（岩土工程专业论文）振动频率和成样方法对饱和中砂动力特性的影响.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 饱和砂土液化特性一直是岩土工程界广为关注的问题。动三轴试验中试样制备相对 容易、试验设备具有普遍性，因此，动三轴试验依然是研究饱和砂土液化特性的有效试 验手段。影响饱和土体液化特性的因素有很多，包括土体本身的特性：土的类型、密度、 结构、级配、透水性等，以及初始应力状态、动力荷载的特性：振动荷载幅值大小、振 动频率等。 本论文采用“土工静力动力液压三轴扭转多功能剪切仪”针对相对密实度n 为 2 8 和7 0 的饱和中砂，在固结比恐为1 0 、1 5 ，围压为1 0 0 、2 0 0 、3 0 0 k p a 条件下， 振动频率厂分别为0 0 5 、0 1 、1 0 h z 进行了一系列的动三轴试验，着重探讨了振动频率 对饱和中砂动强度、峰值动孔压、峰值动应变以及动强度指标等的影响。试验结果表明： 饱和中砂动强度随振动频率增大而增大；给定荷载幅值，达到同一水平的峰值动孔压及 动应变，频率越大所需要的振次越多；动强度指标妒值随振动频率的增大也有所增大。 试样制备是室内试验的关键环节，成样方法的不同会导致试样内部土粒排列结构的 不同，从而引起试样力学性质的差异。本文采用干装模外敲击振密法和湿装夯实法制备 试样，针对相对密实度口分别为2 8 、5 0 和7 0 的饱和中砂，在围压为1 0 0 k p a 均压 固结条件下，振动频率为0 1 h z 进行了动强度试验；以及相对密实度n 为2 8 的饱和 松砂在围压分别为1 0 0 、2 0 0 、3 0 0 k p a 的均压固结条件下，振动频率为0 1 h z 进行了动 模量、阻尼比试验。探讨了试样制备方法对动强度特性和动模量与阻尼比特性的影响。 试验结果表明：干装法试样的饱和中砂动强度以及动模量均大于湿装法的结果；而不同 的试样制各方法对阻尼比基本没有影响。 实验室常用的试样饱和方法即使是效果比较好的真空饱和法，有时也不能使试样饱 和度超过9 5 ，因此，在这种情况下就会利用反压进行饱和。虽然施加反压对试样的饱 和度有一定的提高，但是否会影响到试样本身的动力特性? 本文针对相对密实度d f 分 别为2 8 、5 0 和7 0 的中砂以及n 为7 0 的标准砂在围压为1 0 0 k p a 的均压固结条件 下，振动频率为0 1 h z 进行了施加反压和不施加反压的动三轴试验，试验结果表明：施 加反压可以有效地提高试样的饱和度，而对试样的动力特性几乎没有影响。 关键词：振动频率；成样方法；反压饱和；动强度；动模量；阻尼比； 振动频率和成样方法对饱和中砂动力特性的影响 a b s t r a c t n l el i q u e f a c t i o nb e h a v i o ro fs a t u r a t e ds a n dh a sb e e nt h ef o c u si nt h ef i e l do f g e o t e c h n i e a le n g i n e e r i n g t l l cd y n a m i ct r i - a x i a lt e s ti ss t i l la l le f f e c t i v em e t h o du s e dt os t u d y t h el i q u e f a c t i o nb e h a v i o ro fs a t u r a t e ds a n d ，b e c a u s et h es p e c i m e np r e p a r a t i o ni se a s i e ra n dt h e e q m p m e mi sc o m m o n t h e ma r em a n yf a c t o r sa f f e c t i n gl i q u e f a c t i o nf e a t u r e c o fs o i l ， i n c l u d i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fs o i li t s e l f , s u c ha st h es o i lt y p e ，t h ed e n s i t y ，t h es t r u c t u r e ，t h e g r a d u a t i o n , p e r m e a b i l i t ye t c ，a n dp r i m a r ys t r e s ss t a t ea n dt h ec h a r a c t e r i s t i e so fd y n a m i cl o a d s u c ha st h ea m p l i t u d eo fv i b r a t i n gl o a d ，t h ev i b r a t i o nf r e q u e n c ya n ds oo n as e r i e so fd y n a m i ct r i a x i a lt e s t sw e r ed o n eb y “s o i ls t a t i ca n dd y n a m i cu n i v e r s a l t r i a x i a la n dt o r s i o n a ls h e a ra p p a r a t u s f o rs a t u r a t e dm e d i u ms a n do ft h er e l a t i v ed e n s i t y d 产2 8 、5 0 、7 0 ，u n d e rc o n s o l i d a t i o nr a t i ok = 1 o ，1 5a n dc o n f i n i n gp r e s s u r e10 0 ，2 0 0 ， 3 0 0 k p aw i t hv i b r a t i o nf r e q u e n c i e s 户o 0 5 ，0 1 ，1 0 h z n l ei n f l u e n c eo fv i b r a t i o nf r e q u e n c y w e r ei n v e s t i g a t e df o re m p h a s i so nt h ed y n a m i cs t r e n g t h , p e a kd y n a m i cp o r ew a t e rp r e s s u r e ， p e a kd y n a m i cs t r a i n , d y n a m i cs t r e n g t hi n d e xo fs a t u r a t e dm e d i u ms a n d t h et e s tr e s u l t s s h o w e dt h a tt h ed y n a m i cs t r e n g t ho fs a t u r a t e ds a n di n c r e a s e dw i t l lt h ei n c r e a s i n gv i b r a t i o n f r e q u e n c y ，n l ec y c l i cn u m b e r si n c r e a s e d 、析t 1 1t h eh i g h e rf r e q u e n c yt or e a c ht h es a m ep e a k d y n a m i cp o r ep r e s s u r ea n dd y n a m i cs t r a i nr a t i of o rg i v e nl o a da m p l i t u d e 1 1 1 ed y n a m i c s t r e n g t hi n d e xv a l u e i n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s i n gv i b r a t i o nf r e q u e n c ya l s o s p e c i m e np r e p a r a t i o ni sa ne s s e n t i a ls t e pf o ri n d o o rt e s t n l ed i f f e r e n ta r r a n g e m e n t s t r u c t u r eo fi n t e r n a ls o i lg r a i nw e r er e s u l t e df r o mt h ed i f f e r e n tm e t h o d so fp r e p a r a t i o n ，a n d d i f f e r e n to fm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw e r em a d e f o rs a t u r a t e dm e d i u ms a n dw i t ht h er e l a t i v e d e n s i t yd 产2 8 ，5 0 ，7 0 p r e p a r e db yd r ys a m p l em e t h o dk n o c k i n go u t s i d ea n dw e ts a m p l e m e t h o dt a m p i n gi n s i d e ，t h ed y n a m i cs t r e n g t ht e s t sw e r ec a r r i e do u tu n d e rt h ei s o t r o p i c c o n s o l i d a t i o nw i t hc o n f i n i n gp r e s s u r e1o o k p aa n dv i b r a t i o nf r e q u e n c y0 1h z a n dt h e d y n a m i cm o d u l ea n dd a m p i n gr a t i ot e s t sw e r ed o n eu n d e rt h ei s o t r o p i cc o n s o l i d a t i o n 、) l ，i t h c o n f i n i n gp r e s s u r e10 0 ，2 0 0 ，3 0 0 k p aa n dt h ev i b r a t i o nf r e q u e n c y0 1h z t h ei n f l u e n c e so f s p e c i m e np r e p a r a t i o nm e t h o d so nd y n a m i cs t r e n g t h ，d y n a m i cm o d u l u sa n dd a m p i n gr a t i o w e r ed i s c u s s e d 乃et e s t sr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ed y n a m i cs t r e n g t ha n dd y n a m i cm o d u l eo f s a t u r a t e dm e d i u ms a n dp r e p a r e db yd r ys a m p l em e t h o dw e r eh i g h e rt h a nt h er e s u l t so fw e t s a m p l em e t h o dw i t h o u ta f f e c t i n gt h ed a m p i n gr a t i o t h ec o m m o n l yu s e ds a m p l es a t u r a t i o nm e t h o di sv a c u u ms a t u r a t i o nm e t h o d e v e ni fi ti s t h eb e s to n e i tc a nn o tm a k et h es a t u r a t i o no fs a m p l eh i g h e rt h a n9 5 s o m e t i m e s i ns u c ha c a s e ，u s u a l l yb a c kp r e s s u r es a t u r a t i o nm e t h o di su s e dw h i c hc a ni r e p r o v et h es a t u r a t i o nd e g r e e t oac e r t a i ne x t e n , h o w e v e ri ti saq u e s t i o nw h e t h e rt h eb a c kp r e s s u r eh a sa ni n f l u e n c eo n i i 大连理工大学硕士学位论文 d y n a m i cb e h a v i o r d y n a m i ct r i - a x i a lt e s t sw e t ec a r r i e do u tw i t ha n dw i t h o u tb a c kp r e s s u r e ， r e s p e c t i v e l yo nm e d i u ms a n dw i t l lt h er e l a t i v ed e n s i t y 口- 2 8 ，5 0 ，7 0 a n ds t a n d a r ds a n d w i t hd r - - 7 0 u n d e ri s o t r o p i cc o n s o l i d a t i o nw i t hc o n f i n i n gp r e s s u r elo o k p aa n dv i b r a t i o n f r e q u e n c y0 1h z 。t h et e s tr e s u l t ss h o w e dt h a tt h et e s tw i t hb a c kp r e s s u r ec a ni m p r o v et h e s a t u r a t i o no f s a m p l eb u th a dl i t t l ee f f e c to nt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fs a n d k e yw o r d s ：v i b r a t i o nf r e q u e n c y 。s a m p l em e t h o d b a c kp r e s s u r e ld y n a m i c s t r e n g t h ，d y n a m i cm o d u l u s ，d a m p i n gr a t i o i i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。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。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目： 拯动频壅塑盛拦友洼盘饱塑史壁盈左挂性鲍受啦 作者签名：塑邀日期：2 豳年立月至l 日 人连理i ：大学硕十研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属亍大连理工大学，允许论文被查阅和借阅，学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，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，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题晷：拯邈蒸奎盘盛搓左洼盛绝塑圭坠盈盘挂蝰蛰墅盗 作者签名：蟹拯 日期：2 翌! 年月兰生日 导师签名：聋k 一一 日期丑年月卫日 大连理工大学硕士研究生学位论文 1绪论 1 1 本文的研究意义 地震是严重的自然灾害，在近数十年间国内外发生的多次强烈地震中，都有砂土的 堤坝、土坡、地基的破坏实例。根据震害观察发现，在地震作用时对构筑物和地基造成 破坏的极少，大多数破坏发生在地震后数十秒甚至数小时，其原因是地震作用时引起土 层中的孔隙水压力增长、强度降低、变形增大，随着应变增大，强度明显下降，剩余强 度甚至可降为零 1 8 】。目前，关于地震荷载作用下土体动力特性的研究国内外学者已经取 得了大量的成果，而影响土的动力特性的因素很多。土体抗液化特性的主要影响因素有： 土性条件，如土的密实程度和颗粒特征；起始应力条件，如动荷载施加前土体所承受的 静应力状态：动荷条件，如动荷波形、振幅、频率、持续时间及作用方向等【7 】。因此， 为获得准确可靠的动力参数，并为今后的试验研究工作奠定基础，有必要对各影响因素 作迸一步探讨。到目前为止，某些因素对土的影响并未形成一致结论，对于不同的土类， 某些因素的影响也不尽相同，例如振动频率对土体的动力特性的影响就没达成一致，因 此本文针对振动频率这一影响因素对饱和中砂的动力特性进行深入研究具有实际应用 价值和理论意义。 室内试验常常采用扰动土进行试验研究，采用扰动土进行试验研究就离不开试样的 制备这一重要环节。试样制备方法的不同将直接导致制备土样本身结构的不同，在外荷 作用下的力学反应特性也将不同。这一现象的研究在国外早已经引起重视。从1 9 7 4 年 开始就有采用不同的成样方法对土体液化进行的研究成果。在国内，这一现象的研究并 没有得到足够的重视，很难在各种文献和资料书籍中找到有关的研究成果，因此针对饱 和中砂探讨不同成样方法对土体的动力特性的影响同样具有实际应用价值，可以为实际 工程试验提供有益参考。 实验室常用的试样饱和方法，即使是效果比较好的真空饱和法，也不能使试样的饱 和度超过9 5 。有些土样本来是饱和的，从地下取出后，土中的溶解空气可能游离出来； 而且当试样装入三轴仪后，额外的气泡往往被困陷在试样同橡皮膜之间和量测系统内。 如果把这些气泡和试样孔隙中的气泡统统排除掉，则可加快孔隙水压力的反映速度，并 且提高量测精度。规范中给出用反压力可以使试样完全饱和。所谓反压力，就是人为地 同时增加孔隙水压力和四周压力，使试样中的孔隙空气在压力下完全溶解于水。由于这 种方法十分有效，所以很快被采用于剪切、固结、孔隙压力消除以及渗透试验中。但是， 振动频率和成样方法对饱和中砂动力特性的影响 施加反压是否对土试样本身的动力特性产生影响尚缺乏试验研究，因此研究施加反压增 加土体饱和度的同时是否对土体原有动力特性产生影响具有实际应用价值。 1 2 国内外研究概况及发展动态 1 2 1振动频率对饱和土动力特性的影响 ( 1 ) 振动频率对砂土动力特性的影响 1 - 1 0 】 振动频率对不同土类的动力特性具有不同的影响。其中针对砂土而进行的研究结果 中p e a c o c k 与s e e d i l j 指出：若实验时的振动频率控制在o 1 7 - - 4 0 h z 范围内，对单剪实 验的砂土液化强度的影响规律性不强。y o s h i m i y 2 与l e e p 也认为，砂土在一般地震作 用的频率范围内( 1 0 - - 4 0 h z ) ，振动频率对抗液化强度的影响不大。王桂萱等f 4 】通过动 三轴试验指出振动频率对砂质混合土的孔隙水压力和损失能量关系的影响较小，可以忽 略。王星华等1 5 - 7 j 采用北京新技术研究所研制的d d s - 7 0 微机控制动三轴仪研究洞庭湖区 砂土发现动荷载的激振频率对最终孔隙水压比影响不大。顾小芸【8 】进行室内动三轴试验 的研究发现频率由1 0 h z 变为0 1h z 的周期荷载对砂土动力特性的影响不大。张建民等 一1o j 研究较粗粒径的饱和标准砂发现当振动频率户1 2 0h z 时振动频率的大小对砂土液 化没有影响，但对于更大的频率范围，抗液化强度随振动频率增高而略有减小。并且进 一步指出，在保持振动次数不变的前提下，低频长时间与高频短时间振动的不同组合下 土的抗液化强度的差别不大；达到同一应变标准和同一孔压水平时所需要的振动时间随 振动频率增大而显著减少。对于均压和偏压固结条件，不同振动频率下的孔压水平与振 次比的关系，具有较好的归一化性状，基本不受频率影响；还强调动荷的振动频率较低， 引起某一较大孔压水平所需振动时间较长，并且动荷所引起的孔压还可能发生扩散消散 而有所降低；如果动荷的振动频率较高，则孔隙水压力发展迅速且不能及时消散，可能 导致饱和砂土的动强度急剧下降，最终导致土体动力失稳。所以，较高频率的往返荷载 作用对孔隙水压力发展速率的影响应予以注意。 由以上资料可以发现，针对砂土而进行的研究普遍认为：振动频率对砂土的动力特 性影响不大。 ( 2 ) 振动频率对粘土动力特性的影响【之6 】 不同的振动频率对粘土的动力特性具有显著的影响。m a t s u i 等1 1 1 】对塑性指数i p = 5 5 的s e n d 粘土进行了应力控制式的三轴双幅循环剪切试验，所采用的频率为0 0 2 - - ( i 5h z ， 得出对于给定的循环次数而言，低频荷载产生较高的孔隙水压力和轴向应变。许才军等 u 玉乃j 通过动三轴实验对埋深在十米下，厚度达十几米的第四层原状饱和淤泥质软粘土进 2 大连理工大学硕士研究生学位论文 行研究也得出对于一个给定的循环周数，频率越低，产生的孔隙水压力越高。周建等【l 7 】 也通过动三轴实验对杭州市正常固结饱和软粘土进行研究发现对应于相同的加荷周数， 频率越低，产生的应变越大，孔压也越大，还发现当频率在0 1 1 0 h z 时，随着加荷周数 的不断增加，土体产生的轴向周期应变和孔压与加荷周数的关系曲线趋于一致，即当频 率大于0 1 h z 时，频率对应变与孔压和加荷周数关系曲线的影响逐渐减弱，特别是在加 荷周数较多时；并且还得出频率越低，土体软化程度越高，当频率低于0 1 h z 时，土体 在加荷周数较少的情况下迅速软化。张茹等【1 8 。1 9 j 采用d z 7 8 1 型电磁式微机控制动三轴 仪对某土石坝心墙防渗黏性土进行研究发现f - - o 1 一4 h z 时，频率越高，试样动强度越高， 但频率继续升高后，动强度却有下降趋势。毛e f = o 1 1 0 h z 的频率范围内，达到相应的 破坏标准时，u d 随频率肭升高而升高；户1 0 - 一6 0 i - i z 时，蝴随7 1 拘升高而降低。频率越低， 同一振次下动应变越大，即频率越低，变形越能充分开展。频率越低，同一动应变幅时 动模量越小，但动模量随振动频率增长的幅度并不是很大；频率越低，同一动应变幅时 阻尼比越小。潘林有等【2 0 】采用g d s 双向振动三轴仪对杭州市区原状软粘土进行了一些研 究他们也得出软粘土随着振动频率的增大，土体动强度增大，但当振动频率大于2 h z 后， 动强度的增幅减小；频率越低，相同动应变下的动模量越小；在相同荷载作用次数下， 频率越小的土样，其孔压比越大，导致土体在较小的循环次数就达到破坏；随着振动频 率的增大，土样的动应变逐渐变小，频率越小的土样越先出现转折点，随后土样变形急 剧增大，产生突然破坏现象。出现这种情况主要是因为，随着频率的增加，饱和软粘土 的孔压来不及上升，导致土样在较大的循环次数发生破坏。何昌荣 2 h 采用d z 7 8 1 型电磁 式动三轴仪研究云南小湾电站堆石坝心墙料以及四川冶勒坝基粘性土也得出频率越低， 变形越能充分开展。丁金伟等瞄1 利用天津软粘土进行试验也得出相同条件下动荷载的频 率越低，产生的动应变越大，同时孔隙水压力也就越大。h a r d i n 等1 2 副也对软粘土进行研 究得出当频率大于0 1 h z 时，在动弹模试验中由于频率造成的影响可以忽略；但是如果 频率低于0 1 h z ，相同条件下，测得的模量相比较低。章克凌等幽l 采用液压三轴仪取北 海沉积中的软粘土进行试验得出在同一个应力水平下，不同频率卢o 0 1 ，0 0 0 1 h z 进行了 两组实验，得出当频率为0 0 1 h z 时得出的孔压增长比频率为0 0 0 1 h z 时的低3 0 左右。 但是也并不是所有研究粘土的实验都得出上述的结论，y a - s u h a m 等i 2 5 j 对a r i a k e 粘 土0 p = 5 8 ) 进行应力控制式三轴试验，便得出了在加荷频率( 0 1 l h z ) 范围内，频率愈高， 孔压愈大；b r o w n 等1 2 6 1 的研究成果也有类似的结论。 因此由以上资料可以发现，振动频率针对粘土的影响规律进行的研究没有达成一致 的结论还有待进一步通过实验验证。 ( 3 ) 振动频率对粉土动力特性的影响口m o j 振动频率和成样方法对饱和中砂动力特性的影响 振动频率对粉土的动力特性也具有一定的影响。叶银灿等【2 7 】研究杭州湾粉土得出在 振动次数较小时，振动频率为o 5 、1 0 h z 曲线近似重合，说明在o 5 1 0h z 范围内的振 动频率，在相同动应力作用下，粉土表现出相近的动强度；而振动频率为o 2h z 时，则 有较大差异，表现出的动强度明显要高。朱小可等【2 8 】采用由西安理工大学和甘肃天水红 山实验机厂研制并生产的t y d 2 0 动三轴实验机研究杭州湾区域的近海粉土得出频率越 小，相同剪切应力比的循环荷载使粉土达到破坏时所需要的振次越少，即振动频率越低， 土体的动强度越低，孔压恢复越快，易导致近海粉土的破坏；说明振动频率对粉土液化强 度的影响很大，不同初始应力状态的粉土对频率的动力响应具有一致性。黄博等【2 9 】通过 h s 一1 0 0 动三轴试验仪研究了近海粉土在不同频率循环荷载作用下的动力响应，发现均 压固结条件下，围压2 5 k p a 和5 0 k p a 时粉土在不同振动频率下的动力响应并不一致，围 压2 5 k p a 时，频率越小，动强度越低；围压5 0 l ( p a 时，频率越大，动强度越低。孟凡丽 等p u j 采用t y d 一2 0 多功能电液伺服动静三轴仪对杭州湾波浪荷载下粉土的研究发现粉土 的动应变和动强度的发展与土样所受的固结应力、围压、循环应力比和振动频率都有关； 在均压固结条件下围压对土样的累积轴向应变增长的影响作用是由波浪荷载振动频率 的高低决定的；波浪荷载振动频率的改变对不同围压作用下粉土的动强度影响很大；循 环周次相同时，频率越低累积轴向应变越大；而随着围压的增加，在循环周次相同时，不 同振动频率各试样的累积轴向应变的差值也逐渐变大：同时围压的增加使得高频率试样 的应变值明显变小，这说明振动频率的变化对试样的累积轴向应变的影响程度与固结应 力和围压大小密切相关：围压对累积轴向应变的作用由振动频率决定，频率由大变小时 围压对土样轴向累积应变的影响也越来越大；振动频率的改变对不同围压作用下粉土的 动强度影响很大，当频率为1 h z 时，围压增加，动强度也会随之提高；当频率降低到 o 5h z 和o 2h z 时，围压增加，动强度反而降低。 由以上资料可以发现，针对粉土而进行的研究振动频率与围压等因素联合作用产生 不同的影响。 ( 4 ) 振动频率对粗粒土动力特性的影响【3 1 哪】 振动频率对粗粒土的动力特性也具有一些影响。郭熙灵【3 l 】采用大型扭剪仪对粗粒料 进行研究发现当频率在o 0 1 0 2 h z 范围内，频率对模量和阻尼比均无影响。贾彬掣3 2 】采 用g d s l a b v 2 动态三轴测试仪研究四川成都某建筑场地的砂卵石土得出频率对阻尼比 有一些影响，对动弹性模量影响很小；这与蒋关鲁【3 3 】所得到的结论相一致。郭文等【蚓 采用英国g d s 电磁式动态三轴测试系统对四川成都地区的砂卵石土进行了试验，也得出 振动频率的改变对动模量没有显著的影响，但阻尼比随振动频率增大而减小；而且发现 4 大连理工大学硕士研究生学位论文 频率不同时阻尼比的增大的趋势差异明显，低频时开始增加很快，几乎成线性关系，以 后逐渐趋于平缓；而在高频时阻尼比增大趋势一直都较平缓；饱和砂卵石土在不同振动 频率的往返荷载作用下，频率越大，达到破坏所需要的振次也越多，但破坏所需的振动 时间却是减少的；并且随频率增加，达到某一应变标准振动时间明显减少，能得出振动 次数一定时，高频短振动时间和低频长振动时间的不同组合下均会使土样产生同样大小 的变形量。王汝昌等【3 5 】研究也发现振动频率对砂卵石土在相同动应力作用下，频率越大， 达到破坏所需要的振次也越多，即在相同振次条件下，频率越小，达到破坏所需要的动 荷载越小；在相同动应力作用下，频率越大，达到破坏所需要的时间越短，达到某一应 变标准时，随振动频率的增加，振动时间明显减少；振动持续时间一定时，较高频率比 较低频率的动荷作用下导致饱和砂卵石土发生过量变形而破坏的可能性明显增大：动弹 性模量在不同振动频率下的变化趋势基本一致，基本不受振动频率影响；低频时阻尼比 分布较为接近，相比之下高频时阻尼比的分布区域与低频时相差较大；阻尼比随振动频 率增大而减小。 由以上资料可以发现，振动频率针对粗粒料的影响规律在动强度方面与粘土等情况 类似，而在时间上与砂土相同。 ( 5 ) 振动频率对特殊土动力特性的影响p i 】 振动频率对黄土的动力特性一样有影响。陈存礼等1 3 6 l 研究山西河津电厂强夯地基黄 土层采用d z 7 0 型动三轴仪发现频率的增长会使强夯黄土的动模量和阻尼比均有增大， 但这种增大的程度随频率增长而减小。刘公社等【3 7 】研究强夯黄土也得出此结论。王建荣 等1 33 j 研究黄河南岸洪积扇上的原状黄土通过动三轴试验得出对应子同一轴向动应变 c d ，局随振动频率的增大而增大，对同一剪应变y ，随着振动频率的增高，剪切模量g 也 呈增加趋势。振动频率越高，起始动弹性模量越大，相应的起始剪切模量也越大。频率 不同阻尼比增加趋势差异明显，低频时增加趋势较为平缓，高频时增加趋势较为迅速， 随振动频率的增加，对同一剪应变，阻尼比也呈明显增大的趋势。 振动频率对冻土的动力特性前人也进行了一些研究。徐学燕等1 3 9 - 4 0 对哈尔滨建筑大 学附近的粉质粘土采用m t s 8 1 0 型低温动三轴仪，研究发现，当冻土温度相同时，荷载振 动频率愈大，动剪切模量愈大。冻土负温条件相同，改变荷载频率发现随着荷载频率的 增加，阻尼常数降低。赵淑萍等【4 l 】采用振动三轴材料试验机m t s 1 0 0 对青藏铁路北麓河 试验段的粉质粘土和细砂进行冻结研究冻土的性质也发现频率变大，冻土的动弹性模量 增加，且低频时变化率较大，高频时变化率较小；当频率增加时，冻土的阻尼比减小， 而且，在低频时变化较大。 5 振动频率和成样方法对饱和中砂动力特性的影响 综合上述资料可以发现，振动频率对不同土类的作用都有不同程度的影响，针对砂 土而进行的研究普遍认为：振动频率对砂土的动力特性影响不大。可是笔者在有些工程 试验中却发现不同振动频率实际上对砂土的液化强度还是存在一定影响的，有时候影响 程度不容忽视。因此本文着重探讨了振动频率对饱和中砂动力特性的研究，对实验结果 进行了定量分析。 1 2 2 不同成样方法对饱和土体的影响 在进行室内试验的过程中，试样的制备是不容忽视的重要环节。不同成样方法对土 体的内部土粒的排列结构不同，会使土体特性产生不同的结果。但是直到1 9 7 4 年以前， 不同试样的制备方法对于重塑土的动力特性的影响还没有引起足够的重视。 1 9 7 4 年，r i c h a r ds l a d d l 4 2 】通过动力循环不排水三轴试验采用两种不同的成样方法， 干装敲击法和湿装夯击法对砂土进行了液化研究。试验发现，采用湿装夯击法成样的试 样动力强度明显高于干装敲击法。 1 9 7 7 年，r i c h a r ds l a d d f 4 3 】采用四种不同的成样方法，干装敲击法、湿装敲击法、 干装夯击法和湿装夯击法对砂土在循环荷载作用下的结构稳定性进行了动力循环三轴 不排水试验。通过试验发现，两种干法的动强度相近，两种湿法的动强度也相近，但湿 法强度大于干法。 1 9 7 7 年，j p a u lm u l i l i s 等4 5 】采用十一种不用的成样方法通过动力循环不排水三轴 试验对砂土的液化问题进行了研究。他们指出，不同成样方法引起土体结构的差异是造 成循环液化抗力明显差别的主要原因。并且，不同的方法制备试样所得的动强度，干法 比湿法低，各种成样方法所得的实验曲线的发展趋势也不尽相同。同时，m u l i l i s 等【4 5 j 还对密西西比河河床砂作了相同的试验研究，结果显示，不同成样方法所得的试样在动 三轴实验中的强度特性也有所差别，但差别与o 号m o n t e r e y 砂不尽相同。因此，指出 成样方法对土料动强度特性影响的大小还与土料的类别有关。 1 9 8 6 年，f u m i ot a t s u o k a 等【伺采用四种不同的成样方法空中降落法( a p ) ，湿装夯击 法( w t ) ，湿装敲击法( w v ) 和水中沉积敲击法对砂土进行了动力循环不排水三轴试 验和扭剪试验。在扭剪试验中发现，不同成样方法所得到的强度曲线形状相近但数值不 同。试验中还发现对于密实度相同的试样，不同成样方法对其动力循环不排水应力应变 的影响将随着应变的增加而减小。因此得出，成样方法对砂土的不排水动力强度有很大 影响，w v 法所得试样强度最高而a p 法则最低。 19 8 8 年，v a i d 等人1 47 】对试样成样方法进行了一些研究，他们采用空中降落和水中沉 积的方法进行没有细小颗粒的均质砂土试样的制备，其中水中沉积法的密实方式又分为 6 大连理工大学硕士研究生学位论文 振捣和夯击两种。他们指出试样的松散层位于接近于试样帽的位置，这会引起砂土试样 不排水循环强度的降低。并且，如果砂土的级配良好，并且含有大量的细小颗粒，采用 土料从空中降落的方式制备试样能够造成明显的离析现象，这是由于在固定的高度下落 时小颗粒的速度较小而引起的。因此采用这种方法制备的试样内部颗粒分布有可能并不 均匀。并且，在空中降落的成样方法中，通常要求的土料投放高度会引起成样方法的不 必要麻烦。水中沉积的成样方法被经常使用的另一个原因是该方法对于试样的饱和及重 复制备都提供了极大的便利条件。 1 9 8 9 年，v a s q u e z h e r r e r a 和d o b r y 4 8 j 对层积粉质砂土的液化特性进行了一些研究， 成样时采用湿装夯击并结合l a d d 的欠压实方法来模拟均质土壤条件，水中沉积法来模 拟层状土壤条件。从试验结果来看，虽然试样的土粒排列结构因成样方法的差异而完全 不同，但两种不同方法成样的试样的液化触发条件并没有明显的不同。a m i n i 等【4 9 】同样 进行了层积粉质砂土液化特性的相关研究，也得出相似的结论。 1 9 9 0 年，v i n c e n tb d e g r e g o r i o l 5 0 j 对砂土进行了静力不排水剪切试验。他采用了三种 成样方法：干法降落法p ) 、湿装夯击法( m t ) 和湿装敲击法( m v ) 。通过试验发 现：稳态线的位置受到成样方法的影响，采用d p 法制各的试样残余强度是采用m t 或 m v 法的四分之一到一半，采用d p 法制备的试样能产生较大的孔隙水压力。他解释： 导致这种现象的一种原因可能是d p 法制备的试样保持了土的初始的结构性，这种结构 性阻碍了它发展为m t 或m v 法试样的流动性结构，另一种原因可能是采用d p 法制备 的试样的初始结构完全被破坏，但在达到稳态之前又形成了一种新的结构。他还提出成 样方法还会影响土的应力应变关系、孔隙水压力等。 1 9 9 8 年，j a n g 和f r o s t 5 1 利用光学显微镜观察试样中孔隙的分布情况，对砂土试样 的内部结构进行分析。研究表明，利用空中降落法制备的试样，内部孔隙分布比较均匀； 而采用湿法夯击的试样内部孔隙的分布情况则有较大的偏差。因此，采用空中降落法成 样的试样与湿法夯击的试样相比，内部土粒分布更为均匀。 1 9 9 9 年，y o g i n d e rp v a i d 等1 5 2 j 通过三种成样方法：湿装夯击法( m t ) 、空中降落 法( a p ) 和水中沉积法( 聊) 对砂土进行了不排水试验研究。通过试验发现：在相同的 初始孔隙比和有效应力条件下，m t 法制备的试样有液化的趋势，而w p 法制备的试样 则会产生剪胀现象；a p 法和w p 法试样得到的孔隙比与竖向固结压力的关系基本一致： 在相同的竖向固结压力作用下，试样强度按照w p 、a p 、m t 的顺序递减，且w p 和 m t 法具有明显的应变硬化和应变软化现象；对于相同的初始状态，内摩擦角的大小不 受成样方法的影响；w p 法制备的试样具有良好的各向同性，m t 法制备的试样则具有 很大的各向异性；用w p 法制备的试样更接近土的真实状态。 7 振动频率和成样方法对饱和中砂动力特性的影响 2 0 0 5 年，a c h i l l e a sg p a p a d i m i t r i 等【5 3 】采用四种不同的成样方法干装沉积法d ) 、 湿装夯击法( w t ) 、空中降落法( a p ) 和干装捣实法( d r ) 对砂土进行了三轴压缩和 拉伸试验以及本构关系的研究。试验在相同的初始孔隙比和有效应力作用下进行，解释 了试样内部结构的各向异性对力学反应的影响。不同的成样方法不仅影响土的膨胀性和 硬化反应而且是造成试样内部初始结构不同的主要因素。他也得出了湿法成样的试样强 度和膨胀性都比于法要高；而且三轴拉伸试验更容易受到成样方法的影响。 在国内，这一现象的研究并没有得到足够的重视，很难在各种文献和资料书籍中找 到有关的研究成果。张文峰等【蹦5 】对南通的饱和粉砂进行了干装敲击和湿装夯击的两种 成样方法的静三轴试验，结果发现三轴固结不排水剪切试验中，干装法成样的试样的应 力应变关系及应力路径曲线均呈现硬化部分剪胀模式，而采用湿装法成样时，所得的 应力应变关系及应力路径曲线不仅与干装法成样的试验结果不同，且与围压和初始相 对密度有关，多数呈现完全软化。剪缩模式；干装法成样条件下所获得的总应力和有效 应力抗剪强度指标伊。值和缈值均明显大于湿装法成样获得的结果，相差1 0 - - - 4 0 ：在三 轴固结排水剪切试验中，干装法试样的应力应变关系均呈现先应变硬化而后应变软化 的趋势，而湿装法试样的应力应变曲线不仅与干装法成样所得的试验结果不同，且与 初始相对密度有关。在直剪试验中，干装法成样获得的抗剪强度指标9 。值均大于湿装法 成样获得的结果，相差1 3 1 5 。 由以上资料可知，不同的成样方法对试样变形及强度特性是有显著影响的，主要原 因是不同成样方法引起土体结构的差异所造成的。 1 2 3 施加反压对饱和土体动力特性的影响 室内三轴试验需要对重塑土试样进行饱和来制作饱和试样，而原状土试样也常常需 进行饱和这一环节，因为从地下水位下深层取样引起的应力释放和装样时橡皮膜与试样 之间的被裹气体都可使原本饱和的试样成为非饱和试样。实验室三轴试验中常采用的饱 和方法主要是抽气饱和和水头饱和等【5 6 1 ，而当这几种饱和方法不能满足所需要的饱和度 时可对试样施加反压力进行饱和。反压力增加试样的饱和度的原理在很多文献中【5 l j 都有论述，在三轴试验原理与应用技术f 5 7 】中叙述如下，对试样施加反压力可产生两 种作用，其一是按波义耳定律，试样内的气体体积随压力增加而减小，其二是按亨利溶 解定律，使一部分气体溶于孔隙水内。由于这两种作用，可通过施加反压力使试样达到 完全饱和。在( ( i i x 试验技术手册【5 8 】对反压力定义如下，反压力饱和是人为的在试样 内增j h 孑l 隙水压力，使试样内的孔隙气体在压力作用下完全溶解于水中，在增大孔隙水 压力的同时，等量地对试样增加周围压力，以保证作用于试样的有效应力或试样的内外 8 大连理工大学硕士研究生学位论文 应力差不变。王华山等【6 l 】采用在s - 1 型液压振动三轴仪对日本丰浦砂进行了三组试验， 分别是湿砂成样不加反压；湿砂成样加反压；干砂成样且二氧化碳加反压；同一密度，不 同成样及饱和方法的试验结果明显不同。湿砂成型不加反压，饱和度偏低，0 9 2 0 c 偏高， 而干砂成型，且用二氧化碳加反压饱和，饱和度最高，a d 2 a 。较低：湿砂成型加反压饱 和的结果在上述二者之间。从此试验中可以得出施加反压可以提高试样的饱和度，但液 化强度有所不同。施加反压提高饱和度基本上已经得到公认的结论，但是施加反压对土 体的液化强度是否有影响尚待试验论证。 1 3 本文研究的内容 由上述文献综述可以发现，关于振动频率的影响问题，尽管已得出了振动频率对饱 和砂土动力特性基本没有影响和影响不大的结论，但是在有些工程试验中却发现不同振 动频率实际上对砂土的液化强度还是存在一定影响的，有时候影响程度不容忽视。本论 文采用先进的“土工静力一动力液压三轴一扭剪多功能剪切仪 试验研究了振动频率 对饱和中砂动力特性的影响，在不同密实度、不同固结方式、不同围压、不同振动频率 条件下针对采用干法制备的饱和中砂进行了大量动三轴试验，着重探讨了振动频率对饱 和中砂动强度、峰值应变、峰值孔压、液化破坏时间的影响。 成样方法对砂土的动力特性的研究，既有得出干装法的强度以及应力应变关系等大 于湿装法的，也有与其相反的结论。本论文在此基础上，利用先进的“土工静力一动力 液压三轴一扭剪多功能剪切仪 采用了干装膜外敲击法和湿装夯击法两种不同的成样方 法制备饱和中砂试样进行了大量动力三轴试验，针对不同密实度的饱和中砂在均压固结 条件下探讨了不同成样方