（道路与铁道工程专业论文）路基填土的动力特性试验研究.pdf

摘要 摘要 路基作为公路的重要结构物，具有量多面广的特点，其在地震作用下毁坏 结果将极为严重。为降低或减少因地震引起的公路路基破坏灾害，开展路基抗 震问题的研究就显得尤为迫切。开展路基抗震研究，基础问题是路基填土的动 力特性，因此，开展路基填土的动力特性研究是非常有必要的。 本文采用室内振动三轴试验，对西部地区典型路基填土之一红层软岩 土填料的动力特性进行了深入研究。采用瞬态极限平衡理论研究了围压、固结 应力比对填料动强度的影响，并通过试验予以验证。基于动强度试验结果，分 析了含水量、压实度及含石量对填料动强度的影响，获得了一些规律的认识， 并确定了该种填料的动强度及强度指标；通过动弹模和阻尼比试验，得出了该 填料动弹性模量和阻尼比与动应变的关系曲线，求出了其最大动弹性模量和最 大阻尼比，并基于试验结果分析了含水量、围压、压实度及含石量对填料动弹 性模量和阻尼比的影响，提出了其最大动弹性模量和最大阻尼比与围压的统计 关系式。 对路基填土进行动力特性研究，对完善路基抗震设计方法，提高路基抗震 能力，预防公路因地震破坏而造成经济损失，保障公路畅通与运营安全有着重 大意义。 关键词：路基填土，振动三轴试验，动强度，动弹性模量，阻尼比 a b s t r a c t 1 l _ l - _ _ i - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - i _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ - - - _ - _ - - 。- - i _ 。- i _ i _ _ - l _ _ _ - i i _ - - i i - _ i _ - _ _ _ - l 。_ - i - - - l _ - _ _ _ _ - _ - _ - 一一 a b s t r a c t s u b g r a d ei sa l li m p o r t a n ts t r u c t u r eo fr o a d ，w h e ne a r t h q u a k et a k ep l a c e ，i t s d a m a g ew i l lb ev e r ys e r i o u s t h e r e f o r e ，i no r d e rt ol o w e ro rr e d u c et h er o a d b e d d a m a g ec a u s e db yt h ee a r t h q u a k e ，s t u d yo nt h ee a r t h q u a k er e s i s t a n c eo fs u b g r a d e a p p e a r st o b ep a r t i c u l a r l yu r g e n t i no r d e rt os t u d yt h ee a r t h q u a k er e s i s t a n c eo f s u b g r a d e ，t h ef i r s ta n df o r e m o s ti s s u ei s t os t u d yo nt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so f s u b g r a d ee a r t hs o i l i nt h i sp a p e r , u s i n gd y n a m i ct r i a x i a lt e s t ，s t u d y i n gt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so f t y p i c a ls u b g r a d es o i lo ft h ew e s t e r nr e 百o n t 1 1 ef i l l e ro fr e dl a y e rs o f tc l a y a t r a n s i e n tl i m i te q u i l i b r i u mt h e o r yw a su s e df o rs t u d yt h ei m p a c to fc o n f i n i n g p r e s s u r e ，c o n s o l i d a t i o ns t r e s sr a t i oo nd y n a m i cs t r e n g t ho ff i l l e r , o ft h ep a c k i n g s t r e s st h a nt h ei m p a c to fd y n a m i cs t r e n g t h ，a n db ev e r i f i e dt h r o u g ht e s t i n g b a s e do n t h ed y n a m i cs t r e n g t ht e s tr e s u l t s ，a n a l y s i st h ei n f l u e n c eo ft h em o i s t u r ec o n t e n t ，t h e d e g r e eo fc o m p a c t i o na n ds t o n ec o n t e n to nd y n a m i cs t r e n g t ho ff i l l e r ，t h e n d e t e r m i n et h ed y n a m i cs t r e n g t ho ff i l l e ra n di n t e n s i t yi n d i c a t o r s t h r o u g ht h e d y n a m i ce l a s i t i cm o d u l u sa n dd a m p i n gr a t i ot e s t ，d e t e r m i n et h er e l a t i o n c u r v e b 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 dd y n a m i cs t r a i n ，a n dd e t e r m i n et h er e l a t i o n c u r v eb e t w e e nd a m p i n gr a t i oa n dd y n a m i cs t r a i n , t h ec u r v e so b t a i n e di t sm a x i m u m d y n a m i ce l a s t i cm o d u l u sa n dt h el a r g e s td a m p i n gr a t i o ，b a s e do nt h et e s tr e s u l t s ， a n a l y s i st h ei n f l u e n c eo fm o i s t u r ec o n t e n t ，c o n f i n i n gp r e s s u r e ，a n dt h ed e g r e eo f c o m p a c t i o na n ds t o n ec o n t e n to nd y n a m i ce l a s t i cm o d u l u sa n dd y n a m i cs t r a i no f f i l l e r , p r e s e n t e dt h es t a t i s t i c a lr e l a t i o n s h i pa m o n ga x i m u md y n a m i ce l a s t i cm o d u l u s ， t h el a r g e s td a m p i n gr a t i oa n dc o n f i n i n gp r e s s u r e i t i s i m p o r t a n tt os t u d yo nt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fs u b g r a d ee a r t hf i l l ， b e c a u s ei tc a np e r f e c tt h ed e s i g nm e t h o d se a r t h q u a k er e s i s t a n c eo fs u b g r a d e ， i m p r o v i n gt h ee a r t h q u a k er e s i s t a n c ea b i l i t yo fs u b g r a d e ，p r e v e n t i n gt h ee c o n o m i c l o s s e sf o re a r t h q u a k ed a m a g eo fr o a da n dp r o t e c t i o na n de n s u r et h er o a do p e na n d o p e r a t i o n a ls a f e t y k e yw o r d s ：s u b g r a d es o i l ，d y n a m i ct r i a x i a l t e s t ，d y n a m i cs t r e n g t h , d y n a m i ce l a s i t i cm o d u l u s ，d a m p i n gr a t i o 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 彻碱 日期：即占年护朔力阳 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部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。 繇枷碱躲吖夕盆 日期：聊8 年口弓月7 缈日日期：渺吕年d 月冲e l 笫一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出及研究意义 我国地处世界上最为活跃的太j 洋地震带和喜马拉雅一地中海地震带之问， 全球的板块构造和动力条件决定了我幽是一个地震频发的国家。卜世纪以来曾多 次发生强烈地震，如唐1 l j 地震、海域地震、邢台地震、营门地震、云南武定县地 震和丽江地震等。掘统计，自1 9 0 0 年以来，中国死于地震的人数达5 5 万之多， i 全球地震死亡人数的5 3 ，地震给人们造成了重大的牛命和财产损失，对人民 的生存和发展造成了严重的威胁。近年米，我国人陆发生的地震有增多的趋势， 并且有活动频度高、强度大、震源浅、分布广等特点，_ 主要集中于我刚中西部 地区。预计我国开始进入第五个地震活跃期，大震和强震f 有可能威胁着人民的 生命和财产的安全。 虽然地震的发，t - ：足一个偶然事件，发牛频率并不大，但其一旦发生，所造成 的破坏却是灾难性的，其损失也足难以弥补的。对于高等级公路而言，地震往往 会造成区域内的公路大而积彻底毁坏，导致交通中断，给困家带来臣大的经济损 失，给人民的， i 活带来极人彳i 便，更甚者会威胁驾乘人员的生命安全。 篷鬣懑器。蒸鬻 图1 1 地震作用下断裂的公路 f i g 1 1r e p t u r er o a du n d e re a a h q u a k e 第一章绪论 2 一 我国的高速公路建设事业正处于蓬勃发展的时期，通车里程正以每年几千公 里的速度增长，为预防地震对高等级公路造成破坏，避免人员伤亡及经济损失， 迫切需要对高等级公路进行抗震研究。路基是公路的基础，是公路的重要结构物， 具有量多面广的特点，一旦遭到震害，将直接导致公路的破坏，严重影响公路的 畅通。 现行公路工程抗震设计规范( j t j0 4 4 8 9 ) 对地震动力荷载作用主要是以 区域地震烈度作为唯一的参考依据，没有考虑地震振动频率、次数和地震持续时 问等特性，也没有考虑路基岩土体的变形、阻尼等动力特性。仅将区域地震烈度 作为唯一的参考依据缺乏针对性，也无法真实反映路基在地震作用时的反应特 性，使得分析得到的结果与路基在地震作用下所表现出来的实际情况存在较大的 差距，迫切需要对路基填土在地震动力荷载作用下的动力特性进行研究。 从事地震工程研究的人员很早就注重土的动力特性研究，且得出了许多宝贵 的研究成果。但这些研究多数针对建筑行业而展开，对公路路基填土动力特性的 研究工作进行的很少，所获得的研究成果难以用于路基工程。因此，有必要针对 公路路基填土特点，开展相关研究。 综上所述，无论从工程需求，还是从技术需求来看，对公路路基抗震设计中 基础而又薄弱的环节路基填土的动力特性展开研究，以弥补现行规范的不 足，对提高公路建设质量，尤其是地震高发区及高烈度区的公路建设质量与运行 安全具有非常重要的意义。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 土的动本构模型 土的动本构关系的发展表现在本构理论、数值计算和测试技术三个方面，它 们是相辅相成的。研究初期，测试技术极其简陋，试验条件与对实际地质条件和 荷载条件的模拟与实际情况相去甚远，由此得出的结论甚是肤浅和片面。后来， 随着试验技术的改进和发展，模拟实际状态越来越接近，人们对土体动力特性的 认识越来越深刻和全面，同时由于不同学科间的相互渗透和计算理论的完善，特 别是以有限元方法为代表的数值计算方法和计算机技术的高速发展，为模型技术 的发展起了不可估量的推动作用，使得对实际情况下土体动力特性的描述也越来 越精确。土体动本构关系是极其复杂的，它在不同的荷载条件、土性条件及排水 条件下会表现出极不相同的动本构特性。要建立一个能够适用于各种不同条件的 动本构模型的普遍形式是不切实际的，其切实的方法是对于不同的工程问题，应 该根据土体的不同要求和具体条件，有选择地舍弃部分次要因素，保留所有主要 因素，建立一个能够反映实际情况的动本构模型。目前，建立的动本构模型已多 第一章绪论 达数十个，大致可分为两类，即非线性弹性模型和弹塑性模型。 目前常用的非线性弹性模型主要包括双线性模型、等效线性模型和曼辛 ( m a s i n g ) 型非线性模型等。双线性模型将应力应变滞回圈用一个由两组不同斜 率的直线组成的平行四边形来代替，其骨架曲线仍为线性。等效线性模型把土体 视为粘弹性体，采用等效弹性模量和等效阻尼比这两个参数来反映土动应力应变 关系的两个基本特性：非线性与滞后性，并将模量与阻尼比均表示为动应变幅的 函数，同时在确定上述关系中考虑静力固结平均主应力的影响。曼辛型非线性模 型针对不同的加载条件直接给动应力应变关系式，通常在给出初始加载条件下的 动应力应变关系式( 骨干曲线方程) 之后，利用曼辛二倍规则得出卸荷和再加荷 条件下的动应力应变关系式( 两者构成滞回曲线方程) 。目前较流行的 h a r d i n d m e v i c h 的双曲线模型和r a m b e r g o s g o o d 模型均属于曼辛型的非线性模 型。这类模型也可求出上述的等效线性弹性模量和等效阻尼比。王志良等引进一 个阻尼比退化系数，对曼辛规则进行了修正，以克服由曼辛二倍法得到的滞回圈 比试验测得的滞回圈大的缺点。沈珠江采用双曲线形式来模拟堆石料的骨干曲 线，提出了一个修正等价粘弹性模型【l 】，在面板堆石坝等许多工程的地震响应分 析中得到应用【2 3 】。 非线性弹性模型过于简化处理土体在地震荷载下的动力响应，而且不能直接 计算动力作用引起的残余变形，尚需建立残余应变的经验公式用于震后永久变形 计算。这无疑带有相当的经验性和不确定性。 基于经典塑性理论建立动力本构模型的基本思路有： ( 1 ) 对于单调加载下所建立的弹塑性模型进行推广，选用较复杂的硬化规 律，如采用将等效硬化规律和运动硬化规律相结合的非等向硬化规律，或者允许 边界面产生扩张和收缩运动。 ( 2 ) 采用其它形式的塑性理论，如塑性模量场理论，边界面理论，基于多 机构概念的塑性理论等为基础建立的动本构模型。 基于塑性硬化模量场的多面模型是m r o z 首先提出来的【4 1 。其基本思想是， 在应力空间中以初始加载过程中形成的相应于最大加载应力的最大屈服面作为 边界面，在边界面内侧有一簇套叠着的互不相交的几何相似屈服面，它们随塑性 应变的产生和发展在边界面内以一定的规则依次产生张缩和移动，来模拟材料的 非等向加工硬化特性。其中每个套叠屈服面以及边界面都代表一定的硬化模量 值，这族套迭屈服面当今的相对位置，既反映了材料过去的应力历史，又代表了 应力空间中塑性硬化模量场当今的大小及其分布。目前已有多面模型的主要差别 在于边界面和套叠面的形状及其移动规则以及硬化模量场的确定方法不同。多环 屈服面模型是多面模型中较简单的一种，该模型的边界面和屈服面在兀平面上的 第一章绪论 4 一 轨迹均为圆环。多环屈服面模型用于土体时，一般把运动硬化和等向硬化结合起 来。在多环屈服面模型中，每一环的屈服引起一次模量的降低，因此得出的应力 应变曲线实际上是折线型的。m r o z 等人在多面模型的基础上，进一步发展了无 限多面模型，通过把多环扩展到无限多环得到连续变化的应力应变曲线。尽管该 模型具有多方面的适应性，但常需要记忆多个反向的套叠屈服面，因此应用起来 很不方便。 d a f a l i a s 在多面模型基础上提出了边界面模型概刽5 1 ，把多环改成双环，外 环固定不变，称之为边界面，内环随应力点而移动，模量随内环到外环的距离而 变，由此可以得到连续变化的模量场，相应的应力应变曲线也是连续的。当内环 与外环相接触时，模量等于零，即达到破坏状态。m r o z 等人首先提出了由两个 椭圆组成的边界面模型6 1 ，d a f a l i a s 提出的边界面模型考虑到土体对压缩和拉伸 反应的不同，把半径不同的两个半椭圆合成一个，另外还把内椭圆改为弹性核， 并认为后者可以缩小为一剧。b a r d e t 建议了类似于m r o z 的椭圆边界面，但是 把椭圆的端点看成随l o d e 角而变的函数，椭圆的硬化规律同剑桥模型，而内椭 圆则缩为一点【8 】。边界面模型主要依靠现有应力到边界面上映射点的距离和映射 点上的法线方向决定硬化模量和流动方向。因此，映射方法称为一个关键。双椭 圆模型采用了映射点的法线方向与内屈服面法线方向平行的方法。当内屈服面缩 为一点时，目前采用的方法有全量映射法，增量映射法和组合映射法，如王志良 等提出的砂土亚塑性边界面模型就采用了组合映射规贝, l j 9 1 0 】。 如何合理地描述往返加载作用条件下土的体应变，特别是呈剪胀与剪缩的体 应变增量交替变化的特性规律，是检验一个土的弹塑性循环本构模型优劣的关 键。张建民的研究表明，往返荷载作用下粗粒土的剪胀体应变由一个可逆的和一 个不可逆的体应变分量构成【1 1 】，并在边界面塑性理论的框架内，他与罗刚建立了 一个能够描述可逆剪胀与不可逆剪胀体应变的数学表达式，并在此基础上提出了 一个新的粗粒土动本够模型。该模型能较好地模拟循环排水条件下的应力应变关 系，特别是能够较好地描述体应变的累积规律及循环应力应变的异向性特点 【1 2 ，1 3 】 o 多机构模型概念是松岗元等人提出来的【1 4 】，其基本思想是将材料的塑性变 形状态分解成几个部分塑性应变状态，认为它们分别独立地产生于几个虚拟的活 性机构，将各机构上所产生的部分塑性应变状态叠加起来，便可以得到实际观察 到的总塑性应变状态。在三机构模型的基础上，松岗元又提出了第四个机构( 称 四机构模型) ，从而可以反映等向压缩引起的塑性变形。p r e v o s t 在松岗元多机构 模型的基础上，提出了广义多机构弹塑性模型，但是该模型并没有考虑平均正应 力作用的第四个机构，并且在不考虑弹性应变的主应力条件下，该模型与松岗元 第一章绪论 的三机构模型是完全相同的。p a s t e r 等人认为，材料的变形是由多个在相同应力 状态条件下的独立机构所产生的变形叠加的结果，建立了新的多机构模型。该模 型可以考虑主轴旋转等多重复杂循环动力加载作用条件，是当前较为有效的模型 之一。 史宏彦等在应力矢量概念和松岗元多机构模型的基础上，迸一步提出了多机 构应力矢量本构模型【”】。 1 2 2 土的动模量和阻尼比 土的动模量和阻尼比是土动力特性的首要参数，是土层地震反应分析中必备 的动力参数，也是场地地震安全性评价中必不可少的内容。为了确定土的动模量 和阻尼比，国内外许多学者进行了较广泛的研究，并取得了许多有价值的研究成 果。 砂土 对砂土的动模量和阻尼比研究较早，s e e d 和i d r i s s ( 1 9 7 0 ) 1 6 】建立了砂土的最 大动剪切模量丑经验公式。 g a m a x = 211k m 。于文。心p 该公式已成为估计砂土动剪切模量国舨较经典的经验公式。式中：“为土性 参数；只为大气压力；o r 0 为有效平均主应力。他f 1 ( 1 9 7 0 ) t 1 7 】还对土的非线性衰减 规律做了研究，砂土的动剪切模量与静力平均正应力可以表示为： g a = 10 0 0 k 2 ( t r c ) o 5 式中：恕为参数，与应变幅值有关；为静力平均正应力。砂土的动剪切模量与 静力平均正应力的平方根成正比，有效内摩擦角够和孔隙比e 等对动剪切模量均 有影响，动剪切模量。随有效内摩擦角妒的增大而增大，随孔隙比e 的增大而 减小，随相对密度研的增大而增大。对砂土的阻尼比试验研究发现，砂土的有 效内摩擦角纵孔隙比e 和饱和度等对阻尼比五与剪应变幅值的关系影响较小。 祝龙根等( 1 9 8 8 ) t ”1 用d m e v i 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，提出了确定最大动弹性模量m 最大动剪切模量蕊、动弹 性模量历和动剪切模量g d 的经验公式。应用d m e v i c h 共振柱仪既能测定动弹性 模量历，又可测定动剪切模量函的特点，提供了计算参数动泊松比。用福建饱 和标准砂样，对h a r b i n 的公式进行了修正，提出了如下确定瓯甜的经验公式： g a , a ，= 5 8 0 a o ( 2 17 一p ) 厶二( 1 + e ) 公式考虑了孔隙比e 和有效围压印的影响，但没有考虑固结比砭的作用。他们 认为：在低幅剪应变条件下，砂土的应力应变关系符合双曲线数学模型，采用归 一化的表达式后，甜嘞及g g 掀呦曲线的变化率与有效围压密切相关， 而与试样的密度关系不大。尤其值得指出的是，他们发现l 历嘞和l 函嗍关 第一章绪论 系图均呈折线型，存在转折点，尤以疏松试样在小围压作用下折线的转折更为明 显，转折点与门槛应变十分接近。根据第二折线来推求e 加“和盯值，则将得 到偏大的数值，对小围压作用下的疏松试样，其值甚至偏大近l 倍，所以根据动 三轴仪和动直剪仪试验资料所得的甜和似值肯定是偏大的。 徐存森等( 1 9 9 0 ) 1 9 】用s t o k o e 型扭转单剪仪和共振柱仪，对某核电站场地钻孔 取出的原状砂样进行土的动力特性试验，只用一个圆柱体试样同时进行共振柱和 扭转单剪两种试验，测得原状砂样动剪切模量g d 和动剪切应变船，绘制国嘞 关系曲线，曲线衔接良好。试验从1 0 米至1 4 0 米深度范围内取出原状砂样，测 定动剪切模量国值随土层深度的变化规律。对深层砂样的动剪切模量国值测 定的机会是很难得的。但是，文中没有明确说明进入强非线性以后，扭转单剪土 样中的应力应变的分析方法，而不同的分析方法似乎对结果影响较大。 粘性土 h a r d i n 和b l a c k ( 1 9 6 9 ) 2 0 】给出了如下粘性土的动剪切模量甜经验公式。 g d m 甜= 1 2 3 0 0 c f f ( 2 9 7 3 - e ) a o 仉3 ( 1 + e ) 该表达式是由波的传播速度和小振幅循环剪切试验确定的。式中，o c r 为超固 结比，e 为孔隙比，咖为有效平均主应力。 a o = ( t r l + 0 2 + t r 3 ) 3 由公式可知，对于同一种土，若保持其它参数不变，其最大动剪切模量只与 有效平均主应力的平方根有关，但计算可知，当固结比l ( c 为1 5 、2 和2 5 时的 最大动剪切模量分别是固结比拓为1 时的1 0 8 、1 1 5 和1 2 2 倍，这个结果显然 是不符合土的实际情况。由此可见，h a r d i n 的公式不适用于非均等应力状态。 谢君斐等( 1 9 7 3 ) t 2 i 】研究了原状饱和粘土动力性能，对京、津、沪地区的原状 饱和粘土的动力特性做了比较系统的试验分析。给出了表示动弹性模量和动应变 之间关系的经验公式： ed je d m a x - - - v 0 + 0 d 3 式中，g d r = a b ，常数a 和b 与孔隙比e 和平均主应力印有关，通常由试验 室直接测得。由试验还得出，在一定的动应变范围内渤 1 0 2 ) ，动弹性模量与动 应力的循环次数无关。由于当时动三轴试验尚未获得普遍应用，为了满足生产的 需要，提出了用静力试验估计动弹性模量的方法，经过比较发现静力试验能得到 满意的结果。 石兆吉等( 1 9 8 5 ) 2 2 】利用共振柱研究了周围压力、土壤密度和含水量等因素对 土动剪切模量的影响，认为最大动剪切模量与周围压力在双对数坐标上存在着线 性关系，周围压力越大，动剪切模量越大；密度越大，动剪切模量也越大；含水 量对动剪切模量也有明显影响，含水量越高动剪切模量越低。对共振柱法和动三 第一章绪论7 一 轴应力应变法获得的动剪切模量做出比较，发现两者相差颇大，造成这种差别的 原因可能是两种仪器的试验原理和方法不同，同时两者在实验过程中的振动方式 和振动次数也有影响。 童华炜等( 1 9 9 0 ) 2 3 】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增湿后的动剪切模量和阻尼比进行了试验分析， 结果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 土的动剪切模量与饱和度以及有效固结压力有关。在一般固结压力下( 印= 1 0 0 k p a 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 力较大时( 印= 4 0 0 k p a ) ，其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相比受饱和度的影响较小。但文中所述饱和度 对动剪切模量和阻尼比的影响仅是定性结果，而且只适用于黄土。 费涵昌等( 1 9 9 0 ) 2 4 】利用d m e v i c h 共振柱仪对黄浦江大桥桥址土层的g , r y d 及 厶竹关系进行了研究，得出了上海地区土层的动应力应变本构关系，其基本形式 与双曲线方程近似。阮元成( 1 9 9 0 ) 2 5 】用d t c 1 5 8 型共振柱仪，对漳武水库坝体 原状土动力变形特性进行了研究，发现原状土的甜比重塑土的高，受应力影 响小，随着c r 0 增大，它们的“逐渐趋于一致。 蒋寿田等( 1 9 9 0 ) 2 6 应用共振柱仪和动三轴仪在郑州市市区选取了8 0 个原状 土样进行土的动模量和阻尼比试验，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测试方法和不同仪器所确 定的最大剪切模量之间的关系，指出了采用共振柱仪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 来的结果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g = 0 4 9 ， 砂性大的土= 0 3 5 ，在这种情况下，从1 1 组曲线看，动剪切模量和动剪应变的 关系衔接很好，而阻尼比和动剪应变的关系就显得差一些。共振柱仪测定的阻尼 比较规律而且可靠，而动三轴仪得到的结果比较差，其原因可能是动三轴仪变形 传感器精度不够高或动三轴仪本身的阻尼未加校正。因此，共振柱仪和动三轴仪 所测得的阻尼比能否直接连接，还有待于进一步探索。 徐存森和吴俊壁( 1 9 9 2 ) 口7 】用s t o k o e 型扭转单剪仪和共振柱仪对沿海和长江 下游地区的饱和软粘土、细砂、粉砂和标准砂( 中砂) 进行了空心试样的共振柱和 扭转单剪试验。研究发现s t o k o e 型扭转单剪仪和共振柱仪可用一个圆柱体试样 进行共振柱和扭转单剪试验，剪应变量测范围自l o 击4 1 0 一。由饱和软粘土、 细砂、粉砂测得的动剪切模量绘制的曲线衔接相当良好，阻尼比与动剪应变幅值 的关系曲线衔接良好。对饱和软粘土进行共振柱和扭转单剪试验，结果表明，试 样直径不同、试样类型不同( 实心和空心) ，测得的动剪切模量值差异不大。对实 第一章绪论 心和空心两种类型的标准砂试样进行共振柱试验，可以得出，当动剪应变幅小于 1 0 弓时，两种类型试样测得的动剪切模量差异不大，当动剪应变幅值在1 0 5 至 1 0 4 范围内时，实心试样测得的动剪切模量比空心衰减的快。 陈国兴等( 1 9 9 5 ) f 1 6 j 对国外( s e e da n di d r i s s ，1 9 7 0 ；h a r d i n ，1 9 7 8 ；i s h i b a r a ， 1 9 8 6 等) 现有土的动应力应变关系试验成果进行了分析和总结，推荐了用不同物 性指标估算“的经验公式，用塑性指数厶描述动剪切模量比g d g d m a x f f d 及阻 尼比a 啦关系的经验曲线，并给出了以易为参数的g 咖甜、g d g d m a x 叫d 和几似曲 线的经验公式。这一公式在工程上应用十分方便，但是，用单一指标厶描述 g a g d m a x 叫d 和a 啪曲线的关系，某些情况下得出的结果会产生很大偏差。例如对 于密实砂土，其g a g d m a x 叫d 曲线实际衰减较小，而按公式计算，它比所有的粘 性土和粉质粘土衰减的都快，按公式粘性土的g d g d m a x f f d 曲线都位于所有的粉 质粘土之上，这与实际矛盾。从理论上讲，至少应增加土的当前状态，如相对稠 度和密实程度等指标，才能合理的估计土的非线性衰减关系。 其它土类 丰万玲( 1 9 8 4 ) 2 8 】研究了煤灰土的动力特性，对三种煤灰土的动模量、阻尼比 和液化特性进行了试验研究。结果表明，在纵向和扭转振动情况下，煤灰土的动 力特性介于砂土和粘土之间，似乎更接近于砂性土；影响煤灰土阻尼比特性最明 显的因素是动剪应变幅值，其次是周围压力，密度对细煤灰土阻尼比特性影响并 不大，对粗煤灰土有一定影响，含水量几乎不影响煤灰土的阻尼特性。 俞培基等( 1 9 9 0 ) 2 9 】采用振动三轴仪研究了粉煤灰坝的动力特性与地震反应， 提出最大动剪切模量与其说取决于相对密度不如说取决于孔隙比，不同的粉煤 灰，即使在同一相对密度和同一应力条件下，由于其孔隙比不同，就有可能使其 最大动剪切模量成倍相差。 周健等( 1 9 9 9 ) 【3 0 】利用振动三轴试验对城市垃圾土的动力特性进行了研究。对 不同循环荷载条件下城市垃圾土的动模量和振动残余应变试验结果进行了分析， 并给出了计算公式。重塑垃圾土振动三轴试验结果表明，当振动次数少于5 0 周 时，动弹性模量随振动周数的增加而降低；而当振动次数大于5 0 周时，动弹性 模量随振动周数的增加而略有增大。但随振动次数的变化，动弹性模量降低或增 大有限。 刘启旺等( 2 0 0 2 ) t 3 1 x 摇t d j 发电厂干贮灰的动力特性进行了试验研究，并与国 内外已有的水冲灰、碾压干贮灰的试验成果进行了比较。 1 2 3 土的动力特性测试技术 土的动力特性测试方法一般有两种，一种是原位测试，另一种是室内测试， 两者相互补充，各有所长，有时可以相互验证。 第一章绪论 9 一 原位测试 国内外很多学者研究了原位测试技术和分析剪切波速的方法。n a z a r i a i l 和 s t o k o e ( 1 9 8 4 ) p 2 】研究了由表面波谱的分析来决定原位剪切波速，它的优点是快 速、经济、非破坏以及不需要钻孔。通过4 个例子对该方法的计算结果和钻孔地 震测试中测得的剪切波速进行对比，表明了该方法的可靠性。但是从理论上讲这 种方法不能测得深层上的波速，对不均匀土层测试结果可能误差较大。b o d a r e 和m a s s a r s c h ( 19 8 4 ) p 3 】研究了采用冲击激振、稳态正弦波激振和随机激振三种不 同类型的激振来产生剪切波，利用交叉孔法测定剪切波速。结果表明，采用稳态 正弦波和随机激振所测得的剪切波速结果较好。p i t i l a k i s 和a n a s t a s s i a d i s ( 1 9 9 2 ) p 4 】 对希腊的天然沉积土分别采用原位测试和室内测试来测定剪切波速、剪切模量和 阻尼比，测试结果表明，原位测试的剪切波速和标准贯入值相当吻合，但室内测 定的剪切波速值总是比原位要低。 我国一些学者利用反演分析方法来研究土层的动力参数。崔建文( 1 9 9 8 ) p 习 利用面波资料提出了反演波速剖面的全局优化方法，测试结果显示该方法较之已 有的其它算法在计算效率和应用简便上有一定的优点；郭明珠( 2 0 0 0 ) p 6 】研究了地 脉动波场分析及其在场地动力特性测试中的应用，指出利用地脉动测定场地动力 特性的n a k a m u r a 方法中存在的问题，并提出了合理的解决方法：师黎静( 2 0 0 2 ) 3 7 1 利用地脉动观测反演工程场地剪切波速度结构，指出利用地脉动台阵观测数据推 算瑞利波频散曲线，进而反演浅层速度结构的技术途径是可行的。 室内测试 最早进行土动力特性室内试验的时间可追溯到2 0 世纪3 0 年代【3 8 1 。4 0 年代 c a s a g r a n d e 和s h a n n o n ( 19 4 8 ) t ”】设计了一种摆式加荷试验装置，用以进行快速瞬 态加荷试验。但这种试验装置不能确切地模拟实际状况，其主要表现在两个方面： ( 1 ) 没有考虑动荷载与静荷载的叠加；( 2 ) 瞬时荷载的作用仅相当于地震的第一个 脉冲，它不能模拟实际地震时土样在多次循环荷载作用下的特性。 为了克服上述缺点，s e e d ( 1 9 5 9 ) 4 0 1 和黄文熙( 1 9 6 1 ) 【4 l 】分别研制出两种不同类 型的振动三轴仪。s e e d 等人研制的振动三轴仪采用气压系统对土样施加动荷载， 而黄文熙研制的振动三轴仪是将试样容器置于振动台上，利用试样上端重量块的 惯性和对土样产生轴向振动荷载。 1 9 6 6 年以后，动三轴试验在国外得到了迅速的发展，美国主要采用电气式 振动三轴仪，而日本则主要采用电磁或电液式振动三轴仪。 动三轴试验虽可模拟地震施加循环荷载作用，但其应力条件与土的现场地震 应力条件有一定的差异。实际地震时，土的变形大部分是由自下而上传递的的剪 切波引起，若地表为水平，则水平面上的法向应力保持不变，这时只产生循环剪 第一章绪论 l o 应力，而动三轴试验只能近似模拟这种应力状态。 为此，r o s c o e ( 1 9 5 3 ) t 4 2 】单剪仪逐渐得到了研究者们的重视。这种仪器，经 p e a c o c k 和s e e d ( 1 9 6 8 ) 4 3 1 ，f i n n 等( 1 9 7 1 ) 4 4 对荷载传递系统、试样制备和加荷方 法以及边界条件等方面改进后，使得试样更加接近于现场土的应力状态。振动盒 式单剪仪采用试样容器内制成一个封闭于橡皮膜内的方形试样，其上施加垂直应 力后，使容器的一对侧壁在交变剪力作用下做往复运动，以观测土样的动力特性， 它对研究地震作用下动剪应力和动剪应变的变化规律较为适宜。盒式单剪仪的缺 点是：试样成型比较困难，应力分布不均，侧压无法控制，侧壁摩擦的影响难以 估计。因此，有人采用了圆形试样，或将侧壁的刚性限制改为柔性薄膜( 即将均 匀应变条件改为均匀应力条件) ，或采用多层薄金属片叠成的侧壁进行试验，虽 有改进，但仍然不能完全摆脱上述的缺点。 继而又出现了扭转式单剪仪。其动剪应力由在圆形试样表面上施加扭矩的方 式实现。这种仪器起初采用了柱状试样，为使径向应力均匀分布改为空心圆柱试 样。它除了可以控制施加的动剪应力外，还可控制内外的侧压力，且试样内的剪 应力比较均匀，原则上实现了纯剪条件。进一步的发展又将空心柱试样由原来的 内外等高改为不等高，可使试样内各点的剪应变相等，得到均匀剪应力。 总的来说，振动单剪仪能够较好地模拟现场应力条件，但试样制备难度大， 所以目前国内外主要还是采用操作比较容易的振动三轴仪。由于动三轴试验很难 测出在低应变( 1 0 4 ) 时土样的动力性质，从6 0 年代开始共振柱技术因其可研 究土样在1 0 气1 0 。3 应变范围内土的动力特性，而被较为广泛地应用于测定土的动 模量和阻尼比指标。共振柱试验可将现场波速试验和动三轴试验的结果连接起 来，得到完整的劬附曲线。 近年来，为了获得更加接近于实际条件的试验结果，大型振动台试验得到了 较多的应用。安置在振动台上的砂箱可模拟各种不同类型的地基条件，如坝基、 桩基和可液化地基等，试验可获得非常直观且多方面的资料。为了更好地模拟原 型地基，离心模型试验也已引入测定土的动力性质【4 5 1 。 测试精度 在土体的动应力应变理论模型研究和土工建筑物与地基的动变形估算以及 稳定分析中，必须了解土在1 0 6 1 0 1 连续应变范围内动应力应变关系及其动强度 特性，但是常规测试仪器不能满足需要【4 6 1 。为了提高土工测试精度，拓宽应变 测试范围，使土的动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 ) t 4 7 l 在动三轴仪上使用自制的高灵敏度电阻式应变计量测到动 应变在1 0 6 1 0 之范围内的动模量和阻尼比。郭莹、栗茂田等( 2 0 0 3 ) 1 4 8 】结合“2 l l 第一章绪论 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“土工静力 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，将其两套测量系统，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 试验中轴向可测量的应变达1 0 一，在循环扭剪试验中达1 0 一。 测试方法 1 ) 一个试样多次固结 何昌荣【4 7 】曾针对三种粘性土和四种砂性土，利用一个试样在循环荷载作用 下振动2 0 级左右后，改变初始固结压力o 3 。或初始固结比疋继续固结后再振动 的方法进行了动模量和阻尼比试验，得到的每一个动模量助与动应变幅值勤曲 线不仅连续光滑，而且不同田。或疋之间的曲线也光滑连续且符合一般规律。 2 ) 逐级消散孔压 对于土样动力特性参数测定，地基动力特性测试规范( g b t 5 0 2 6 9 9 7 ) f t 凋 确规定了排水条件以及孔隙水压力的增长。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；李永乐、陈宇等( 2 0 0 2 ) 4 9 】 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。 在试验过程中，当第一级动荷载选定后，即进行试验，达到预定振次后再振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( 2 0 0 6 ) t 5 0 】针对波浪作用的 具体特点，采用一个试样逐级加荷的方法对黄弊港海床表层淤泥进行了动模量、 动变形及动强度试验。具体做法为，在每一级动应力下连续振动到预设次数，然 后打开排水阀至孔压消散，然后关闭排水阀门施加下一级动应力。 1 3 本文的工作 由国内外土动力特性的研究现状可知，针对公路路基填土的动力特性研究资 料极少。基于研究目的，本文采用室内试验手段对路基填土的动力特性展开研究， 其主要研究内容为： ( 1 ) 对土的动力特性测试技术进行综合分析，得出适合本项目研究的测试 方法。 ( 2 ) 对地震动力荷载作用下路基填土的动强度特性展开试验研究，分析含 水量、压实度及土样含石量等对动强度特性的影响，获得有关规律，得到试验土 的动强度指标。 ( 3 ) x , j - 地震动力荷载作用下路基填土的动模量及阻尼比特性展开试验研究， 分析含水量、围压、压实度及含石量对动弹性模量和阻尼比的影响，得出动弹性 模量和阻尼比与动应变的关系曲线，求出最大动弹性模量和最大阻尼比。 第二章土动力特性测试技术 第二章土动力特性测试技术 1 2 2 1 概述 土的动力特性与其应变幅值有关。当应变幅值在1 0 一1 0 4 范围内时，土显示 出近似弹性的特性，如动力机械作用、车辆行驶等引起的振动；当应变幅值在 1 0 。4 1 0 之范围内时，土具有弹塑性特性，如打桩、中等程度地震等引起的振动； 当应变幅值达到百分之几的量级时，土体己不能维持其原来的形状，将发生振密、 破坏、液化等现象，这时土的主要动力特性是它在破坏时的强度。通常把应变幅 值1 0 4 作为大小应变幅的界限值，在小应变幅( l o 。4 ) 情况下，则主要研究土的动变形和动强度 特性。 土动力问题研究的应变范围很广，从振幅很小的精密设备基础振动到强烈地 震和核爆炸的震害，土的应变变化范围为1 0 1 0 。在此应变范围内的土的动力 计算中所用的特性参数需要用不同的测试方法来确定，这些方法归纳起来主要分 为两类，即：原位测试技术和室内测试技术。 2 2 原位测试技术 原位测试技术是研