性分析提供关键的理论依据和技术支持，对于保障工程结构的安全稳定、降低工程风险、节约工程成本具有不可替代的重要作用，具有显著的经济和社会效益。

1.2国内外研究现状

砂土动力特性的研究历史悠久，国内外学者通过理论分析、室内试验和数值模拟等多种手段，在砂土的动力特性研究方面取得了丰硕的成果。早期的研究主要集中在单向振动下砂土的动力响应，随着研究的深入以及工程实际需求的推动，多向振动下砂土动力特性的研究逐渐受到关注。

在国外，Seed等学者早在20世纪60年代就开展了砂土液化方面的研究，通过室内动三轴试验，提出了Seed简化法来判别砂土的液化可能性，该方法在工程界得到了广泛应用。随后，众多学者对砂土在单向振动下的动力特性进行了大量研究，包括砂土的动强度、动变形、孔隙水压力发展规律等方面。例如，Ishihara通过一系列试验研究了饱和砂土在循环荷载作用下的液化特性，揭示了相对密度、初始有效应力等因素对砂土液化的影响。

随着试验技术的发展，双向振动三轴仪、真三轴仪等先进设备被逐渐应用于砂土动力特性研究中，为多向振动下砂土动力特性的研究提供了有力的工具。Yoshimine等利用双向振动三轴仪研究了双向振动下饱和砂土的动力特性，发现双向振动下砂土的孔压发展和变形特性与单向振动存在明显差异，双向振动会导致砂土更快地达到液化状态，且变形也更为复杂。Kokusho通过真三轴试验研究了三向应力状态下砂土的强度和变形特性，指出主应力方向的变化对砂土的力学行为有显著影响。

在国内，黄文熙院士率先开展了土动力学的研究工作，为我国砂土动力特性研究奠定了基础。此后，众多学者围绕砂土在不同振动条件下的动力特性展开了深入研究。沈珠江等通过试验研究了砂土在循环荷载作用下的变形和强度特性，提出了考虑土体结构性的本构模型。陈国兴等对饱和砂土的动力特性进行了系统研究，通过动三轴试验和数值模拟，分析了不同因素对砂土动力特性的影响规律。

在多向振动下砂土动力特性研究方面，刘汉龙等利用自行研制的多功能静动三轴仪，研究了轴向-径向耦合振动下饱和砂土的动力特性，发现耦合振动下砂土的动强度和变形特性与单向振动有较大区别，竖向振动对砂土的动力特性有不可忽视的影响。凌道盛等通过室内试验