原状海洋土动泊松比的试验研究_潘华

2011年4月 Rock and Soil Mechanics Apr. 2011收稿日期：2010-10-26基金项目：国家自然科学基金重大研究计划项目（No. 90715018）；2006年教育部高等学校博士学科点专项基金（No. 20060291007）；江苏省研究生科研创新计划项目（No. CX10B_170Z ）。

第一作者简介：潘华，男，1983年生，博士研究生，主要从事岩土动力学方面的研究。

E-mail ：hua_pan1983@ 通讯作者：陈国兴，男，1963年生，博士，教授，主要从事土动力学与岩土地震工程研究。

E-mail:gxchen@文章编号：1000－7598 (2011)增刊1－0346－05原状海洋土动泊松比的试验研究潘 华，陈国兴，孙 田（南京工业大学 岩土工程研究所，南京 210009）摘 要：利用空心圆柱扭剪（HCA ）仪，针对原状海洋粉质黏土，通过循环三轴及循环扭剪试验，得出相应的杨氏模量、剪切模量和动泊松比，探讨了有效固结围压、固结应力比对动泊松比的影响。

试验结果表明：土体的动泊松比随着广义剪应变的增大而增大；有效固结围压、固结应力比均对动泊松比有显著的影响，动泊松比随着有效固结围压、固结应力的增大而逐渐减少；且随着广义剪应变的增大，两者对动泊松比的影响减小，当广义剪应变增大到1.8×10-2左右，试验终止，此时土体动泊松比约为0.48。

试验中未出现动泊松比大于0.5的现象，说明土体未出现剪胀现象，试验所采用的粉质黏土在循环荷载作用下具有较好的稳定性。

关 键 词：空心圆柱扭剪仪；原状海洋土；循环三轴试验；循环扭剪试验；动泊松比 中图分类号：TU 411 文献标识码：AExperimental research on dynamic Poisson’s ratio of undisturbed marine soilPAN Hua, CHEN Guo-xing, SUN Tian（Institute of Geotechnical Engineering, Nanjing University of Technology, Nanjing 210009, China ）Abstract : Cyclic torsional shear and cyclic triaxial tests are performed on undisturbed marine silty clay by the hollow cylinder apparatus; and the shear modulus and Young’s modulus are obtained respectively. Meanwhile, the effect of effective confining pressure and stress ratio on dynamic Poisson’s ratio is investigated on the basis. It is found that the dynamic Poisson’s ratio increases with generalized shear strain, but decreases with increasing effective confining pressure and stress ratio. The effects of effective confining pressure and stress ratio on dynamic Poisson’s ratio is weakened as the generalized shear strain increasing. The dynamic Poisson’s ratio is about 0.48 when the Poisson’s ratio increased to 1.8×10-2 or so, and the tests are terminated. There are no shear dilatation during all tests because the Poisson’s ratios are smaller than 0.5. It is indicated that the undisturbed marine silty clay tested in the paper has a good stability under cyclic loadings.Key words : hollow cylinder apparatus; undisturbed marine soil; cyclic triaxial test; cyclic torsional test; dynamic Poisson’s ratio1 引 言土体作为一种最传统的建筑材料，研究者对其材料特性的研究从未间断过。

泊松比是反映土体变形特性的一个重要参数，在材料力学中对于泊松比的定义有比较清晰的论述：在材料的比例极限内，由均匀分布的轴向应力所引起的侧向应变与相应的轴向应变之比的绝对值，当超过比例极限时，泊松比随应力的变化而变化，实际上已不是泊松比，此时若需研究泊松比，应指出相应的应力状态。

在土力学中没有针对岩土介质的特点再给出更明确的定义。

测定土中泊松比的方法目前主要有两类，即由实测轴向和径向应变来计算的静力法与由实测波速来确定的动力法，前者可给出泊松比随应变的变化关系，而后者只能测定土的弹性泊松比[1]。

泊松比的物理意义正如其定义所言，是侧向应变与轴向应变的比值，反映的是材料的侧向变形特性。

在工程勘查中，根据土层泊松比值，可以判断土层的密实性，为进一步的工作提供资料；在石油勘探中，根据岩石泊松比的变化，尤其是根据含不同流体的岩石泊松比的变化，可以进行岩性的横向追踪，判断岩石的含油气水的特征；在岩土工程设计中，土体泊松比是反映土体侧向变形的重要参数，是土体应力-应变关系研究中必须要考虑的参数，泊松比的取值决定了土体的强度和变形特征[2]。

虽然其理论意义和实际应用价值很大，但相对于其他弹性力学参数，如模量和阻尼比，泊松比的研究程度最低。

泊松比和其他本构模型参数一样，在岩土工程数值分析中的取值是否合理，对计算结果的合理性有明显影响，但通常把泊松比近似为某一定值或限定在某一很小范围内，显然这与泊松比的重要性不相符，也与泊松比的定义相悖，而且这种影响在岩土工程应用中日益显现。

汤大明[3]总结了泊松比的各种试验和计算方法，指出了其优缺点，并结合工程实例，提出了一种计算泊松比的经验公式。

孙益振[4]通过局部与整体变形两种测量方法对粉土泊松比结果进行了分析，其研究结果表明：轴向应变-径向应变关系曲线的变化规律在不同围压条件下基本相同，切线泊松比随着应变的增加而增大，在小应变阶段的起始值都在0.2～0.3范围内，达到0.5时的径向变形很小；图像测量局部变形的切线泊松比的变化要比传统测量整体变形的泊松比变化快，其平均值也比传统测量整体变形结果的大；随主应力比的增加，切线泊松比也随之增加，当土体的主应力比达到一定范围后，切线泊松比的值大于0.5。

孙益振[5]基于测量局部变形的三轴试验，对细砂、粉土以及石英砂开展了不同密实度与围压的泊松比试验研究。

Kumar [6]通过波速试验，研究了不同粒径干砂的泊松比与相对密度和有效围压之间的关系，结果表明：泊松比随相对密度和有效围压的增大而减少，有效围压对细砂泊松比的影响比粗砂更为显著；有效围压不变时，砂土的泊松比随最大剪切模量max G 的增大几乎呈线性关系减小。

Wichtmann [7]通过共振柱试验以及波速试验，研究了颗粒分布级配曲线对石英砂泊松比的影响，结果表明：泊松比与平均粒径50d 无关，但随均匀系数u 6010C d d =的增大而增大。

上述关于泊松比的研究大多是针对静力荷载的，而在场地地震反应分析中，需要提供往返荷载作用下土体的泊松比值；另外，随着海洋资源的开发和利用，许多大型的海洋构筑物和设施得以建造，因此，开展动力荷载下土的泊松比研究，尤其是海洋土体的泊松比值研究，对工程场地的设计地震动参数和动力稳定性分析具有重要的价值。

2 试验简介2.1 试验仪器试验所用为英国GDS 空心圆柱扭剪（HCA ）仪，可对试样施加4个独立的荷载：轴力W 、扭矩T M 、内围压i p 及外围压e p （如图1所示）。

图1 空心圆柱试样受力图Fig.1 Hollow Cylinder Sample underloads图2 空心圆柱薄壁单元体应力状态 Fig.2 Stress state of hollow cylinder sample图2为薄壁试样单元体的应力状态：扭矩T M 产生的扭剪应力z θτ；内围压i p 、外围压e p 产生的环向正应力θσ和径向正应力r σ；轴力W 及内、外围压产生的轴向正应力z σ。

试样的内、外室压力是由水通过柔软橡皮膜施加在试样的内、外壁面上，故在内、外壁面上无剪应力，径向应力r σ为主应力，且2r σσ=。

2.2 试验思路根据弹性力学理论，可知杨氏模量E 、剪切模量G 以及泊松比ν三者间的关系如式（1）2(1)EG ν=+ （1）由式（1）可得，12EGν=− （2） 因此，可以利用HCA 仪，通过试样在不同应变水平下的循环三轴和循环扭剪试验，依据试验给出的试样的滞回圈曲线，计算试样的杨氏模量E 和剪切模量G ，再由式（2）计算出相应应变下的动泊松比ν。

在循环三轴和循环扭剪试验中均以广义剪应变g γ作为控制标准：g γ=（3）每级应变水平下对土样进行5次循环加载，对应的杨氏模量E 和剪切模量G 均取5次循环加载的平均值。

2.3 试验方案试验土样为取自琼州海峡的原状海底粉质黏土。

根据取样深度的不同，开展了5种不同围压的试验，分别为0σ′= 60、200、400、700、1 000 kPa ；对每个围压条件下又分为3个不同的固结比，分别为c k = 1.0、1.5、2.0，共计15个试样。

其中，c 13k σσ=。

3 试验结果与分析3.1 典型试验结果图3为轴向应力与广义剪应变间的关系曲线，图3(a)为试样固结时受到60 kPa均等围压，所以图中应力的起点为60 kPa ，图3(b)为试样处于围压为(a) c 01.0,60kPak σ′==(b) c 01.5,400kPa k σ′== 图3 轴向应力与广义剪应变间的关系Fig.3 Relationships between axial stress, σ andgeneralized shear strain g γ 400 kPa ，固结比为1.5的固结状态，其应力起点为600 kPa 。