（岩土工程专业论文）三向非均等固结条件下密实粉煤灰动力变形特性的试验研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 实际建筑物地基土体往往处于复杂初始应力状态，这一应力状态一般可由初始中主 应力系数b o 、初始偏应力比珈、初始主应力角蛳及初始平均有效固结应力p 。o 这四个指 标来描述。在复杂初始应力状态下，影响土的动模量与阻尼比等动力变形特性参数的因 素有很多，这些因素不仅包括土本身的性质，而且还与土体所处的固结应力状态以及在 此基础上受到的动力荷载的性质有关。由于饱和状态下的粉煤灰对地震等动力荷载反应 灵敏，抗液化性能很差，所以利用粉煤灰作为坝基和坝料来贮存和利用粉煤灰，必须对 其动力特性进行必要的试验研究。 本文利用先进的“土工静力一动力液压三轴一扭剪多功能剪切仪”，针对上) t ；6 0 的密实粉煤灰，进行了数组不同初始中主应力系数、不同初始偏应力比和不同初始主应 力角等固结条件下的循环扭剪试验，采用了接触式大位移计与非接触式小位移计联合测 量角位移的方法，针对吉林粉煤灰着重对两向和三向非均等固结应力状态条件下的动模 量和阻尼比特性进行了系统的试验研究。在不同的初始固结应力状态下深入而系统地研 究了不同初始固结应力条件变化对吉林粉煤灰动模量和阻尼比随应变变化规律的影响。 试验结果表明： 在三向非均等固结条件下，初始中主应力系数b o 对密实粉煤灰的动剪切模量g 随 动剪应变幅值珀变化关系在剪应变幅值小于1 0 d 范围内影响比较显著。在相同的平均 有效固结应力p 7 。o 下，均等固结条件下( 7 7 0 - = 0 ) 和两种非均等固结条件下( r i o - - - 0 4 3 、0 7 5 ) 的动剪切模量g 差别并不大。对于同一个p m 0 ，初始主应力方向角蛳对动剪切模量g 随动剪应变幅值，的变化关系具有一定的影响。密实粉煤灰的最大剪切模量g | 。随着初 始中主应力系数b o 、初始偏应力比r o 、初始主应力方向角锄值的不同而有所不同。不同 的b o 、r o 和嘞对饱和粉煤灰最大动剪切模量参数k 、以具有一定的影响。 不同平均有效固结压力p m 0 试验条件下所获得的不同初始中主应力系数b o 和不同 初始偏应力比舶的阻尼比随动剪应变变化争瑚试验结果基本都落在较窄的范围内；不 同初始应力方向角嘞的每- - r i , 式验结果基本落在一带形区域内，随着初始主应力方向角蛳 的增大，阻尼比善稍有增大，但趋势并不明显。引入参考剪应变打后，复杂初始应力条 件的影响在很大程度上被消除，不同b o 、r o 和嘞对眚的影响i l l d , ，可以忽略不计。 联合采用非接触式微小角位移计和接触式大角位移计测量角位移效果良好，不仅获 得的试验结果接合良好，拓宽了量测的剪应变范围，而且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。另外，提出一种新的求取最大剪切模量 三向非均等固结条件下密实粉煤灰动力变形特性的试验研究 g l 。的方法，即s 型曲线拟合。结果证明，此方法能更为准确地确定最大剪切模量g 。， 在处理小变形试验中更为适用。 关键词：三向非均等固结条件；密实粉煤灰；循环扭剪试验；动模量；阻尼比 大连理工大学硕士学位论文 e x p e r i m e n t a ls t u d yo nd y n a m i cd e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fd e n s e f l ya s hu n d e rt h i r d d i r e c t i o n a la n i s o t r o p i cc o n s o l i d a t i o n c o n d i t i o n s a b s t r a c t t h es o i le l e m e n t su n d e rt h ef o u n d a t i o no fb u i l d i n ga r eu s u a l l yi nc o m p l e xi n i t i a ls t l e s $ c o n d i t i o nb e f o r es u b j e c t e dt oc y c l i cl o a d i n gi n d u c e db ye a r t h q u a k es h a k i n go ro t h e rd y n a m i c s o u r c e s t h i si n i t i a lc o n d i t i o ni s g e n e r a l l y c h a r a c t e r i z e db yt h ec o e 伍c i e n to fi n i t i a l i n t e r m e d i a t ep r i n c i p a ls t r e s sb 0 ，t h ei n i t i a ld e v i a t o r i cs t r e s sr a t i o 町o ，t h ei n i t i a lp r i n c i p a ls t r e s s a n g l ea oa n dt h ei n i t i a lm e a ne f f e c t i v ep r i n c i p a ls l r e s sp f m o bt h ec o m p l e xi n i t i a ls ；t i e s s c o n d i t i o n , m a n y f a c t o r sw i l la f f e c tt h e s e p a r a m e t e r s o ft h e d y n a m i cd e f o r m a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so fs o i l t h ed y n a m i cm o d e ma n dd a m p i n gr a t i oa r ei n v o l v e di nn o to n l yt h e p r o p e r t yo fs o i li t s e l f , b u ta l s ot h es t r e s sc o n d i t i o no fc o n s o l i d a t i o na n dt h ep r o p e r t yo f d y n a m i cl o a d s s a t u r a t e df l ya s hi s s e n s i t i v et od y n a m i cl o a d , i ti so f t e nt a k e nt of i l l e m b a n k m e n ta sm a t e r i a ls ot h a tw ec o u l ds a v ea n d1 1 s et h e mc o n v e n i e n t l yt h e ni ti se s s e m i a l t 0d ot h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nf l ya s h i no r d e rt oi n v e s t i g a t et h ee f f e c t ，s e v e r a lg r o u p so fc y c l i ct o r s i o n a ls h e a rt e s t sg i l d e r d i f f e r e n tc o m p l e xi n i t i a ls t r e s sc o n d i t i o ma l ep e r f o r m e db yu s i n gm v a n e e da p a r a t u s s o i l s m i l ea n dd y n a m i cu n i v e r s a lt 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 rj i l i nf l ya s hw i t h r e l a t i v ed e n s i t yo fd r = 6 0 b yu s i n gw i 也t h es m a l la n g l ed i s p l a c e m e n ts e l l g o ta n dl a r g e a n g l ed i s p l a c e m e n ts e n s o ru n i t e dt om e a s r r e ，t h ee f f e c t so fi n i t i a li n t e r m e d i a t ep r i n c i p a l5 h e s s c o e f f i c i e n tb o ，i n i t i a ld e v i a t o r i cs t r e s sr a t i o7 0a n di n i t i a lp r i n c i p a ls t r e s sa n g l ec r o o nd y m m i c m o d u l u sa n dd a m p i n gr a t i ou n d e rs e c o n d - d i r e c t i o n a la n dt h i r d - d i r e c t i o n a l a n i s o t r o p i c c o n s o l i d a t i o na l ee m p h a t i c a l l ys t u d i e d i ti ss h o w nt h a t ： u n d e rt h i r d - d i r e c t i o n a la n i s o r o p i cc o n s o l i d a t i o n , e f f e c t so fi n i t i a li n t e r m e d i a t ep r i n c i p a l s t r e s sc o e f f i c i e n tb o o nt h ed y n e m i cs h e a rm o d u l u sg d e p e n d e n c yo , l lt h es w a i n7 0 f f l ya s hi s r e m a r k a b l ea tt h er a n g eo f t h es t r a i nf 1 0 。w i t ht h e 翻t n l em e a t le f f e c t i v ec o n s o l i d a t e dp r e s s p m 0 ， t h ed i f f e r e n c eo fgu n d e ri s o t r o p i cc o n s o l i d a t i o n ( 叼o = 0 ) a n dt w oa n i s o l r o p i cc o n s o l i d a t i o n ( 7 0 。0 4 3 、0 7 5 ) i sn o ts i g n i f i c a n ta n di n i t i a lp r i n c i p a ls t r e s sa n g l ea oh a ss o m ei n f l u e n c eo n t h ed y n a m i cs h e a rm o d u l u sg d e p e n d e n c yo nt h es t r a i nrt h ev a l u eo fm a x i m u md y n a m i c s h e a rm o d u l u sg m 缸o fd e n s ef l ya s hd e p e n d so nb 0 、i 0a n da 0 d i f f e r e n tb o 、7 0a n da oh a v e s o m ei n f l u e n c eo nt h es h e a rm o d u l u s p a r a m e t e r sk a n d o f s a t u r a t e df l ya s h e x p e r i m e n t a lr e s u l t so ft h ed a m p i n gr a t i o 毒d e p e n d e n c yo nt h es t r a i n ，谢t hd i f f e r e n t p m o 、b oa n d7 0e x i s ti nan a r r o wr a n g e ，a n dt h ev a l u eo fd a m p i n gr a t i o 善h a sat e n d e n c yt o i i i 三向非均等固结条件下密实粉煤灰动力变形特性的试验研究 - _ - _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ - _ _ _ - - - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ i _ - _ _ _ _ _ 一_ _ _ _ _ _ _ - 一 i n c r e a s ew i t ha 0i n c r e a s i n g b u tw h i e hi sn o to b v i o u s t h ee f f e c to ft h ec o m p l e xi n i t i a ls l r e s s c o n d i t i o n s0 1 1 芒c a nb ee l i m i n a t e dt ot h em a x i m u md e g r e ei ft h er e f e r e n c es h e a rs t r a i r l 扮i s c o n s i d e r e d t h ee f f e c t so fb o 、i 0a n da 0o n 考a r el e s $ ，w h i c hc a l lb en e g l e e t e d 1 1 1 em e t h o do fu n i t i n gt h es r f t a l la n g l ed i s p l a c e m e n ts e n s o ra n dl a r g ea n g l ed i s p l a c e m e m s e n s o rt om e a s u r ei se 街c i e n t n o to n l yt h ee x p e r i m e n t a lp r e c i s i o nc a i ab ei m p r o v e d ，b u ta l s o t h ew h o l ec h a n g e so fd y n a m i cm o d u l u sa n dd a m p i n gr a t i ow i t ha m p l i t u d eo fd y n a m i cs h e a r s t r a i nc a nb eo b t a i n e dc o n t i n u o u s l y i ti si m p o r t a n tt og e tt h em a x i m u md y n a m i cs h e a r m o d u l u se x a c t l y i na d d i t i o n , an e ww a yt og e tg i sa p p l i e d , t h a ti ssc u r v ei m i t a t i o n f r o m t h er e s u l tw ec a l lg e tt h a tt h em o t h o di sp r e e i s e ra n di i l o r ef i tt ot h et e s to f s m a l ld e f o r m a t i o n k e yw o r d s ：t h i r d - d i r e c t i o n a la n i s o t r o p i cc o n s o l i d a t i o n ：d e n s ef l ya s h ；c y c l i c t o r s i o n a l s h e a rt e s t s ；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 v 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。 作者签名：塑! ：鱼 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：丞丛：堕 导师签名塑 上生年月卫日 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 粉煤灰是燃煤电厂的主要废弃物，排放粉煤灰污染环境、占用土地，形成公害，如 何综合利用粉煤灰，变废为宝，化害为利，是我国电力、环保部门多年来亟待解决的问 题，大力开展粉煤灰的综合利用，是国家一项重大的技术经济政策。1 9 9 2 年，全球生 产3 6 亿吨飞灰，o 9 1 8 亿吨底灰和炉渣。其中有1 5 2 8 亿吨的煤灰被利用，占总量的 3 3 3 。有的国家如日本，利用率基本达1 0 0 ，我国是一个燃煤大国，粉煤灰的年排放 量由1 9 9 4 的6 亿吨，已增加到2 0 0 0 年的1 6 亿吨，而我国的年利用率只有1 9 。粉煤 灰的利用不仅关系到资源的利用闯题，还关系到世界呼声最大的环境问题1 2 】。实践证明， 粉煤灰可以被广泛地应用于农林、建筑、化工等一系列行业中，而其中应用于建筑行业 中道路、建材部门的粉煤灰约占2 0 。由此可见，建筑工程是大量综合利用粉煤灰的潜 在领域，在建筑工程中开展综合利用粉煤灰的研究，不仅可以减少粉煤灰排放需要大量 征用土地的费用，而且解决了粉煤灰对环境的污染问题，带来显著的社会效益。 利用粉煤灰作为坝基和坝料是贮存和利用粉煤灰的较为经济合理的方法。粉煤灰是 一种良好的筑坝材料，利用粉煤灰材料筑坝，不仅可以降低工程造价，而且可以提高工 程质量，给筑坝工程自身带来显著的经济效益和工程效益。粉煤灰外形呈粒状，轻质， 多孔，颜色从灰白色到深灰色，其中也含有大于2 m m 的颗粒，在颗分级配曲线上，大 部分分布在0 5 m m 0 0 0 5 m m 范围内。按分类属于粉砂，其物理力学性质与一般砂性土 有较大差别。虽然粉煤灰强度不算太低，但饱和状态下的粉煤灰对地震等动力荷载反应 灵敏，抗液化性能很差。因此，利用粉煤灰做筑坝材料，必须对其动力特性进行必要的 试验研究【3 】。 土的动力特性包括动力变形特性、动力强度特性及振动孔隙水压力增长和液化特 性。土的动应力一应变关系或称动本构关系，是表征土的动力特性的基本关系。一般来 说，土的动本构关系在本质上是非线性的、时间相关的和三维的，土的动本构特性的与 土在不同动荷载作用下所出的工作状态有关。工程问题中常见的动荷载有：单一大脉冲 的爆炸荷载，它在很短多时间内以很高的速度施加于土体之上而会引起明显的速率效 应：动力机器所引起的荷载，多次往复地篪加于土体之上而会产生明显的循环效应；地 震荷载作用则可能速率效应与循环效应并存。在水平场地上，由于各类建筑物的修建， 实际地基土体既非处于天然的凰圃结应力状态，也非处于初始均等固结应力状态。在 土体自重及上部静荷载的共同作用下，其土单元体不仅水平面上有初始剪应力，而且竖 三向非均等固结条件下密实粉煤灰动力变形特性的试验研究 向应力也不等于水平应力，即总的偏剪应力同时含有正应力偏差和水平剪应力两者的组 合影响，此时土体中不仅存在初始偏应力，而且大主应力方向也不再垂直于水平面，而 是与水平面法线斜交成各种不同的角度，即存在初始主应力角，此时土体处于复杂初始 应力状态( 也称复杂固结应力状态) 。在实际情况下，建筑物地基土所承受的暴风波浪、 强烈地震以及公路或铁路的路基中的交通荷载都属于复杂荷载的范畴，可以用循环荷载 来近似地模拟。因此，试验研究工作可以近似地模拟复杂荷载作用下土体中的复杂动应 力状态。 在不同动荷载作用下土可能产生的应变s 的量级有明显的不同。当“1 0 。4 时土处于弹 性变形阶段；当1 0 4 1 0 。4 开始出现明显衰减，衰减率 占总量的8 0 以上，其中在1 0 气1 0 刁之间衰减最为迅速，达5 0 左右。其他试验结果也 能得出类似的结论。可见获得7 1 0 巧的实验数据对于准确获得最大动剪切模量的至关重 要。因此，利用现有的循环剪切试验设备，采用上述试验技术获得的动剪切模量结果可 以基本满足测量动剪切模量特别是最大动剪切模量的精度需要。 图2 8 实测的动剪切模量g 和阻尼比 与动剪应变幅值y 的关系 f i g 2 8 r e l a t i o nb e t w e e ngo r a n d ， 2 5 试验内容 本文共进行了三组不同复杂初始应力条件下的循环扭剪试验。所有试验中试样的相 对密度均控制为6 0 。具体方案如下： 第1 组：为了探讨初始三向非均等固结应力条件下初始中主应力系数b o 对粉煤灰动 剪切模量和阻尼比等动力变形特性的影响，针对d 。- - 6 0 的密实粉煤灰，在保持偏应力 比r l o - - o 4 3 的条件下固定初始主应力方向角c o = 0 0 ，平均有效固结压力取p m o l l 0 0 、2 0 0 、 3 0 0 k p a 三种情况，对5 种初始中主应力系数b o = 0 、o ，2 5 、0 5 、0 7 5 、l 的情况分别进行 了的循环扭剪试验。 大连理工大学硕士学位论文 第2 组：为了探讨初始三向非均等固结应力条件下初始主应力方向角锄对粉煤灰动 剪切模量和阻尼比等动力变形特性的影响，针对口o 的密实粉煤灰，在保持偏应力 比，7 0 _ 幻4 3 的条件下固定初始中主应力系数b o = 0 5 ，平均有效固结压力取p 1 0 = 1 0 0 、2 0 0 、 3 0 0 k p a 三种情况，对3 种初始主应力方向角锄= o 。、3 0 0 、6 0 。的情况分别进行了的循环 扭剪试验，为了避免更换荷载传感器，针对a o = 3 0 0 和6 0 0 的情况，进行了p ，i o = 5 0 、1 0 0 、 2 0 0 k p a 的试验。 第3 组：为了探讨初始三向非均等固结应力条件下初始偏应力比卵。对粉煤灰动剪切 模量和阻尼比等动力变形特性的影响，针对d r = 6 0 的密实粉煤灰，在保持初始主应力 方向角锄= o 。的条件下固定初始中主应力系数b o = 0 5 ，平均有效固结压力取p m o = 1 0 0 、 2 0 0 、3 0 0 k p a 三种情况，对3 种初始偏剪应力比q o = 0 、7 0 4 3 、0 7 5 的情况分别进行了的 循环扭剪试验。 在试验中，可根据事先确定的初始中主应力系数b o 、初始偏应力比卵o 、初始主应力 方向角c t o 和初始平均有效主应力p m o 反算得到所需施加内侧压肋o 、外侧压p o o 、竖向静 荷载和环向静扭矩m t o 的大小。表2 3 、2 4 、2 5 分别歹0 出了本文所有试验固结阶段 所施加的静荷载大小及其组合。 表2 3 不同6 0 状态下固结阶段所施加的静荷载大小及其组合 t a b 2 3c o m b i n a t i o n so f t h ea p p l i e dl o a d sd u r i n gc o n s o l i d a t i o nw i t hd i f f e r e n tb o b o p m o 炉a p , o k p a p o o k p a w o k nm t o n m 1 0 0 8 5 6 78 5 6 70 2 1 60 0 2 0 01 7 1 3 31 7 1 3 30 4 3 2o 3 0 02 5 7 02 5 7 00 6 4 8o 1 0 0 9 6 0 38 9 6 6o 2 1 0o 0 2 5 2 0 01 9 2 0 51 7 9 3 30 4 2 00 3 0 0 2 8 8 0 72 6 8 9 90 6 3 0o 1 0 0 1 0 8 2 89 5 0 3o 1 8 7o 0 52 0 0 2 1 6 5 51 9 0 0 70 3 7 4o 3 0 03 2 4 8 32 8 5 1 00 5 6 2o 1 0 0 1 1 9 8 81 0 0 8 00 1 5 00 0 7 52 0 02 3 9 7 5 2 0 】6 00 3 0 0 0 h 3 0 03 5 9 6 33 0 2 3 90 4 5 0o ， 1 0 01 2 8 6 71 0 5 7 3o 1 0 8o 12 0 02 5 7 3 32 1 1 4 7 0 2 1 6 0 3 0 03 8 6 o o3 1 7 2 0 0 3 2 4o 三向非均等固结条件下密实粉煤灰动力变形特性的试验研究 表2 ，4 不同锄状态下固结阶段所施加的静荷载大小及其组合 t a b2 4c o m b i n a t i o n so f t h ea p p l i e dl o a d sd u r i n gc o n s o l i d a t i o nw i t hd i f f e r e n ta o 锄，。 p m 0 k p aa 以p a p o o l c p a w d k n m r d n 。m 1 0 0 1 0 8 2 89 5 0 3o 1 8 7o 0 2 0 02 1 6 5 51 9 0 ，0 70 ，3 7 4 o 3 0 03 2 4 8 32 8 5 1 00 5 6 2 0 5 0 5 2 0 74 8 7 6 0 0 4 62 2 0 3 01 0 01 0 4 1 49 7 5 20 0 9 44 4 1 2 0 02 0 8 2 81 9 5 0 30 ，】8 78 8 2 5 04 7 9 35 1 2 40 0 4 72 2 0 6 0 1 0 09 5 8 61 0 2 4 8- 0 ，0 9 4 4 4 1 2 0 01 9 1 7 22 0 4 ，9 7 o 1 8 78 8 2 表2 5 不i 司r o 状态下固结阶段所施加的静荷载大小及其组合 t a b ，2 5c o m b