（岩土工程专业论文）土体的动模量和阻尼比的试验技术研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 土的动模量和阻尼比是描述土的动力变形特性的两个基本参数，也是实际工程设计 中所需考虑的最主要的动力参数。影响土的动模量及阻尼比等动态特性参数的因素有很 多，其中以剪应变幅、有效平均主应力、孔隙比与土的组构( 包括试样制各方法) 的影响 最大。 本次研究使用的仪器是大连理工大学与日本诚研株式会社合作研制的“土工静力一 动力液压三轴一扭转多功能剪切仪”， 该仪器设置了两套测量系统：一套为内置式的 非接触微小位移计及转角计；一套为普通的接触式竖向位移计及转角传感器。为了提 高土工测试精度，拓宽应变测试范围，试验中尝试将非接触与接触式竖向位移计与转角 计联合使用。这样，同一个试样的动模量随动应变幅值的变化关系曲线可由接触式位移 计与非接触式位移计联合测得，既避免了竖向大位移计在微小应变幅下测量不够准确、 精度不能满足要求的问题，也避免了小位移传感器测量范围有限的缺点。试验结果表明， 这种试验技术能够很大程度地提高了位移的测量精度，从而获得至关重要的微小应变的 试验数据。 对于动力变形特性参数的测定，针对粉煤灰和福建标准砂，通过试验探讨了利用循 环三轴试验和循环扭剪试验进行动模量阻尼比特性研究的试验技术。本文首先针对采用 1 个试样通过多次固结的方法代替采用3 到4 个试样获得全部动模量和阻尼比特性的方 法进行了试验研究，探讨了两种试验方法获得试验结果的主要差别；然后采用一级循环 加荷结束进行充分排水再旌加下一级荷载的逐级消散孔压的间断排水方法与完全不排 水试验方法进行了对比，着重研究了不同试验方法所获得的动模量特性与阻尼比特性。 研究结果表明：使用一个试样通过改变初始固结压力的方法所获得的试验结果在初始固 结压力3 - 1 0 0 l ( p a 、2 0 0 诤a 、3 0 0k p a 时与采用独立试样分别进行试验的常规方法的结 果基本一致，是比较可靠的。这种方法能够确保试验过程中试样成型的稳定性，而且节 省拆样、装样以及试样饱和的时间，在很大程度上提高了工作效率。利用逐级消散孔压 的间断排水方法所获得的动模量阻尼特性与常规方法的试验结果也十分相近。 为了研究固结应力比对粉煤灰的动模量特性的影响，本文针对相对密实度d r = 6 0 的粉煤灰进行了固结应力比凰= 1 o 、1 5 和2 o 的循环三轴试验，试验结果表明：不同 固结应力比条件下的动弹性模量b 联系曲线，随着动应变幅值的增大，动弹性模量呈 现一致的衰减趋势；当恐= 2 0 时各级初始固结压力下的最大动弹性模量值有下降趋势。 关键词：循环三轴试验；循环扭剪试验；动模量：阻尼比；固结应力比 土体的动模量和阻尼比的试验技术研究 s t u d yo ne p e r i m e n t a lt e c h n o l o g y0 b t a i n e dd y n a m i cm o d u l u s a n dd 锄p i n gr a t i oo fs o i l s a b s t r a c t d y n a m i cm o d m u sa 工l dd a n 叩h gr a t i o ，t h e 却om a i np a r 锄e t e r sd e s c r i b i n gd y n 锄i c d e f o n n a t i o no fs o i l ，a r eo f 留e a ti m p o r t a l l c ei nt h ea 1 1 a l y s i so fs o i l1 a y e ra n d 砥s e i s i n i c r e 印o n s e t h e 似op a r a m e t e r sa r ed e t e r m i n e db ym 甜l yf a c t o r s ，o fw h j c he f 诧c t i v em e a n p r m c i p a ls 仃e s s ，v o i d 枷oa n ds 仇1 c t l l r eo fs o i la r e 恤m o s ti m p o r t 趾tf a c t o r s t h ea p p 枷帆s1 l s e di 1 1t l l ee x p 咖n t s ，s o i ls t a t i ca n dd 肿i cu n i v e r s a lt r i a 】【i a la l l d t o r s i o n a ls h e a ra p p 缸孤l s ，i sm a d eb yd a l i a l lu n i v e r s 酊o f t e c h n o l o g ya n ds e i k e nh l c ，j 印锄 i nt l l i sa p p a r a t l l s ，抑om e a s 嘶gs y s t e m sa r c 删p p e d ：o n ei su n - t o u c h c dd i s p l a c e m e n t s e 船o ra n dc o m e rs e n s o ri n s t a l k di n 也et r i a x i a lc e l l ，m eo t h e ri st o u c h e dd i s p l a c e m e n ta n d c o m e rs e n s o r h lo r d e rt oi n l p r o v e 也ep r e c i s i o no fe x p e r i m e n t ，b o m ( h eu i l - t o u c h e da n d t o u c h e dd i s p l a c e m e n ts e n s o ra r el l s e dt o g e t l l e r t h ec u r v et b a td y i l a m i cm o d u l l l so ft h e s 岫p l ev a r i e sw 油t h ea l p l i 恤d eo fd y n a l i cs 岫c a nb eo b 怔血e ds i i n _ 1 1 1 t a n e o u s l yb y t o u d l e dd i s p l a c e m e n ts e n s o r 卸du n t o u c h e dd i s p l a c 锄e n ts e l 】s o r ，a v o i d i n gt h ed i s a d v 鲫t a g e 也a t 也ev 酬c a ll a r g ed i s p l a c e m e n ts e n s o r si si n a c c u r a t eu n d e rs m a l ls t r a i n 纽叩1 i n l d ea n dt b e m e a s l l r er a l l g eo f 锄a 1 1d i s p l a c e m e ms e i l s o r si sn a r r o w i nt l l i sp 印e r ，t 1 1 em e 也o d sa n dt e c h n i q u e s 也a td y n a m i cm o d u h l 8a r l dd 黜p i n g 戚oa r e m e a s u r e db yc y c l i ct r i a ( i a lt e s t sa 1 1 dc y c l i ct o r s i o n a lt e 池a r ed i s c u s s e d t h r o u 曲c o m 】瑚- i n g 也ed 卿i cd e f o r m a t i o nb e h a v i o rm e a s u r e db yc o n v 删o n a lm e t h o d sm r e s i l l t sc o i n i n g r e s p e c t i v e l y 丘o m 也et e g tl ，i e s 锄p l eu n d e rt b r e ed i 矗色r e n tm e a ne f f b c 垃v ec o n f m i i 】g p r e s s u r e sa n d t e s t2 ，i e s 锄p l eu 1 1 d e rd i s s i p 蛐gp o r ew a 时p r e s s l h 矗氍l u e n n y t h ed a l 】1 p i i l g r a t i op r o p e r 够趾d 协em 砒o d sb yw h i c h d y n a 工n i cm o d u l u sa n dm a x i n m m 由m 锄i ei n od _ m u s a r em e a s u r e da r es t l l d i c d t h ec o n c l u s i o ni st h a t 也er e s u n s 丘o mt e s t la 掣e e 谢mt h o s ef r o m c o n v e 埘o n a lm e 也o d sw h e ni n i t i a lc o n f i 血gp r e s s u r e 一3e q u a l s1o o k p a ，2 0 0k p ao r3 0 0k p a f u r t h e m l o r e ，t m sm e t l l o dc a i lg u a r a n t e et h es t a b i l i t yo ft h es 锄l p l ed u r i n ge x p e r i m e n ta n d e f b c t i v e l yd e c r c a s em et i m eo fm a k i n ga n ds a t u r a t i n gs 鼬p l e s 1 h ec o m p a r i s o na l s os h o w s t h a td y n 锄i cm o d u l u sa n dd a m p i n g 枷。矗d mt e s t2i sc 1 0 s et or e s u l t s 台o mc o n v e n t i o n a l m e t h o d s i no r d e rt oe x p l o r ct 1 1 ee f f e c to f n ya s hc o n s o l i d a 廿o ns t r e s sr a t i oo ni t sd y n a m i c m o d 谢u s ， c y c l i ct r i a x i a lt e s t sa r ep e r f o h i l e do nf l ya s hw h o s er e l a t i v ed e n s i t yo f 研i s6 0 ，u n d e rt h e c o n d i t i o nt h a tc o n s o l i d a t i o ns 廿e s sr a t i o 恐e q u a l s l o ，1 5a n d2 or e s p e c t i v e l y r e s u l ts h o w s t h a t ，a si 1 1 u s 昀t e db ym ec u r v eo fn 1 1 1 1 d e rd i f f e r e n tc o n s o l i d a i i o ns 仃e s sr a t i o ，t h ed y n 啦i c 大连理工大学硕士学位论文 m o d u l u sd e c r e a s e sc o n s i s t e n t l ya st h ea i 】叩l h l d eo fd y n 锄i cs 乜缸ni n c r e a s e s w h e n c o n s o l i d a t i o ns t r e s sm t i o 凰e q u a l s2 o ，也em a ) 【i “n 1 i nd y n 枷cm o d u l u s1 】1 1 d e rd i m r e n ti n i t i a l c o n s o l i d a t i o ns t r e s si sd e s c e n d i n g k 昭w o r d s ：c y c h ct r i a x i a lt 器t s ；c y c u ct o 玮i o n a l t e s t s ；d y 蚰m i cm o d u l u s ；d a m p i n g r a t i o ：c o n s o h d a t i o ns t r e s sr a t i o 大连理二r ：大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题研究的目的和意义 我国多次大地震的记载和研究表明，土质条件对震害有明显的影响，例如1 9 7 5 年 的海城地震调查发现n 】，位于盘龙山台基岩测点附近的砖石房屋基本完好，但在该台土 层测点附近的砖石房屋和礼堂则破坏严重，甚至倒塌。实测结果表明，对同一次地震， 地基土与基岩最大加速度的平均比值为3 2 。在1 9 7 6 年的唐山地震中【2 j ，滦县榛子镇所 属的8 个公社中，震害程度明显不同，其中覆盖土较厚的龙坨震害最严重，而基岩埋深 较浅的杨柳庄和董子庄震害最轻。通过多次震害现象的调查，土层的共振、滤波效应和 放大作用以及土的力学性能已受到地震工程界的普遍重视，其中场地条件对地震动影响 显著已经是公认的事实。场地条件包括土层的分布结构和各土层的动力性能，两者构成 了土层条件的基本医素。海城和唐山的地震震害实例则是由于场地条件的不同引起的。 无论土层的共振还是放大滤波效应都与土本身的动力特性密切相关，因此土的动力特性 是影响地面运动特性的主要因素之一。土的动力特性的作用，包括初始剪切模量和土的 非线性衰减关系以及土层的非线性分析方法的影响等。目前在场地地震反应分析、土工 构筑物地震稳定性评价、土一桩一结构体系动力相互作用分析和近海场地地震稳定性评 估中，多数采用等效线性化方法例。 目前，工程上一般采用动力反应分析的方法来验算建筑物的抗震性能，进行动力反 应分析需要通过试验来确定地基土或土工建筑物本身的动力特性指标，其中，土的动剪 切模量及阻尼比是两个必不可少的参数。不同的地区质不同，影响土的动模量和阻尼 比的因素也很不相同。因此不可简单的直接使用经验公式，必须采用试验方法确定模型 参数。实验室测定土的动模量和阻尼比一般可用以下几种仪器：共振桂仪、扭剪仪、三 轴剪切仪。不同的仪器有不同的应变范围和不同的测量结果。共振柱仪可直接确定在小 应变1 0 石1 0 4 范围内的动剪切模量和阻尼比，其它仪器适用于确定中等到大变形范围内 的参数。它们的主要区别是试样成型方式、施加动荷载方式和分析方法不同”】。 利用振动三轴仪对土的动力特性进行试验研究的思路，最早是由我国学者黄文熙教 授提出的。2 0 世纪5 0 年代末，在黄文熙教授的倡导下，用振动三轴仪进行砂土液化研 究的方法目益受到重视1 4 】，并开展了大量的试验工作，取得了丰硕的成果。日本龙岗文 夫等【5 】对无粘性土动力特性的三轴试验研究进展进行了全面总结，指出尽管三轴仪存在 不能模拟主应力方向旋转等局限性，但在测定土的强度与变形特性方面仍不失为一种有 效的试验方法。目前振动三轴仪仍然是研究土的动力特性的最主要试验设备【6 。1 ”。利用 振动三轴仪进行试验，试样上所受的力是轴对称的，即试样受到的3 个主应力中，有2 土体的动模量和阻尼比的试验技术研究 个是相等的。这类仪器具有很大的局限性。它的状态不能反映中间主应力的影响，亦不 能反映主应力轴方向旋转的影响等，因此又先后研制出了各种振动扭剪三轴仪。三轴剪 切仪是实验室测定动模量和阻尼比的常用方法，是根据动应力和动应变的关系的滞回曲 线，求出各项参数指标，但要给出动剪切模量，需假定泊松比不变的情况下进行转换。 使用剪切仪可采用应力应变法测定土的模量和阻尼，但其在高度和水平面上剪力分布不 均匀，在地震荷载下不排水条件难以满足，目前主要用于测量动强度。振动扭剪试验也 是采用应力应变法测定土的剪切模量，但试样成型较困难，土体中非线性应力应变分布 还不十分清楚，试验技术和试验方法还有待进一步研究。以一维波动理论为基础的共振 柱仪试验，是小应变条件下测定土动力特性参数较为理想的方法，由于它具有试验结果 离散性小，操作方便等优点，已成为土动力学特性测试很重要的实验手段删。 土力学的发展史也是土工仪器的研制和发展的历史。土力学不断发展，新型仪器 设备不断出现，测试内容不断完善，测试的可靠度逐渐提高，这个过程永远不会完结。 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”。该设备能进行静应力路径三轴试验、静扭剪、动扭剪、动三轴及垂直振 动与周期扭剪双向振动的耦合试验，能模拟动主应力轴旋转、地震液化及液化后大变形 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 精度以及操作的难易程度上都有了很大的改进【l “。 为了提高土工测试精度，拓宽应变测试范围，本课题在试验中尝试将“土工静力一 动力液压三轴一扭转多功能剪切仪”的两套测量系统联合使用，即将非接触与接触式竖 向位移计与转角计联合使用。这种试验技术能够在很大程度上提高位移的测试精度，并 且能够获得至关重要的微小应变的试验数据。对于动模量和阻尼比的测定，本文在试验 中均采用这种非接触式与接触式位移计联合使用的技术，针对不同相对密实度的粉煤灰 和福建标准砂，进行了循环三轴和循环扭剪试验。本文首先针对采用1 个试样通过多次 固结的方法代替采用3 到4 个试样获得全部动模量和阻尼比特性的方法进行了试验研 究，探讨了两种试验方法获得试验结果的主要差别；然后采用一级循环加荷结束进行充 分排水再施加下一级荷载的逐级消散孔压的间断排水方法与完全不排水试验方法进行 了对比，着重研究了不同试验方法所获得的动模量特性与阻尼比特性的差别。本文中将 非接触式与接触式位移计联合使用的试验技术可获得微小应变的数据点，从而对最大动 模量的准确求取具有十分重要的意义。本文采用一个试样通过多次固结获得动模量和阻 尼比特性的方法能够确保试验过程中试样成型的稳定性，节省装样、拆样以及试样饱和 的时间，在很大程度上能够提高工作效率。 火连理工大学硕士学位论文 1 ，2 国内外研究概括及发展动态 土的动模量和阻尼比是土动力学特性首要的两个参数。采用不同类型的仪器设备， 可对土其进行测试和研究。国内外许多学者应用共振柱仪、动三轴仪、扭剪仪以及联合 测试等方法，对土的动弹性模量e ，动剪切模量g 、阻尼比参临界剪应变内孔隙比、 固结压力、应变大小之间的关系，进行了较广泛的研究，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 测试精度的研究成果 土工试验中，人们经常采用三轴试验方法来测定分析土的变形与强度特性，土的变 形特性随土体中应变的大小而非线性变化，在应力一应变理论模型研究和土工建筑物与 地基静、动变形估算和稳定分析中，必须了解土的1 旷一1 0 。1 连续应变范围内应力一应变 关系及其强度特性，但是，常规三轴仪的应变测试精度通常在l0 4 1o ，不能满足需要 口”。所以人们一方面在积极改善振动三轴仪的测试精度，另一方面致力于新的实验设备 的研发。为了提高土工测试精度，拓宽应变测试范围，使土的应力应变理论模型的研究 建立在可靠的试验基础上，学者们进行了广泛的研究，获得了大量的研究成果。 何昌荣( 1 9 9 5 年) ”4 j 在动三轴仪上使用自制的高灵敏度电阻式应变计量测到应变占= 1 0 4 1 0 2 的模量阻尼。郭莹、栾茂田等( 2 0 0 3 年) 1 5 】结合“2 1 1 工程”建设项目，研制与开 发能够实施复杂应力路径试验的土工设备“士工静力一动力液压三轴一扭转多功能剪切 仪”，该设备能够实现多种固结条件、多种静力与循环剪切的复杂应力路径试验，具有 广泛的适用性。伴随着新的试验设备的出现，新的试验方法也应运而生。在测定土的 动力特性参数的试验中，人们往往以规范规定的方法为依据，再根据实际的试验目的和 所用的试验仪器进行改动。本文将“土工静力一动力液压三轴一扭转多功能剪切仪”的 两套测量系统，即非接触式与接触式位移计和转角计联合使用，能够在很大程度上提高 微小应变的测试精度，在循环三轴试验中轴向应变耐达1 0 一，循环扭剪试验剪应变厕 达1 0 。 1 2 2 测试方法的研究成果 在实验室测定土体的动力变形参数常采用共振柱仪、动扭剪仪或动三轴仪。振动单 剪仪采用实心试样，但是剪应力和剪应变的分布极不均匀。为了在循环加荷前和加荷过 程中测量和控制侧向应力，人们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。h a r d i n ( 1 9 7 2 年) 研制了空心圆柱扭剪仪，空心圆柱试样上所受的剪应力基本上 是均匀的。从2 0 世纪6 0 年代开始，共振柱技术因其可研究土样1 0 。1 0 4 连续应变范围 内土的动力变形特性，而被广泛地应用于土的动模量和阻尼比的指标测定。 土体的动模量和阻尼比的试验技术研究 1 2 2 1 一个试样多次固结的试验方法 地基动力特性测试规范规定利用动三轴试验测试动弹性模量以及阻尼比随动应 变的变化时，宜逐级施加动应变幅或动应力幅，后级的振幅可控制为前一级的1 倍， 在同一试样上选用允许施加的动应变幅或动应力幅的级数时，应避免孔隙水压力明显升 高。由此可见，地基动力特性测试规范对于采用动三轴仪测试动弹性模量以及阻尼比随 应变幅的变化，既没有规定轴向位移的量测精度，也没有规定必须采用独立试样进行不 同固结压力条件下的逐级施加动荷载试验。何昌荣【1 4 】曾针对三种粘性土和四种砂性土， 利用一个试样在振动2 0 级左右荷载后，改变初始固结压力毋。或初始固结比厩继续固结 后再振动的方法进行了动模量阻尼比试验，得到的每一个动模量e 与应变幅值s 曲线不 仅连续光滑，而且不同仍。或厩之间的曲线也光滑连续符合般规律。王权民、李刚【l 引 等为了探讨厦门砂土的动力特性，对厦门细砂和中粗砂进行了动强度和动弹模试验。其 中动弹模试验是在小应变的情况下由小到大分级施加1 0 多级荷载，每级荷载振动l o 周， 记录应力一应变滞回圈，楣邻级荷载之差大约为使试样产生上一级荷载的1 5 2 o 倍变 形。最大双应变幅不超过1 ，其中大部分为可恢复变形。试验中控制试样中的孔压不 超过围压的l o ，轴向应变小于2 ，在一组动弹模试验结束后可直接增大轴压和围压 进行下一组动弹模试验。本文针对粉煤灰和福建标准砂，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动模量阻尼比试验。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试验结果进行比较，得到了 一些有益的结论。 1 2 2 2 逐级消散孔压的试验方法 对于土试样动力特性参数的测定，地基动力特性测试规范【l7 】明确规定了排水条件以 及孔隙水压力增长特性的测试方法规定如下：测试动弹性模量以及阻尼比随动应变幅的 变化时，应使试样在静力作用下固结稳定，再在不排水条件下逐级施加动应力或动应变； 后一级的振幅可控制为前一级的1 倍；在同试样上选用允许施加的动应变幅或动应力 幅的级数时，应避免孔隙水压力明显升高；在振动三轴仪上测试动弹性模量和阻尼比时， 动应力的作用振次不宣大于5 次：土试样的动强度或抗液化强度测试，同样宜在不排水 条件下进行，在试样上施加稳态振动的轴向动应力，并记录应力、应变和孔隙水压力 的变化过程。土工试验规程l l 川在进行振动三轴试验中规定，施加固结压力后打开排水阀 或体变管阀和反压力阀，使试样排水固结。砂土试样等向固结时，关闭排水阀后5 m i l l 内孔隙水压力不上升；不等向固结时，5 m i m 内轴向变形不大于o 0 0 5 m m 。达到此种条 件表明固结稳定。对于动弹性模量和阻尼比的测量，同一干密度的试样，在同一固结应 力比下，应在1 至3 个不同的侧压力下试验，每一个侧压力，宜用5 6 个试样，改变 大连理工大学硕士学位论文 5 6 级动力。在测定土的动力特性参数的试验中，人们往往以规范规定的方法为依据， 再根据实际的试验目的和所用的试验仪器进行改动。李永乐、陈宇等( 2 0 0 2 年) 口0 j 根据粉 煤灰的特性，分别对原状粉煤灰和击实粉煤灰进行了动力特性试验研究。在粉煤灰的动 剪切模量和阻尼比试验中，当试样固结稳定后，在不排水条件下施加动荷载进行试验， 试验中在选择每一级施加的动荷载时，为了减少工作量，采用一个试样在同一固结压力 下，改变5 ，6 级动荷载连续进行试验的方法。当第一级动荷载选定后，即进行试验，达 到预定振次( 1 0 一2 0 次) 后再振2 0 次，然后停机并打开排水阀进行排水，待试样中的孔隙 水压力消散为零后，关闭排水阀，再加下一级动荷载进行试验。王刚、李子豪等f 2 0 0 6 年) 【2 l 】针对波浪作用的具体特点，对黄骅港海床表层淤泥进行了动模量、动变形及动强 度试验。其中所有试样都为均压固结，根据原位可能的围压范围和试验设备的量测精度， 选取3 个固结压力( 毋= 3 0 、6 0 、9 0 k p a ) 。采用一个试样逐级加荷的方法测定不同动应力 幅值的应力一应变滞回圈。即在每一个固结压力下，逐渐增加动应力。在每一个动应力 下连续振动4 个循环，选择第3 个循环的应力应变曲线作为该级动应力下的滞回圈。然 后打开排水阀至孔压消散后，关闭排水阀门施加下一级动应力。本文在测定动模量和阻 尼比特性的试验中采用一级循环加荷结束进行充分排水再施加下一级荷载的逐级消散 孔压的间断排水方法，将这种方法的试验结果与完全不排水试验方法的结果进行比较， 探讨了两种试验方法对土体动模量阻尼比特性的影响。 1 2 3 不同土类的研究成果 1 2 3 1 砂土的研究成果 h a r d i i l & d m e v i c h ( 1 9 7 2 年) 吲提出砂土的剪应力与剪应变关系呈近似的曲线关系， 当应变增加时其应力一应变曲线斜率减小，即剪切模量会随着应变振幅的增加而减少。 h a l l & 础c h a n ( 1 9 6 3 年) 幽】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 尼比随剪应变的增加而增加。当剪应变介于10 - 5 1 0 r 4 之间时，阻尼比的变化非常小f 小 于2 ) ，而当剪应变大于1 0 4 时，阻尼比增加的幅度则有增加的趋势。s e e d & i “s s n 9 7 0 年) 田j 在总结了大量试验资料的基础上，给出了一个可适用于砂土的最大动剪切模量公 式： g m 。= 2 1 8 8 ( 叠) 一( 戍。) ( 1 1 ) 式中，多。o 为平均有效主应力：磁) 。为与砂土的孔隙比有关的参数。式中表明， 剪切模量随平均主应力的增加而增大。 微小应变下的剪切模量g 。通常可用波动法( 测定土中的波速) 或共振柱法来测定。 前者主要测定土的应变幅小于1 0 。6 以下的情形，而后者应变幅可达1 0 6 左右。 土体的动模量和阻尼比的试验技术研究 h a r d i n 鼬c h a 呱1 9 6 3 年) 2 4 1 旨出，对于砂性土而言，当动剪应变福小于1 0 一5 时，动 剪切模量g 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 m 。= 爿，( e ) ( 比) ” ( 1 2 ) 式中，彳和”均为与土的性质有关的试验常数 主应力。 h a r d i n b l a c “1 9 6 8 年) 2 5 】继续了这方面的研究， 对圆形颗粒砂0 1 的非均等固结试验，打开排水阀 使上下界面同时排水固结约5 m i l l ，按照一定的速率施加所需要的竖向荷载后，继续固 结，因此非均等固结试验的固结稳定时间比均等固结试验的长。固结完成后分段施加2 0 级左右荷载，每级荷载循环5 次，以便绘制应力应变滞回圈。 幺3 4 试样体的应力应变参数 循环三轴试验采用实心圆柱状试样。固结后试样体的高度鼠和体积k 可按下式计 算 鼠可知“z c ( 2 1 ) y 圪 ( 2 2 ) 式中，凰为试样的初始高度，c m ；为试样的初始体积，c m 3 ；为固结后试样 的竖向位移，c m ：k 为固结后试样的体变，c m 3 。后两项均可在固结后实测得到。 大连理工大学硕士学位论文 循环扭剪试验采用空心圆柱状试样。从严格意义上讲，在空心圆柱状试样上的应力 分布是不均匀的，但由于采用了较大尺寸的试样，并且空心圆柱状试样的壁厚也较小。 因此，可以认为应力应变分布的不均匀性对试样结果分析影响较小，这里均用平均应力 和平均应变来分析应力应变状态。空心圆柱试样受力如图2 5 ( a ) 所示，图2 5 ( b ) 为空心圆 柱试样壁上任一土单元体的应力状态，图2 5 ( c ) 为单元体上轴向与环向平面内的应力状 态。 图2 4 空心圆柱试样中土的应力状态 f i g 2 4s 骶s ss t g c eo f s o i le l e m e n ti nh o l l o wc y l i n d e rs 缸1 p l e 平均应力与平均应变计算均与试样体的面积密切相关，因此需要由所测得固结后的 试样体体变圪、试样体内腔室体变。计算出试样在固结后的内径和外径，即剪切前 试样体的内径和外径。当假定试样体始终为圆柱状时，固结后试样体的高度、内径以及 外径分别按下式计算 鼠2 凰一 ( 2 3 ) 以= d c = ( 2 4 ) ( 2 5 ) 式中，痂、d o 分别为试样的初始内径与外径，c m ；凰为试样的初始高度，c m ；k 。 为固结后试样的内腔室体变，c m 3 ；k 为固结后试样的体变，c m 3 ；2 k 为固结后试样产 生的竖向位移，c m 。后三项可在固结后实测得到。试样体的平面应变与平面应力计算参 见参考文献【1 2 。 土体的动摸量和阻尼比的试验技术研究 2 4 试验方案 本次研究使用的仪器是大连理工大学与日本诚研株式会社合作研制的“土工静力一 动力液压三轴一扭转多功能剪切仪”，为了提高土工测试精度，拓宽应变测试范围，试 验中将该仪器设置的接触式竖向位移计与转角计以及非接触式竖向位移计与转角计联 合使用。试验研究共分三部分进行： ( 1 ) 针对相对密实度分别为f 3 0 和6 0 的饱和粉煤灰料和饱和福建标准砂，在 均等固结条件下进行了初始固结压力为1 0 0 、2 0 0 、3 0 0 k p a 的循环三轴试验。分别进行 了采用一个试样在三个均等固结压力条件下分别逐级施加动荷载的方法获得全部动模 量和阻尼比参数的试验以及常规试验，即采用三个独立试样施加三个不同均等固结压力 确定全部动模量与阻尼比参数的试验，并对试验数据进行了对比分析，获得些有意义 的结论。 ( 2 ) 针对相对密实度分别为d r 岛o 和6 0 的饱和粉煤灰料，在均等固结条件下进行 初始固结压力为1 0 0 、2 0 0 、3 0 0 k p a 的循环三轴试验和循环扭剪试验；针对相对密实度 分别为d r = 3 0 和6 0 的福建标准砂，在均等固结条件下进行初始固结压力为1 0 0 、2 0 0 、 3 0 0 心a 的循环三轴试验。在各种条件下，进行了两种类型的试验，种为完全不排水试 验，即在整个循环和再施加过程中不排水；种为间断排水试验，即在每一级不排水施 加完成以后打开排水阀使孔压消散。再在不排水条件下施加荷载，对两种试验方法所获 得的模量与阻尼比结果进行了对比研究。 ( 3 ) 针对相对密实度为d r = 6 0 的饱和粉煤灰，在固结应力比丘分别为1 o 、1 5 和 2 0 条件下，进行初始固结压力为l o o 、2 0 0 、3 0 0 k p a 的循环三轴试验。探讨了固结比对 粉煤灰动模量阻尼比特性的影响。 大连理工大学硕士学位论文 3 一个试样多次固结的方法对动模量阻尼特性的影晌 31 概述 土在动力荷载作用下所产生的变形往往由弹性变形和塑性变形两部分组成，当动力 荷载较小时主要表现为弹性变形，当动力荷载增大，塑性变形逐渐发展。不同应变幅值 下的应力一应变关系特征明显不同【1 “。因此，当研究土在动力荷载作用下的动力特性时， 首先应该区别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，一 般主要考虑变形参数，如动模量和阻尼比随应变水平的变化规律：在大应变幅范围内， 除了考虑模量和阻尼比等动力变形特征以外，着重研究土的动强度、残余变形、孔隙水 压力增长等问题。 由上可以看出，土的动模量和阻尼比是土动力学计算与分析的基本参数，研究表明 陋4 j ：土的动模量和阻尼比等动力变形特性的影响因素有很多，包括动应变幅、平均有效 主应力、孔隙比、塑性指数、超固结比( 应力历史) 、循环周数、饱和度、八面体剪应力、 振动频率、时问效应、颗粒特征、土的结构、温度( 包括冰冻) 等。 h a 州i n d r n e v i c h ( 1 9 7 2 ) 瞄铵其影响程度的大小，将这些因素大致分成了三类，对无粘 性土而言，以动剪应变幅、平均有效主应力、孔隙比的影响最大，为第一类；循环周数、 饱和度、八面体剪应力的影响次之，为第二类；超固结比、振动频率、肘问效应、颗粒 特征、土的结构的影响最小，为第三类。 鉴于动模量和阻尼比二者的重要性，因此，学者对其展开了广泛的研究。在进行测 定动模量阻尼比试验时，规范中并没有明确规定必须采用独立试样在不同固结压力条件 下逐级旌加动荷载。有学者在遵照规范规定的前提下，使用了一个试样经过多次圃结的 方法来获得不同初始固结压力下的动模量阻尼比特性【1 4 ，1 8 】。这种方法能够节省装样、拆 样以及试验饱和的时间，在很大程度上提高工作效率。在本章试验中采用了这种使用一 个试样经过多次固结的方法代替采用3 到4 个试样分别获得全部动模量阻尼比的试验方 法，并探讨了两种试验方法获得的动模量阻尼比试验结果的主要差别。 3 2 试验概况 3 2 1 循环三轴试验方案 试验以吉林新力热电厂贮灰场的粉煤灰和福建标准砂为试验土料，控制试样相对密实度 为分别为3 0 和6 0 ，采用两种试验方法进行均等固结条件下的动三轴试验。第一种方 法为常规的试验方法，即使用独立试样分别在各级初始固结压力下进行试验，从而获得 土体的动模量和阻尼比的试验技术研究 完整的动弹性模量和阻尼比参数( 以下简称为常规方法) ；第二种方法为制备一个试样分 别在均等固结条件下依次施加不同等级的固结压力获得完整的动模量和阻尼比参数的 方法( 以下简称为本文方法) 。两种试验方法中仅进行一次初始固结压力为l o o k p a 的试 验。因此，种土料一个相对密实度下需要制备四个试样进行试验对比研究。( 在均等 固结条件下初始固结压力d 3 与平均有效固结压力p 。o 相等，在均等固结条件下本文中用 一3 表示初始固结压力) 。 3 2 2 位移计与转角计量程的选择 本次研究使用的仪器是大连理工大学与日本诚研株式会社合作研制的“土工静力一 动力液压三轴一扭转多功能剪切仪”。本次试验仅利用了该设备的循环三轴试验功能。 对于竖向变形的测量，该仪器设置了两套测量系统：一套为内置式的非接触竖向位移计 与转角计，用于测量微小位移，最大量程为1 5 m m 和1 。，常常用于模量和阻尼比特性 研究：另一套是普遥的接触式位移传感器与转角传感器，适用于大变形与强度特性、孔 压特性及液化等问题的研究，最大量程为5 0 m m 和4 0 。 常规土工三轴仪的应变测试精度通常在= 1 酽一1 0 一，为了提高土工测试精度，拓宽 应变测试范围，试验中将非接触与接触式竖向位移计联合使用。非接触式位移计设有三 个档，分别为0 3 m m 、o 7 5 n l n l 和1 5 m m 。试样固结过程中，为了方便测量轴向位移， 将非接触式位移计置于1 5 m m 档。开始振动时，试样处于微小变形阶段，此时的非接 触式位移计置于最小档( 0 3 蛐，随着循环荷载级数的增加，竖向变形将超过非接触式 位移计的量程，为防止位移计损坏，在循环加荷停止的间隙将非接触式位移计提起，继 续使用接触式位移计进行测量。这种方法联合考虑应变的量测精度和量测范围，测得的 最小轴向应变可信度为1 0 - 5 量级，尽管试验数据中还有小于l o - 5 的一些数据，但其离散 程度比较大，不太准确。在第四章的循环扭剪试验中，同样采用接触式转角计与非接触 式转角计联合使用的技术。试验过程中将非接触式转角计置于l o 档。与循环三轴试验相 似，开始振动后随着循环荷载级数的增加，变形将会超过非接触式转角计的量程，为防 止损坏，在循环加荷停止的间隙将非接触式转角计移开，继续使用接触式转角计进行测 量，利用这种方法可使剪切应变达到1 0 4 量级。 3 3 土的变形特性 3 3 1 土的应变硬化与软化特性 土是由土颗粒所构成的土骨架和孔隙中的水及空气组成的，是一种极其复杂的材料。 大连理工大学硕士学位论文 其应力应变关系受多种因素影响，而且各种因素之间还可能存在复杂的耦合关系，因此 土的应力应变关系要依据于各种试验所揭示并通过对试验资料的分析整理而建立。大量 的三轴试验结果显示，轴向应力与轴向应变的关系曲线常表现有两种形态。一种是应变 硬化型，软土和松砂一般表现为这种硬化型应力应变形态：另一种是应变软化型，超固 结粘土和密砂常表现为这种软化型应力应变形态。 密砂的颗粒排列紧密，当受剪时土体颗粒相互错动( 剪切变形) ，同时伴随剪胀现象 发生，土体颗粒必须克服颗粒间的“咬合力”才能相互错动，故表现为较高的抗剪强度。 而后颗粒间的这种“咬合力”因颗粒的滚落、棱角的破碎被逐渐克服，就表现为应变在 增长但强度降低，于是曲线表现为应变软化型。对于松砂，当受剪时，由于土体颗粒易 于相互错动( 剪切变形) 而填充到其临近的孔隙中，并伴随剪缩，颗粒间结构变得更加紧 密，表现在应变增加强度提高，故呈现应变硬化【5 5 1 。 本文以粉煤灰和福建标准砂为土料，控制相对密实度分别为3 0 和6 0 ，采用一个试样 经过3 次或4 次固结的方法获得的均等固结条件下应力幅值与应变幅值关系如图3 1 所 示。 如图3 1 ( a ) 所示，相对密实度为3 0 的粉煤灰在初始固结压力分别为1 0 0 k p a 、 2 0 0 k p a 、3 0 0 k p a 的情况下，其应力应变关系曲线表现为明显的应变软化特性；如图3 1 ( b ) 所示，相对密实度为6 0 的粉煤灰表现为应变硬化特性。对于福建标准砂而言，在3 0 和6 0 两种相对密实度下应力幅值与应变幅值关系均表现为应变软化特性，如图 3 1 ( c ) ( d ) 。在同一种试验条件下两种土料的应力应变关系呈现不同的特性，这与土料本 身的物理性质有很大关系，还有待进一步探讨。 ( a ) 粉煤灰d r = 3 0 ( b ) 粉煤灰d r = 6 0 土体的动模量和阻尼比的试验技术研究 ( c ) 标准砂d t = 3 0 ( d ) 标准砂n = 6 0 图3 1 不同相对密实度下粉煤灰与福建标准砂的应力与应变关系 f i g 3 1r e l a t i o no f s 船s 锄ds 砌no 佃ya s l l 锄d 刑i 锄s t a n d a r ds 卸du n d e rd i f f e 嘲n 阳1 a 廿v ed 黜畸 3 4 动模量特性 由上述试验所获得的应力一应变骨干曲线可以看出，循环正应力幅值( 为简化起 见，本文均采用功与循环正应变幅曷n ( 本文以下均采用曲值近似地符合下列双曲线关系 由上式可得 则 旷东磅 墅： ! 气j 垒 民。气 吉。 去+ 言城占吒咤。c r v 4“ ( 3 1 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) 式中晶m 与q 分别为最大弹性模量与最大正应力。如图3 2 ，将最大弹性模量玩、。 坡度线与最大正应力q 水平线的交点的横坐标称为参考正应变品，则q = q 瓦。以 争= 毒一为纵坐标，以岛为横坐标，由于种m 关系为双曲线，则 气曲线呈矗线 口l m 如。e 大连理丁大学硕士学位葩文 关系，斜率6 ：上，则参考正应变 q ：旦：旦 1 瓦。6 由式( 3 2 ) ( 3 4 ) ，可得 或 n 罢2 壶瓦“气1 + 鱼 一1 民。1 + 鱼 幻乓 1 _ _ _ 一 盯y ( 3 4 ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) 图3 2 骨干曲线及相关参数 f 瑭3 2s k e l 咖nc u r v ea 玎dp a “l m e t e r 对于动弹性模量，在各种不同初始条件下的循环三轴试验中，针对所旌加的不同循 环荷载轴向正应力幅值，取5 次循环中的第二次循环所测定的正应力和正应变绘制的应 力应变滞回曲线，直接求得该级循环下正应变幅值所对应的割线弹性模量，从而可以确 定动弹性模量随正应变幅值的变化规律。 3 4 1 试验技术研究 为了更加精确的获得试样微小变形的数据点，本文采用了非接触式与接触式竖向位 移计和转角计联合使用的试验技术。试验中由竖向大小位移计联合测得的相对密实度为 6 0 的粉煤灰和相对密实度为3 0 的福建标准砂在初始固结压力为1 0 0 k p a 时的动弹性 模量随动应变幅变化的关系曲线如图3 3 所示( 图中空心圆形图标代表由非接触式微小 土体的动模量和阻尼比的试验技术研究 位移计测得，实心圆形图标代表由接触式大位移计测得) 。由图可见，由两种位移计测 得的轴向应变接合点分别为7 ，5 l 矿和1 8 1 0 4 ，也就是说，在接合点之前的动弹性模 量随动应变幅变化的关系曲线是由非接触式位移计测得的，而在接合点之后的关系曲线 由接触式位移计测得。可见利用两种位移计分别量测的位移结果算碍的动弹性模量随动 应变幅值变化的曲线在1 0 一一1 0