不同应力条件下砂土动模量特性的试验对比研究论文

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1、不同应力条件下砂土动模量特性的试验对比研究论文摘要：利用新研制的三轴—扭剪多功能剪切仪分别进行了竖向与扭转双向耦合剪切振动、振动三轴和振动扭剪等3种试验，采用内置于三轴室的轴力及扭矩双出力传感器和非接触式微小位移传感器测量荷载与位移，着重研究了均等固结条件下福建标准砂的动模量特性。试验结果表明：动力双向耦合试验在扭转方向和竖向的动模量与应变之间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；归一化动模量与按照参考应变归一化后的应变比之间的关系不再依赖于初始固结压力、密度及应力路径；动三轴试验与动扭剪试验所得到的最大动剪切模量与初始固结应力之间的关系基本一致，与此

2、相比，由动力耦合试验中扭转向振动分量所得到的结果偏高，由动力耦合试验中竖向振动分量所得到的结果又稍低。关键词：动力土工试验动模量复杂应力条件土的动模量是土动力学计算与分析的基本参数，一般采用共振柱仪、动扭剪仪或动三轴仪试验测定。由于试验设备的限制，对于在波浪荷载下所产生的轴向与扭转双向耦合剪切振动1～4.freelm、1.0°，主要用于测量微小竖向位移与角位移；另一套为接触式位移、转角传感器，最大量程分别为50mm、40°，主要用于测量大位移和大转角。本文主要是采用非接触式位移传感器进行试验研究探讨较小应变幅值条件下砂土的动力变形特性及相应动力变形参数。双向耦合试验与扭

3、剪试验均采用空心圆柱状试样，试样外径与内径分别为100mm、60mm，高度为150mm；三轴试验采用实心圆柱状试样，试样直径为100mm，高度为200mm。经测定，试验中所采用的福建标准砂具有下列物理指标：颗粒比重为Gs=2.643；最大与最小干密度分别为ρdmax=1.74g/cm3，ρdmin=1.43g/cm3；最大与最小孔隙比分别为emax=0.848，emin=0.519；粒径组成特性参数为：d50=0.34mm，Cu=1.542，Cc=1.104。一般情况下试样的相对紧密度控制为30%，初始均等固结压力分别采用100、200、300kPa3种，此外为考虑试样

4、初始密度的影响，还针对相对紧密度为60%、围压为100kPa情况进行了对比试验。采用分层干装方法制备砂样，并联合采用通加CO2、水头与施加反压等方法保证试样的饱和度达到95%以上。针对相同的试验条件，分别进行了普通循环三轴试验、常规循环扭剪试验和三轴-扭转循环耦合剪切试验。在循环剪切试验中采用应力控制方式施加循环荷载，循环轴向应力σz和循环剪应力τt均采用周期简谐循环荷载，在耦合试验中两者的相位差控制为90°，且循环轴向应力幅值之半σz/2与循环扭转剪应力幅值τt保持相等，从而保证耦合试验中的应力路径为圆形，以模拟波浪荷载在海床中所形成的主应力轴连续旋转的应力条件。循环

5、荷载的振动频率均采用0.1Hz，分段施加一定循环次数、一定幅值的循环荷载，在不排水条件下逐级地同时或分别增加轴向应力与扭转剪应力的幅值，每级荷载进行10次循环，直至试样破坏。2试验结果及其分析2.1动模量特性以循环应力条件下轴向应力-应变关系的滞回曲线为基础确定不同应变水平下的动弹性模量E，从而可以得到动弹性模量E随轴向应变幅值ε的变化规律，动三轴试验与动力耦合试验中竖向分量的试验结果如图2所示，图中还显示了初始固结压力及土样密度对动弹性模量的影响。由此可见动弹性模量E随轴向应变幅值ε的变化规律依赖于初始固结压力和密度；同等条件下，由动力耦合试验的竖向应力-应变关系所获

6、得的动弹性模量在数值上比动三轴试验所获得的弹性模量稍低一些。同样地，以循环应力条件下剪切应力-应变关系滞回曲线为基础确定不同剪应变幅值下的动剪切模量G，从而可以得到动剪切模量G随剪应变幅值γ的变化规律，动扭剪试验与耦合试验中扭转分量的试验结果如图3所示，图中显示了初始固结压力及土样初始密度对剪切模量的影响。由此可见，剪切模量G随剪切应变幅值γ的变化规律依赖于初始固结压力和密度。而且从数值上来看，两种试验所得到的剪切模量比较接近。将试验所得到的应力幅值与应变幅值之间关系进行坐标变换后，可以整理出1/E～ε、1/G～γ之间的相互关系，发现其间呈现良好的线性关系，说明应力幅值

7、与应变幅值之间服从良好的双曲线关系，由各直线截距a的倒数确定各模量最大值Emax和Gmax，进一步地确定模量最大值与固结压力之间的依赖关系，如图4和图5所示，由此可见最大模量与固结压力之间的关系基本符合Janbu的经验表达式，即(1)式中：k与n分别称为动模量系数与动模量指数，通过试验结果回归所得到的各参数值列于表1。图2动三轴与动力耦合试验竖向E-ε关系图3动扭剪与动力耦合试验中扭向G～γ关系图4动弹性模量与围压之间的关系(Dr=30%)图5动剪切模量与围压之间的关系(Dr=30%)表1三种试验所得到的动模量系数k与动模量指数n试验类型