（岩土工程专业论文）土体动弹性模量与动剪切模量关系对比研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 对于受动力荷载作用如地震荷载和波浪循环荷载的建筑物，地基土层条件对抵抗动 荷载破坏有十分显著的影响。土层的动力变形特性是构成地基土层条件的重要因素。 动模量旧，g ) 是表征土的动力变形特性的重要参数，对于动模量的研究主要包括初始 动模量的确定和动模量非线性衰减关系。 最大动剪切模量是非常重要的设计参数。动三轴仪相对于动扭剪仪和循环耦合试 验，操作方便，制样简单。它采用竖直动弹性模量换算动剪切模量来模拟现实状况， 动泊松比胸在不排水试验中取为0 5 。不同土样的多种试验结果表明，实测值与换算值 有一定的差异，即动泊松比胁的取值受平均主应力、土体容重、孔隙率、应力路径、 试验方法、初始固结条件等多种因素影响。 本文的试验均采用先进的“土工静力一动力液压三轴一扭剪多功能剪切仪”完成。该 试验设备可以很好地模拟土体初始应力条件，如初始中主应力系数、不同初始偏应力 比和不同初始主应力角等，而且其测量精度可以达到1 0 巧的量级。能够提高动剪切模 量的测试精度，对于准确获得最大动剪切模量至关重要。通过试验数据的分析，深入 而系统地研究了饱和福建标准松砂、长江口原状软粘土在不同的初始条件下动力变形 特性以及动泊松比的变化规律，结果表明： 平均固结主应力、初始大主应力角、偏应力比对土体骨干曲线、模量衰减曲线、 g g m 缸伪一化特性曲线均有不同程度的影响。平均固结主应力和偏应力比的增大使相 同应变幅值条件下的应力幅值增大，使土的初始动剪切模量增大，而初始大主应力角的 影响效果则相反。中主应力系数对土体骨干曲线和动模量非线性衰减关系基本没有影 响。引入参考剪应变肋g g m 舶一化曲线不依赖上述影响因素。 平均固结主应力、偏应力比、初始大主应力角、应力路径对动泊松比均有影响，在 半对数坐标中，饱和砂土动泊松比与平均固结主应力成线性关系，单调递增。而原状软 粘土为单调递减。在线性坐标中，动泊松比随着偏应力比的增大而增大。随着初始大主 应力角的增大而减小，而中主应力系数对动泊松比基本没有影响。本文通过计算获得了 各种试验条件下的动泊松比数值。而应力路径的改变使加p 么口直线关系的斜率有所改 变。 关键词：动力特性；动弹性模量；动剪切模量；动泊松比 土体动弹性模量和动剪切模量关系对比研究 e x p e r i m e n t a ls t u d y o nr e l a t i o nb e t w e e nd y n a m i ce l a s t i cm o d u l u sa n d s h e a rm o d u l u so fs o i l a b s t r a c t f o rt h o s ew h oa r ed y n a m i cl o a d sa n dl o a d ss u c ha ss e i s m i cw a v e se y e l i el o a d i n go ft h e b u i l d i n g s ，s o i lc o n d i t i o n so nt h eg r o u n dd y n a m i cl o a dr e s i s t a n c ea r ev e r ys i g n i f i c a n td a m a g e t h ed r i v i n gf o r c ef o rd e f o r m a t i o no ft h es o i li st h ef o u n d a t i o ns o i lc o n d i t i o n sc o n s t i t u t ea l l i m p o r t a n tf a c t o r d y n a m i cm o d u l u s 慨g ) i sac h a r a c t e r i z a t i o no ft h e s o i l d y n a m i c d e f o r m a t i o no ft h ei m p o r t a n tp a r a m e t e r sf o r t h ed y n a m i cm o d u l u so ft h ei n i t i a ls t u d y ， i n c l u d i n gm o v i n gt h em o d u l et oi d e n t i f ya n dd y n a m i cr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ea m o u n to f n o n 1 i n e a ra t t e n u a t i o n m a x i m u md y n a m i cs h e a rm o d u l u si sa ne s s e n t i a ld e s i g np a r a m e t e r s 3 - a x i sd y n a m i c i n s t r u m e n ta so p p o s e dt of i x e d - t w i s t i n ga n dc u t t i n gi n s t r u m e n tc o u p l e dt e s tc y c l e ，i se a s yt o u s ea n dh a ss i m p l es a m p l ep r e p a r a t i o n i tu s e sv e r t i c a ld y n a m i ce l a s t i cm o d u l u sc o n v e r s i o n d y n a m i cs h e a rm o d u l u st os i m u l a t et h er e a ls i t u a t i o n ，d y n a m i cp o i s s o n sr a t i oi nt h eu n d r a i n e d t e s tc h e c ko f0 5 av a r i e t yo fd i f f e r e n t 姑n do fs o i lt e s tr e s u l t ss h o w e dt h a tt h e r ei sac e r t a i n d e g r e eo fd i f f e r e n c eb e t w e e na c t u a lv a l u ea n dc o n v e r s i o nv a l u e n ed y n a m i cp o s s i o nr a t i oi s e f f e c t e db ya na v e r a g e p r i n c i p a ls t r e s s ，s o i lb u l kd e n s i t y ，p o r o s i t y ，s t r e s sp a t h , t e s t i n gm e t h o d s ， i n i t i a lc o n s o l i d a t i o nc o n d i t i o n sa n do t h e rf a c t o r s t l l i sa r t i c l eu s e dd a t af r o mt h et e s t t h e a r t ”s o i ls t a t i ca n dd y n a m i cu n i v e r s a lt r i a x i a la n d t o r s i o n a ls h e a ra p p a r a t u s ”n 圮a p p a r a t u sc a ns i m u l a t et h es o i lc o n d i t i o n so ft h ei n i t i a ls t r e s s ， s u c ha si nt h ei n i t i a lp r i n c i p a ls t r e s sf a c t o r ，d i f f e r e n ts t r e s st h a nt h ei n i t i a lp a r t i a lp r i n c i p a l s t r e s sa n dt h ei n i t i a l a n g l e ，a n ds oo n , a n dt h ea c c u r a c yo fm e a s u r e m e n tc a nr e a c ht h e m a g n i t u d e10 一i tc a ni m p r o v et h ed y n a m i cs h e a rm o d u l u st e s t i n ga c c u r a c y ，w h i c hi s e s s e n t i a l t h r o u g hd a t ap r o c e s s i n gi n - d e p t ha n ds y s t e m a t i cs t u d ya b o u tt h ed y n a m i cc h a n g e l a wo fp o i s s o n sr a t i ow a sm a d eo nv u j i a ns t a n d a r ds a n da n dt h ec h a n g j i a n gr i v e ro r i g i n a l s o f tc l a y 1 1 1 er e s u l t ss h o w e dt h a t ： ，玎1 ea v e r a g ep r i n c i p a ls t r e s sc o n s o l i d a t i o n , t h ei n i t i a lm a j o rp r i n c i p a ls t r e s sa n g l e ，t h e p a r t i a ls t r e s so nt h es o i lt h a nt h eb a c k b o n eo ft h ec u r v e ，t h e n o r m a l i z e dc u r v ei nv a r y i n g d e g r e e s t h em o d u l u sd e c a yc u r v e ，g i g m 锄, 7a v e r a g ep r i n c i p a ls t r e s sa n dt h ep a r t i a l c o n s o l i d a t i o ns t r e s sr a t i oi n c r e a s e ds ot h a tt h es a m es t r a i na m p l i t u d ec o n d i t i o n si n c r e a s et h e a m p l i t u d eo ft h es t r e s ss ot h a tt h es o i lo ft h ei n i t i a ld y n a m i cs h e a rm o d u l u si n c r e a s e ，a n dt h e i n i t i a la n g l eo ft h em a j o rp r i n c i p a ls t r e s se f f e c ti st h eo p p o s i t e i nt h ep r i n c i p a ls t r e s sf a c t o r o nt h eb a c k b o n eo ft h es o i lm o d u l u sc u r v ea n dd y n a m i cn o n 1 i n e a ra t t e n u a t i o nd o e sn o ta f f e c t i i 大连理工大学硕士学位论文 t h eb a s i cr e l a t i o n s h i p r e f e r e n c et oh t h en o r m a l i z e dc u r v e sg g m 锣如d o e sn o t i n t r o d u c t i o no fs h e a rs t r a i nr e l yo nt h ea b o v e - m e n t i o n e df a c t o r s n 坞a v e r a g ep r i n c i p a ls t r e s sc o n s o l i d a t i o n ，p a r t i a ls t r e s sr a t i o ，t h ei n i t i a lm a j o rp r i n c i p a l s t r e s sa n g l e ，t h es t r e s so fm o v i n gt h ep a t ho fp o i s s o n sr a t i oa r ea f f e c t e d , i nt h e s e m i 1 0 9 a r i t h m i cc o o r d i n a t e s ，t h es a t u r a t e ds a n da n d p o i s s o n sr a t i om o v i n ga v e r a g ep r i n c i p a l s t r e s sc o n s o l i d a t i o ni n t ol i n es e x u a lr e l a t i o n s ，i n c r e a s i n gm o n o t o n o u s t h eo r i g i n a ls o f tc l a y f o rt h em o n o t o n ed e c r e a s i n g l i n e a rc o o r d i n a t e s ，p o i s s o n sr a t i oa st h ea c t i o n - s t r e s sr a t i o i n c r e a s e s w i t ht h ei n i t i a lm a j o rp r i n c i p a ls t r e s si n c r e a s e st h ea n g l ed e c r e a s e s ，w h i l et h e p r i n c i p a ls t r e s sf a c t o rf o rt h em o v ed o e sn o ta f f e c tt h eb a s i cp o i s s o n sr a t i o t i l i sa r t i c l ew a s c a l c u l a t e dt h r o u g hav a r i 啊o ft e s tc o n d i t i o l l s ，p o i s s o n sr a t i oo ff i x e dv a l u e s t h es t r e s so f c h a n g es ot h a tt h e t a p t o os l o p eo f t h es t r a i g h t l i n er e l a t i o n s h i pc h a n g e d k e yw o r d s ：d y n a m i cc h a r a c t e r ；d y n a m i ce l a s t i cm o d u l u s ；d y n a m i c s h e a rm o d u l u s ； d y n a m i cp o i s s o n sr a t i o i i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 导师签名： 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 课题的研究目的及其意义 种种事例和实验表明，土体受地震荷载，爆炸荷载，海浪冲击荷载等动力荷载发生 破坏与土体的动力特性有直接关系，例如：在海洋开发与工程建设中，由于海床或地基 失稳往往造成很大的损失，在我国渤海地区发生的平台滑移与倾倒，南海鹦哥海盆地砂 土液化等都与土体的动力特性密切相关。由于多次震害的发生，土层的共振、滤波效应 和放大作用以及不同土体的动力性能已受到地震工程界的普遍重视，其中土层条件对震 动影响显著已是公认的事实。1 9 6 7 年美国阿拉斯加地震就是由于土体震动与地震发生共 振引起的。海城和唐山的地震震害则是由土层条件不同引起的。1 9 8 5 年墨西哥地震中远 离震中的墨西哥城里高层建筑破坏严重，是远震时深厚软土层上高层建筑严重破坏的典 型。因此，研究土体的动力特性有很重要的意义。 在现实生活中，很多民用建筑和工业建筑都会受到不同类型的动荷载作用，如防波 堤地基常年受到海洋波浪循环荷载作用；爆炸荷载在很短的时间内以很高的速度施加于 土体上会引起明显的速率效应；动力机器所引起的荷载，多次往复地施加于土体之上而 产生明显的循环效应；地震荷载作用则可能产生速率效应与循环效应并存。在不同的动 荷载作用下，土体可能产生的应变的量级有明显的不同，有的学者将其分为3 类：当 8 1 0 4 时土处于弹性变形阶段，当1 0 4 8 1 0 之时 处于塑性变形阶段。当土在小应变幅情况下，将呈现近似弹性体的特征，这时的应力 应变关系是确定地基及基础动力反应的主要因素。当应变幅增大时，土的动力特性将明 显不同于小应变幅的情况，会出现土体液化等现象。所以，当研究土在动力荷载作用下 的动力特性时，首先应该区分小应变幅和大应变幅这两种不同的情况进行研究。对于小 应变幅情况，主要研究土的动力变形特性；而对于大应变幅情况，除了需研究动力变形 特性以外，还应重点研究动力强度特性和振动孔压特性。 动模量饵，g ) 和阻尼比是表征土的动力变形特性的重要参数，影响因素包括振动应 力、有效平均主应力、孔隙比等。并且，试验条件相同的不同土样的动模量变化规律及 g m 戤也有差异，因此，室内动力特性测试所研究的土料，不仅局限于砂性土和细粒土，还 涉及到黄土、膨胀土、冻土等各种具有特殊性质的区域性土，并延伸至尾矿料、粉煤灰、 海洋土及垃圾土等。通过试验分析研究其动力变形特性并确定g k 腻对于工程设计十分重 要。 土体动弹性模量和动剪切模量关系对比研究 目前土的动力试验所使用的动三轴仪操作方便，易于控制应力状态，因而得到了广泛 的应用，它以试件4 5 0 斜面上应力模拟现场土的应力状态，通过竖向加载直接得到动弹 性模量与动正应变之间的关系，根据力学公式换算得到动剪切模量与动剪应变之间的关 系，但它无法模拟动主应力轴连续偏转的复杂应力状态，无法考虑动泊松比变化的影响， 具有一定局限性。因此，一些学者使用循环扭剪仪，共振柱仪等模拟现场地震时的应力 状态，研究土料的动力特性。但由于试验试样制备困难，所以动三轴仪仍是一种普遍采用 的方法。由大连理工大学与日本诚研株式会社共同研制开发的“土工静力动力一液压三 轴一扭转多功能剪切仪”相比其它室内试验仪器有很大改进和优势，实验室利用该仪器 针对饱和福建标准砂在多种复杂应力条件下已获得了大量精度较高的动弹性模量和动 剪切模量的试验结果。本文对所测数据进一步分析研究，深入了解不同试验条件下多种 复杂因素下的动弹性模量和动剪切模量的关系，弄清楚利用动三轴试验确定的动弹性模 量计算获得动剪切模量与由动扭剪试验直接获得动剪切模量之间的关系，分析动泊松比 随平均有效应力和初始条件的变化规律及影响因素，为准确确定动剪切模量并广泛应用 提供有价值的研究成果。 1 2 国内外研究概况及发展动态 动模量是土体动力变形特性的重要参数，是动力荷载作用下进行工程设计的必备参 数，为了了解不同土样在各种外荷条件下的应力应变变化规律，国内外学者针对不同土 样、初始条件和受力情况等因素，做了大量的试验研究。与此同时，试验仪器在精度和 试验方法上的改进，也推动了土体动力特性的深入研究并取得了许多有价值的成果，对 土动力学和地震工程学的发展起了很大的推动作用。 1 2 1 室内测定动土变形特性试验技术 土动力问题研究的应变范围很大，需要用不同的测试方法确定土体动力稳定计算中 所用的参数。室内可以做从小应变到大应变的试验：动模量阻尼比试验是研究试样小应 变时的动力性质，而动强度与液化试验是研究试样大应变时的动力性质。 室内动力测试仪器有动三轴仪、振动剪切仪、共振柱仪、振动台、离心机等。测量 土动力变形特性最常用的是动三轴仪，罪早由s e e d ( 1 9 5 9 ) 1 研制，我国的黄文熙( 1 9 6 1 ) 【2 】 也研制出不同于s e e d 的振动三轴仪，二者的区别在于前者是气压施加荷载，后者为重 物惯性力施加荷载。动三轴仪操作简单，试样制备容易，直到今天，也是应用最广泛的 测试仪器，同时动三轴仪在国内外得到了迅速的发展，出现了电气式、电磁式和电液式 振动三轴仪等较为先进的仪器。它的原理是以试样4 5 0 斜面上应力模拟现场土的应力状 态，通过竖向加载直接得到动弹性模量与动正应变之间的关系，根据力学公式换算得到 大连理工大学硕士学位论文 动剪切模量与动剪应变之间的关系。因其测量精度为l o 4 ，对于应变达到1 0 。6 的情况难 免出现误差，且无法真实模拟实际受力情况( 如循环荷载下主应力方向角连续偏转) ，无 法反应中主应力，偏应力比的影响，因此各国学者积极研究发展了多种振动剪切试验设 备，主要有振动( 盒式) 单剪仪和振动扭剪仪。 振动单剪仪是在r o s c o e ( 1 9 5 3 ) t 3 j 单剪仪的基础上发展起来的，后经 p e a c o c k & s e e d ( 1 9 6 8 ) 1 4 1 ，f i n n 等( 1 9 7 1 ) t 5 j 对荷载传递系统、试样制备、加荷方法及边界条 件等方面进行改造后，使得试样所处应力状态更加接近于现场土体的应力状态。它和共 振柱仪联合【6 】，使用一个圆柱体试样，可测定剪应变幅1 0 击至1 0 弓的范围。 为了能在循环加荷前和加荷过程中测量和控制侧向应力，人们试图把振动三轴仪和 振动单剪仪的优点结合起来，设计了振动扭剪仪。它是能较好地模拟现场单剪条件的振 动试验设备，也是后来发展起来的能够实现双向振动的三轴扭转多功能剪切仪的雏形。 本世纪3 0 年代，日本工程师饭田( f i d e ) 等研制成了世界第1 台共振柱仪 7 1 ，到了6 0 年代初期，w i l s o n ，s d 和d i e t r i c h ，r j 对饭田等研制的共振柱仪作了大幅度的改进，将 激振设备改成为扬声器系统。用这种激振系统，不仅可对试验作竖向激振，还可以作水 平向扭转激振，因而能较好地模拟现场土休的受力情况。6 0 年代起。由r i c h a r t ，f e j r 及他的学生和同事h a r d i n ，b o ，h a l l ，j k j r ，d r n e v i c h ，v p ，s t o k o e ，k h 等人将共 振柱仪真正发展成为一种完善、实用的仪器。在我国，8 0 年代才开始采用该仪器。起步 虽迟，但发展迅速。1 9 8 4 年研制的固定一自由端类型的共振柱仪，1 9 8 5 年研制的固定 一弹簧端类型的共振柱仪，1 9 8 8 年研制的可以进行偏压固结的g s 1 型共振柱仪，这三 种共振柱仪，均达到了相当高的研制水平。大量的研究成果表明，除了粒径大于中砂粒 粒的土样，共振柱仪可适用于各种饱和度的土样。与振动三轴仪或振动扭剪仪联合使用 克服了当作用的动剪应变幅大于1 0 4 以后，动力参数值存在误差的缺点，不仅能准确求 得微幅应变慷。= 1 0 西) 下的最大动剪切模量，而且还能较好的得到1 0 。6 1 0 - 2 连续应变水 平范围内动模量及量及阻尼比随动剪应变幅的变化规律。预计未来相当长一段时期内， 结合现场波速试验，在室内用循环三轴试验和共振柱试验联合侧定土的动力变形特性， 将成为一种主要趋势。 弯曲元法【8 ，9 1 0 】是近年来迅速发展的室内测定土体最大动剪切模量的有效方法。它 是通过测量剪切波速，通过波动原理换算得到最大剪切模量，由于其无法测得阻尼比， 在动应变幅较大的情况无法使用，所以需要和动三轴以及动扭剪仪联合使用。 大连理工大学与日本诚研株式会社共同研制开发了“土工静力动力一液压三轴一扭 转多功能剪切仪”【l l ，1 2 】。该设备能进行不同应力路径的静、动力三轴试验、静动扭剪以 及同时施加垂直荷载与扭转向荷载的双向静动力耦合试验，能模拟主应力轴持续旋转和 土体动弹性模量和动剪切模量关系对比研究 地震液化等多种复杂的应力条件。与传统试验仪器相比，该试验仪无论在功能上，还是 在试验的精度以及试验数据的采集上都有了很大的改进。利用该设备，董秀竹【1 3 】首先 完成了设备的调试和部分功能的开发工作，在此基础上利用福建标准砂料进行了几组动 三轴试验、动扭剪试验以及耦合振动等动力试验，通过比较得出：双向耦合振动试验在 扭转方向和竖向的动模量随应变的变化规律分别与相同条件下的动扭剪、动三轴试验结 果一致。刘洋【1 4 】针利用该设备对不同相对密实度的粉煤灰和福建标准砂为土料，进行测 定动模量阻尼特性的循环三轴试验。试验中利用一个试样在振动2 0 级左右荷载后，改 变初始固结压力继续固结后再振动的方法进行。将这种方法获得的动模量阻尼特性与采 用独立试样分别试验获得的结果进行比较，探讨了两种试验方法获得的动模量阻尼比特 性的主要差别。结果表明：在粉煤灰的循环三轴和扭剪试验中，两种试验方法获得的e 联系曲线均比较接近，而福建标准砂两种方法的e - - - e - 关系曲线离散比较大。 1 2 2 动模量国内外研究综述 ( 1 ) 动模量影响因素的研究 根据h a r d i n f ”】等研究表明，影响土的动模量的因素包括：剪应变振幅、有效平均 主应力、孔隙比、循环次数、饱和度、超固结比、八面体剪应力、有效周围压力、时间 效应、颗粒大小和形状、矿物成分、土的结构性等因素。其中以剪应变振幅、有效平均 主应力、孔隙比与土体组构( 试样制备方法) 对动剪切模量和阻尼比的影响最为重要。国 内外学者对此做了大量的研究： 梁旭，蔡袁强【l6 】通过动三轴试验，对水泥土复合试样进行研究，试验表明在相同的 应变水平下，随着围压的增大，动弹性模量增加而阻尼比减小。原因在于：当围压增大 时，复合试样土颗粒之间的接触更加紧密，波的传播路径也随之增多，因而在波的传播 过程中能量损耗将会减少，复合试样表现为土体变硬，动弹模量增加。 李淑平，张尔其【1 1 7 】提出了一个能很好拟合动模量退化的数学关系，式中所包括的参 数少且容易确定并研究了固结压力对动模量退化的不可忽视的影响。 祝龙根，吴燕仪【1 8 】通过v p d m e v i c h 共振柱仪和s d j 4 0 0 i 型电液伺服单剪仪，作 了大量试验，研究了饱和砂土的最大动剪切模量g o 和静抗剪强度s 值与孔隙比e 和围 压盯之间的关系，研究表明：饱和砂土的静抗剪强度随e 和t i t 的变化规律相同。因此， g o 与静抗剪强度的关系表达成函数是可行的，并给出了相应的函数表达式。 s y a m a d a & n y o s l l i m o t o 【1 9 】通过循环扭剪试验，对日本港口海底粘性土进行了研究， 这些土的塑性指数范围为1 6 - - 1 11 ，分析了围压和塑性指数对土的动剪切模量和最大动 ，、。 剪切模量的影响，获得公式g 。= 彳i ，。7 盯。，在一定的塑性指数变化范围内对a ，胛取 大连理工大学硕士学位论文 值，能够确定最大动剪切模量的大小，试验结果表明：动剪切模量随塑性指标增大而增 大，阻尼比随塑性指标增大而减小。 何昌荣【2 0 l 在动三轴仪上使用自制的高灵敏度应变计量测到应变e d = l o 西1 0 五的模 量阻尼，提出了最大动模量的确定方法，并对其它重要参数和概念进行了评议和讨论： 在动模量的诸多影响因素中，动应变的增减可导致动模量增减几倍到数十倍。土越软， 随应变增减越明显。土类不同，频率改变，稠度状态，密实程度，固结压力等都可使动 模量明显变化，甚至成倍增减。因此，动模量数值的选取是一项复杂重要的工作。 张茹，涂扬举【2 l 】等在回顾加荷频率对土样动力特性影响的研究基础上，采用某土石 坝心墙防渗黏性土饱和试样，通过动三轴试验，研究了振动频率厂对土样动力特性的影 响。试验结果是：振动频率愈低，试样动变形开展愈充分；振动频率愈高，动模量和阻 尼比愈大。 刘胜群，陈玉平瞄】通过对杭州紫金港正常固结饱和软粘土进行应力控制的循环三轴 试验，研究了循环次数、循环应力水平、初始偏应力对动弹模量及动阻尼比的影响。试 验结果表明，随着循环次数的增加，土体动弹模量逐渐减小，而阻尼比有所增加，但增 加幅度与循环应力水平有关。循环应力水平的提高、初始偏应力的施加将加快动弹模量 的衰减，从而导致阻尼比逐渐增大。 刘垂远，何昌荣【2 3 】利用振动三轴仪对饱和粉煤灰的动模量、阻尼比和动强度进行了 试验，研究了动应变、固结压力、试样密度、初始剪应力等影响因素。试验结果表明， 动模量随动应变增减成倍成量级增减，并随固结压力、试样密度、初始剪应力增减而增 减，某些特殊情况下，次要影响因素将上升为主要因素。 吴怀忠，王汝恒 2 4 1 等通过砂卵石土动三轴试验，深入研究了砂卵石土动力特性，得 到了砂卵石土的动强度和动模量在不同围压及固结应力比条件下的变化规律。结果表明 固结应力比对动弹性模量影响较大，是分析动弹性模量不能忽略的因素之一。同一应变 条件下，随着固结应力比的增大，动弹性模量明显增大。 蒋寿田等( 1 9 9 0 ) 6 0 】应用共振柱和动三轴仪对郑州市市区进行了8 0 个原状土的动模 量和阻尼比的试验，分析了土的类型、天然状态、地层年代等因素对动模量和阻尼比的 影响，同时比较分析了采用不同方法和不同仪器所确定的最大剪切模量之间的关系。指 出了采用共振柱和动三轴仪联合测定土的动模量和阻尼比时所遇到的问题，这两种仪器 完全不同，基本原理各异，它们测出来的资料能否很好地衔接起来目前尚未得到证实。 他们假定粘性大的土= o 4 9 ，而对砂性大的土假定旷o 3 5 ，在这种情况下，从1 1 组曲 线看，模量和剪应变的关系衔接很好，而阻尼比和剪应变的关系显得差一些。共振柱测 定的阻尼比较规律而且可靠，三轴的结果比较差，主要是小应变时测量不准或测不出来， 土体动弹性模量和动剪切模量关系对比研究 而大应变时阻尼比偏高而且试验点离散。其主要原因可能是变形传感器精度不够高或动 三轴仪本身的阻尼未加校正。因此，共振柱和动三轴所测得的阻尼比能否直接连接还有 待于进一步探索。 孙德安【2 5 j 等针对三种天然或人工制备的沉积粘性土，进行了等向固结的共振柱试 验，研究了固有各向异性对动剪切模量的影响。研究表明，沉积面的小应变剪切模量小 于与沉积面相垂直面内的剪切模量，对于一般天然沉积的粘性土，两个主方向的小应变 剪切模量相差可达5 - - 2 5 ，其余各面的剪切模量数值介于两者之间。这一结果与静力 各向异性试验结果和用波速法测定固有各向异性对剪切波速影响的试验结果相一致，可 用粘土结构理论加以解释。 陈存礼，何军芳1 2 6 】等对某钼矿尾矿砂在不同固结应力状态下进行了动三轴试验，试 验结果表明：该尾矿砂的动应力应变关系可用h a r d i n 等效黏弹性模型描述，模型中的起 始动剪切模量和最大动剪应力皆随固结应力比和有效固结围压的增大而增大，这两个参 数与有效固结轴压成幂函数关系，且其受固结应力的影响较小。 石兆吉等( 1 9 8 5 ) 5 9 禾1 j 用共振柱研究了周压压力、土壤密度和含水量等因素对土动压 缩模量的影响，认为最大动压缩模量与周围压力之间在双对数坐标上存在着线性关系： 周围压力越大，动压缩模量越大；密度越大，动压缩模量也越大；含水量对动压缩模量 也有明显影响，含水量越高动压缩模量越低。通过对共振柱法和动三轴应力应变法获得 的动压缩模量比较表明，两者相差颇大，造成这种差别的原因可能是试验原理和方法不 同，同时两种仪器在实验过程中振动方式和振动次数也有影响。 ( 2 ) 不同土样的动模量对动剪应变的非线性依赖性 h a r d i n & d m e v i c h ( 1 9 7 2 ) z 在共振柱试验联合循环扭剪试验的基础上，提出砂土的动 应力应变近似呈双曲线关系，当应变幅值增加时，其应力应变曲线的斜率减小，即动 剪切模量会随着动剪应变幅的增大而减小，而阻尼比会随着动剪应变幅的增大而增大。 h a u & r i c h a r t ( 1 9 6 3 ) t 2 8 】针对散粒料土弹性波能量消散的研究指出，干的渥太华砂的 阻尼比随动剪应变幅的增大而增大。当动剪应变幅介于1 0 。5 - - 1 0 4 之间时，阻尼比的变 化非常小( 小于2 ) ，而当动剪应变幅大于1 0 4 以后，阻尼比增加的幅度明显增大。同时 阻尼比大致随平均有效主应力的增加而降低，但也可能随平均有效主应力的增加而增 大。 吕悦军，唐荣余，沙海军1 2 9 1 采用应力控制振动三轴试验装置对渤海海底的常规土类 动剪切模量比g g m 麟和阻尼比入进行试验研究，土类包括粘土、粉质粘土、细砂、粉砂、 粉砂质细砂。得到各类土的g g 懈随，变化关系及推荐值，可供渤海海域有关海洋建设 大连理工大学硕士学位论文 工程的地震安全性评价工作借鉴和参考，并为未来海域内的地震区划工作积累了有关资 料和经验。 袁晓铭，孙锐【3 0 】等研究参考了国内外已有的常规土( 包括：粘土、粉质粘土、粉土、 砂土、淤泥和淤泥质土) 的试验结果，使用改造的共振柱为试验仪器，利用自振方法测 定常规土类的动剪切模量g 随剪应变，的变化，采用折线双曲线拟合的g g 一随，变化 关系，通过求所有a ，6 值的平均值，用均值给出动剪切模量比与剪应变关系，得出动 剪切模量g 的推荐值。 周健，白冰，段瑞明【3 l 】为研究某电厂灰坝采用粉煤灰作为筑坝排水垫层材料的可行 性，对粉煤灰进行了大量的动力特性试验研究，提出了该类粉煤灰相应的动模量及阻尼 比的计算公式并给出其抗液化强度。研究表明，利用粉煤灰作为筑坝的排水垫层材料是 可行的。 曾长女，刘汉龙，周云东【3 2 】对粉土的研究表明：粉土模量阻尼的表达式以及粉土动 力特性符合土体非线性和滞后性的一般规律。 张禾【3 3 】等对济德公路济南黄河大桥地基未扰动的原状土进行动三轴试验，动弹模 西随轴应变翰的增加而减小，随固结应力的增加而增加，但在固结比恐下，函与最大 模量默二者之比随固结应力的变化不明显，试验结果均落在一条较狭窄的条形区域 内，因此可用一条平均曲线来表示。这种关系受土样紧密度的影响较大，随着密度的增 加，在同一应变值下动弹模比值也随之升高。 马德翠，单红仙，周其健【3 4 】结合室内共振柱和动三轴实验，对黄河三角洲饱和原状 粉质土体( 粉土、粉砂、粉质粘土) 的研究表明研究区的粉质土相比一般的砂土和饱和粘 土而言，其动力变形特性更接近于砂土，但是与砂土也存在着非常明显的差异。并给出 了三类粉质土的归一化动力变形g g m 戤办关系曲线。 王刚，李子豪，张建民【3 5 】对黄骅港海床表层淤泥采用一个试样逐级加荷的方法测不 同动应力幅值的应力应变滞回圈。给出了该淤泥的动模量和阻尼比随固结压力和动剪 应变的变化关系。 周健池，毓蔚，t h t r i a n t a f y l l i d i sd k o n i g 3 6 1 对城市垃圾土分别施加两种不同荷载进 行动三轴试验，重塑垃圾土在不同固结压力、不同循环应力和不同循环周数下的动压缩 模量随轴向动应变变化曲线可用固结压力来归一。 贾彬，邓安福，王皆伟【3 7 】通过砂卵石土室内动三轴试验，对不同饱和度的砂卵石土 的动力特性进行研究。砂卵石土的动弹性模量随固结压力值增大而增大，随材增大而减 小，其应变较小时这种趋势更加明显，曲线斜率越大。 土体动弹性模量和动剪切模量关系对比研究 刘雪珠，陈国兴，朱定华，胡庆兴1 3 8 】通过对苏南地区淤泥质粉质粘土、粘土、粉质 粘土、粉质粘土与粉细砂互层土、粉土、粉砂、细砂和中粗砂等8 类新近沉积土1 5 5 个 原状土样历时4 年的试验研究，给出了该地区上述8 类新近沉积土的动剪切模量比 g g m 觚随剪应变幅值) ，变化的平均拟合曲线及其参数的推荐值。为便于一般工程应用， 给出了这8 类新近沉积土的g ，g m 缸) ，关系曲线的推荐值及其标准差。 李刚，陈正汉，曹继东，方祥位【3 9 1 为了探讨厦门砂土的动力特性，对厦门金秋豪园 场地的中粗砂和细粉砂做了一系列振动三轴试验，并对同一场地的含泥中砂做了4 个 共振柱试验。根据试验结果，在小应变( 小于1 0 巧) 时，厦门含泥中砂的动剪切模量随着 剪应变的增加而逐渐减小，随围压增高而增大；阻尼比随剪应变的增加而逐渐增大，随 围压增高而减小。上述成果为厦门砂土地基的液化分析与评判提供了理论依据和模型参 数。 鲍陈阳，余湘娟，高志兵【4 0 】根据云南粉土的室内共振柱试验，得到了归一化处理后 的g g m 默办和d ) ，曲线，并运用修正后的双曲线模型进行了拟合分析。 何昌荣【5 4 】使用电磁式动三轴仪进行应变1 0 。6 1 0 五的动模量阻尼试验研究，考查了 几个影响因素，其中随应变增减动模量增减几倍到几十倍，频率变化对砂性土影响不大。 在频率f - - o 1 5 h z 范围，可使粘性土动模量明显或明显几倍增减。粘性土的稠度状态和 超固结比也可使动模量成倍增减。 童华炜等( 1 9 9 0 ) p 8 】研究了增湿对黄土动剪切模量及阻尼比的影响。用d t c 1 5 8 型共 振柱仪对西安黄土在增湿以后的动剪切模量和阻尼比进行了试验分析，表明增湿黄土与 原状黄土的动剪切模量试验曲线有相同的变化趋势，增湿黄土动剪切模量的变化与饱和 度以及有效固结压力有关。在一般固结压力下( t r o = 1 0 0 和2 0 0 k p a ) 增湿黄土的动剪切模量 随饱和度的增大而明显下降，而当固结压力较大情况( a o = 4 0 0 k p a ) ，动剪切模量受饱和度 的影响并不明显。在小应变范围内，增湿黄土的阻尼比与原状黄土的阻尼比相比较，受 饱和度的影响较小。但文中饱和度对动剪切模量和阻尼比的影响仅是定性结果，而且只 适合于黄土的情况。 1 2 3g m 舡和磊眦相关研究 ( 1 ) 确定最大动剪切模量的经验公式 关于最大动剪切模量g | m 舣的确定，在现场一般利用弹性剪切波速法来推求；在室 内通常是利用共振柱试验或循环荷载试验结果来建立经验关系式。 大连理工大学硕士学位论文 h a r d i n & r i c h a r t ( 1 9 6 3 ) t 4 1 】指出，对于砂性土而言，当动剪应变幅小于1 0 - 5 时，动剪切 模量会趋于一个稳定的最大值，其值仅与平均有效主应力及孔隙比有关，即有如下的关 系式 g 一= 么f g b 二y ( 1 1 ) 式中，么和刀均为与土的性质有关的试验常数；足p ) 为孔隙比函数；p m 为平均有效主应 力。 h a r d i n & b l a c k ( 1 9 6 8 ) 1 4 2 】继续了这方面的研究，得出了如下的最大动剪切模量公式 对圆形颗粒砂( p 0 8 0 ) ： g 懈：6 9 3 4 掣帆) 0 1 5 ( k e a ) ( 1 - 2 ) 对角状颗粒砂： g 一：3 2 2 9 掣帆) o 5 ( k p a ) ( 1 - 3 ) h a r d i n & b l a c k ( 1 9 6 8 ) 同时认为公式( 1 - 3 ) 可适用于正常固结粘土。 对于上面的公式，袁晓铭，孙静【4 3 1 进行了修正，因为此公式不适合非均等固结条件， 他们将g 分为均等固结条件下的g o 曲和由偏压引起的g m ，通过幂函数模式建立 够翘。肼与怒- 1 ”之间的关系，即0 么棚= c ( k c 一1 ) 口，确定b ，c 是实验的关键，结 果证明：c ，b 是孔隙比的函数，新公式为： ：g o ，g 脚= 1 1 7 掣吧”h 0 8 5 e 1 5 4 s ( k c _ 1 ) o 孤】( 1 - 4 ) l + p 一。 新公式所得数据与实验数据相比较，平均误差2 1 ，最大7 6 ，效果理想。 祝龙根等( 19 8 8 年) 悃d m e v e c h 共振柱仪对低幅剪应变条件下砂土的动力特性进 行了研究，提出了确定最大弹性模量磊双、最大剪切模量g m 舯动弹性模量e 和动剪切 模量g 的经验公式。应用d r n e v i c h 共振柱仪既能测定动弹性模量e ，又可测定动剪切 模量g 的特点，提供了计算参数动泊松比。用福建饱和标准砂样，对h a r d i n 的公式进 行了修正，提出了一个确定g m 践的经验公式： g 腿- 5 8 0 掣吒( 1 - 4 ) 公式中，考虑了孔隙比p 和有效围压砚的影响，但没有