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中图分类号UDCTU411624硕士学位论文学校代码密级10533粗粒土动弹-I生模量与阻尼比试验研究ExperimentalStudyonDynamicElasticityModulusandDampingRatioofCoarse-GrainedSoils作者姓名：学科专业：研究方向：学院(系、所)：指导教师：论文答辩日期2Q!三1512鱼王佳土木工程岩土工程土木工程学院张家生教授答辩委员会主席二世中南大学2013年5月 原创性声明本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论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过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。作者签名：壬5兰，日期：盏马年』月三日学位论文版权使用授权书本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到《中国学位论文全文数据库》，并通过网络向社会公众提供信息服务。 粗粒土动弹性模量与阻尼比试验研究摘要：粗粒土具有结构稳定、强度高、承载力高、变形小、动荷载作用下不易发生液化等优良的工程特性，作为良好的工程填料已被广泛应用于各类工程中。对粗粒土的静力特性研究己取得相对成熟的成果，但对地震、交通、爆破等动荷载作用下动力行为特性的研究还不够成熟，特别是在本构模型建立及动力计算时，其动力参数的选取及匹配缺乏必要的基础资料佐证。为防止各类以粗粒土填料为主体的土工构筑物在动荷载作用下出现变形失稳，揭示粗粒土在动荷载作用下的动力响应特征，有必要开展粗粒土填料动力特性的试验研究及动力分析。针对粗粒土填料的动力变形特性，本文采用TAJ一2000大型动静三轴试验仪，对典型粗粒土填料开展室内试验研究，分析了动应变、围压、频率和振动周次等因素对粗粒土动弹性模量与阻尼比的影响规律。试验结果表明，粗粒土动应力．动应变关系具有明显的非线性特征和应变软化特征，对应的1／E．一s。曲线基本呈线性关系，即粗粒土的动本构关系可用Hardin双曲线模型进行描述，并给出了相应的模型参数；随围压的增大，相同动应力产生的动应变减小；随频率的增大，相同的动应力产生的动应变也越小，动应变越不能充分展开；随着动应变的增大，动弹性模量非线性减小，阻尼比则非线性增大，当动应变达到0．1％后，动弹性模量基本稳定，且不同围压和振动频率下的Ea—s。曲线基本重合；动弹性模量和阻尼比随着围压、频率的增大而增大；不同动应力水平下，动弹性模量随振动周次的增加出现不同程度的衰减，振动频率越低，衰减现象越明显。由试验结果求出了该种粗粒土的最大动弹性模量和最大阻尼比，分析了围压、振动频率对最大动弹性模量的影响规律，给出了最大动弹性模量关于围压、频率的经验公式，并建立了动弹性模量和阻尼比随动应变衰减的经验公式。试验研究结果可为土工建、构筑物抗震设计、动力分析提供一定的依据，也可丰富粗粒土动力参数的研究，并为理论分析提供验证资料。关键词：粗粒土；动弹性模量；阻尼比；动本构关系；动三轴；滞回圈分类号：Tu411 ExperimentalStudyonDynamicElasticityModulusand、DampingRatioofCoarse—GrainedSoilsABSTRACT：Coarse—grainedsoilhavesomegoodengineeringproperties，suchasstablestructure，highstrength，highbearingcapacity,smalldeformationanddifficulttoliquefyunderdynamicloads．Theyhavebeenappliedwidelyasfillingsingeotechnicalstructures．Studyonstaticcharacteristicsofcoarse—grmnedsoilarerelativelysufficientcomparedwiththeirdynamiccharacteristicsunderearthquake，trafficloadandblasting．Basicdataandparametersareverylimitedintheestablishmentofconstitutivemodelanddynamiccalculation．Inordertodecreasethedeformationandpreventtheinstabilityofgeotechnicalstructuresusingcoarse．grainedsoilasmainmaterial．andrevealthedynamiccharacteristicsofcoarse．grainsoil．itiSnecessarytocarryoutexperimentalinvestigationsanddynamicanalysisoncoarse·grainedsoil．TheTAJ一2000large。scaledynamic／statictriaxialtestplatformwasusedtostudythedynamiccharacteristicsoftypicalcoarse-grainedsoilfillings．Theirdynamicelasticmodulusanddampingratiowerestudied，andtheinfluencingfactorslikeconfiningpressure，vibrationfrequencyandvibrationcyclewereanalyzed．Experimentalresultsindicatethat．thereiSanobviousnonlinearrelationbetweendynamicstressanddynamicstrain．Withthemagnificationofdynamicstrain，dynamicmodulusshowsobviousstrainsofteningfeature，and1慨reduceslinearly．Theconstructiverelationofcoarse—grainedsoilcanbedescribedwiIththehyperbolicmodelpresentedbyHardin，andthenrelevantparameterswereobtained．Withtheincrementofconfiningpressure，dynamicstraininducedbythesamedynamicdecreases．Withtheincrementofvibrationfrequency,dynamicstraininducedbythesamedynamicalsodecreases，thedeformationbecomeslimited．Withtheincrementofdynamicstrain，dynamicmodulusreducesnonlinearlywhiledampingratioincreasesnonlinearly．Whendynamicstrainexceeds0．1％．thedynamicmodulusstaybasicallyunchanged，andtheEd一￡dcurvesofdifferentconfiningpressureandvibrationfrequencyarealmostthesame．Dynamicelasticmodulusanddampingratioincreasewiththeenlargementofconfiningpressureandvibrationfrequency．Underdifferentdynamicstresslevel，III withtheincrementofvibrationcycle，thedynamicelasticmodulusattenuatesatdifferentdegrees．Thesmallerthevibrationfrequencyis，themoresignificanttheattenuationis．Basedontestresults，themaximumdynamicelasticmodulusandthelargestdampingratiowerecalculated，andthentheinfluenceofconfiningpressureandvibration疳equencywasanalyzed．Anempiricalformulaofthemaximumdynamicelasticmodulusconfiningpressureandvibrationfrequencywasputforward．ThentheempiricalaRenuationformulasofdynamicelasticmodulusanddampingratiodynamicstrainwerealsopresented．Theresearchresultscanprovidebasisfortheseismicdesignanddynamicanalysisofgeotechnicalbuildingsandstructures，enrichthestudyondynamicparametersofcoarse—grainedsoil，andprovideexperimentaldatafortheoreticalanalysis．KEYWORDS：coarse-grainedsoil；dynamicelasticmodulus；dampingratio；dynamicconstructiverelation；dynamictriaxialtest；hysteresisloopClassification：TU411IV 目录原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯IIABSTRACT⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．III目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯Vl绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．11．1选题背景和意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．11．2土的动模量和阻尼比国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯31．2．1粘土的研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一31．2．2砂土的研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一41．2．3粗粒土的研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．71．2．4其他类土的研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯101．2．5小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯121．3土的动力特性参数试验方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯121．3．1现场试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯121．3．2室内试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯141．3．3小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯171．4本文研究的内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l72试验设备及试验方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．192．1试验设备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯192．1．1大型动静三轴仪的组成⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯192．1．2大型动静三轴仪的主要特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．212．1．3仪器注意事项⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯222．2试验土样⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯232．2．1土样来源⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯232．2．2筛分试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯232．2．3击实试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯262．2．4强度特性试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯302．3试验方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．322．3．1试验控制条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯322-3．2试验参数选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯332．3．3试验步骤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯343粗粒土动应力动应变基本特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．383．1土动应力一动应变关系的基本概念⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．383．1．1动模量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯393．1．2阻尼比⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯413．2土的动应力．动应变力学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．443．3粗粒土动应力、动应变时程曲线分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯493．4粗粒土动应力．动应变滞回圈分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．543．4．1动应力．动应变滞回圈的描述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．543．4．2滞回圈与围压的关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯563．413滞回圈与振次的关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯573．5本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯60V 4粗粒土动弹性模量与阻尼比试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一614．1动本构关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯614．1．1试验曲线分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯614．1．2动本构关系曲线影响因素分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯644．2动弹性模量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯664．2．1动弹性模量与动应变的关系曲线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯664．2．2动弹性模量与振次的关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯694．2．3最大动弹性模量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯714．2．4动弹性模量的归一化曲线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯724．2．5动弹性模量衰减模型的建立与参数的拟合⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯754．3阻尼比⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯764．3．1阻尼比与动应变关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．764．3．2最大阻尼比⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．804．4本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8l5结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．825．1结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯825．2展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯83参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．84攻读学位期间主要的研究成果目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。90致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9lVI 硕士学位论文1绪论1．1选题背景和意义《土的工程分类标准》(GBT50145．2007)将粗粒土定义为：粗粒组(O．075mm≤d、<60mm)含量大于50％的土。粗颗粒具有抗剪强度高、承载力高、渗透性好、易密实，沉陷变形小、地震荷载作用下不易产生液化等优良的工程特性。在我国，由于粗粒土分布广泛，开采成本较低，已广泛应用于大型水利水电工程的土石坝、高速铁路路基、公路路基、高层建筑物地基、人工填海筑岛等工程。其中，近年来土石坝和高速铁路路基越来越受到人们的关注。截至2007年底，我国已建85412座水库，其中土石坝约占90％以上【lJ。数据表明，我国所建水利水电工程中以土石坝为主。二十一世纪以来，随着西部的大力开发和实施“西电东送”大力发展水电的要求，许多大中型水库正处于筹建、设计或建设阶段，土石坝的数量和高度都在不断增加。然而土石坝大都处于工程地质条件复杂、地震设计烈度达到8～9度的西部地区，地震频繁且强度大，加上交通不发达、自然条件十分恶劣，一旦在强震作用下坝体发生溃坝事故，造成的后果是不可估量的。上个世纪中，世界各地先后均有一些土石坝在大规模地震作用下发生了不同规模和不同程度的破坏，其中不少造成了溃坝事故，付出了惨重的代价12】【3】。例如1925年，在美国发生的圣塔巴巴拉6．3级的地震中，高7．6m的Sheffield坝溃决失事；1986年5月5日，在土耳其M=5．8级Malatya地震中，距震中10km左右的Surgu堆石坝坝顶上游面发生沉降，下沉量15cm左右。同时，坝顶发生纵向裂缝，裂缝平均宽10cm，最大约20cm。根据土石坝震后的破坏情况，总结出土石坝破坏症状大多为坝基滑动，坝体变形、裂缝，渗漏等现象，影响土石坝正常的使用，成为坝体安全的隐患，造成严重的后果。因此土石坝抗震稳定性问题应引起人们的高度重视。自2008年8月1日，我国第一条具有世界最先进、完全自主知识产权的高速铁路一京津城际高速铁路通车以来，我国高速铁路处在高度发展的鼎盛时期，到2012年底，我国高速铁路总里程居世界第一位，增长至近万公里。预计到2020年，建设高速铁路1．6万公里以上，全国铁路总营业里程将突破12万公里。在高速运行的列车荷载作用下，高速铁路路基的动力响应更加显著。大量的事实证明：长期往返的高速列车荷载对路基的变形与沉降会造成严重影响。例如时速为220km日本东海道新干线，在设计时仅仅加强了轨道，而未考虑高速列车荷载对路基变形的影响，从1965年开始路基病害接连不断，出现变形、下沉等破坏症状，严重地影响了正常运行，而不得不花费大量人力、物力进行大面积的整修；某地铁地基监测资料显示【4J：从地铁建设到运营前，大部分沉降点几乎未发生沉 硕士学位论文1绪论降，当地铁运营以后，在列车荷载作用下，随着运营时间的增长，沉降点沉降速度明显加快，沉降量不断加大。众多研究表明”儿u】：过去用于普通交通荷载的静态(或准静态)设计方法已不能用于高速运行的交通荷载作用下路基的设计，需要考虑动力响应引起的更高强度和变形的要求。由此可见，开展研究路基在高速交通荷载作用下的动力响应的工作具有重要的现实意义。随着各种土工建筑物的不断发展，粗粒土的应用越来越广泛，出现复杂应力状态下的静、动力变形问题已成为学术界和工程界非常关注的课题。随着土工测试技术的不断提高，在粗粒土静力特性方面，国内外已有众多研究者进行了试验研究工作，并取得了较为丰富、成熟的研究成果。而纵观当前粗粒土动力特性的研究，由于粒径较大，相比粒径较小的粘性土和砂土，在技术方面以及试验设备方面都十分的薄弱。目前，不管是国外还是国内对其开展的试验研究相对较少，而如今粗粒土在我国应用日益广泛，开展粗粒土在动荷载作用下的动力特性研究迫在眉睫。在地震等动荷载作用下，动模量和阻尼比是研究土动本构模型中表征土动力特性的关键参数，也是研究所有土动力学问题的两个不可缺少的参数。土动模量与阻尼比的试验研究十分复杂，动模量和阻尼比的影响因素达13～15【12】【13】个之多，主要包括动应变幅、平均有效应力、孔隙比、振动频率、振动周次、固结围压、压实度、土粒特性以及固结比等众多影响因素。由于试验仪器、试验人员、土质条件的不同，同一因素对动模量和阻尼比的影响也千差万别。比如，振动频率对土动力特性参数的影响十分复杂。何昌剩14】、Procte等【151、Ansal等【161、Boulanger等‘171、JianZhou等㈣的研究表明，振动频率对粘性土在不排水条件下的动力性能有显著影响。徐学燕等【191认为振动频率对冻结粉质黏土动模量影响较大，对阻尼比影响较小。Hardin等【20】认为在应变幅小于10一的情况下，动剪切模量几乎不受振动频率的影响。Yasuhara等【21l认为荷载振动频率对粘性土动强度和变形模量无明显影响。Brown等‘221、Hvde等【231的研究表明荷载振动频率对粘性土的动力特性不产生影响。张建民等【24】研究表明：饱和砂土在不同振动频率下的等效线性模量随动应变的变化曲线差别不大。陈存礼等[251研究认为，振动频率对强夯黄土的动模量和阻尼比影响较明显，但频率越大对其影响减小，频率越低影响越大。王建荣等【26】研究认为，振动频率对原状黄土的动弹模影响较小，而对阻尼比影响显著。可见，不同状态下的动模量和阻尼比随影响因素的变化规律差异很大。以上论述表明，土在动力荷载作用下的动力变形参数不能简单的采用经验参数，尤其对于一些重大工程，必须模拟现场土质情况和外界条件通过试验方法确定。因此，有必要针对粗粒土动模量与阻尼比特性开展试验研究。 硕士学位论文1绪论1．2土的动模量和阻尼比国内外研究现状土的动模量和阻尼比是土动力特性两个非常重要的参数。动模量是材料在动荷载作用下所表现出来的弹性力学性能参数，其数值越大，说明材料的弹性承载性能越好；而阻尼比是评价工程场地抗震性能的重要参数，阻尼比是用来表示振幅衰减的快慢，阻尼比越大，说明振幅衰减得越快，土体能量损耗越大。它们是土层反应分析和工程场地地震安全性评估工作中不可缺少的参数。国内外众多学者对土的动模量和阻尼比进行了较广泛的研究，并取得了大量有价值的研究成果，为土动力学和地震工程学的发展作出了重大的贡献。1．2．1粘土的研究成果Hardin&BlackE27J给出了粘土最大剪切模量的经验表达式：q。。=12306--o0’5(ocR)‘(2．973一P)2／(1+已)(1-1)式中，OCR为超固结比，e为孔隙比，京为有效平均主应力。但此式不适合非均等的应力状态【28】。Seed&Idrissl29】提出了由固结不排水剪切强度品换算得到且能实用于粘性土的最大动剪切模量公式：q。。=2200S。(1—2)Martin和Seed在文献130]中将这个比值改为2050。而不断的研究表明，Gd。。和&的比值与粘土的类型关系很大，应根据地区的土体性质确定。谢君斐等【31】对京、滓、沪地区的原状饱和黏性土的动力特性进行大量的试验研究，对试验数据做了全面的整理，获得了动弹性模量归一化公式：岛／Ed。。=1／(1+sd／e打)(1-3)式中，P为孔隙比，瓦有效平均主应力，￡打=∥6，常数口、b一般由实验获得，与e、瓦相关。同时试验还得出当动应变￡。<10‘2的范围内，动弹性模量取值不受动荷载振动次数的影响。石兆吉等‘321利用共振柱研究了土动剪切模量的影响因素。总结出围压、密度和含水量等因素对土动剪切模量的影响规律，随着围压、密度不断增大，动剪切模量随之增大；而随着含水量的增大，动剪切模量降低，得出最大动剪切模量与围压在双对数坐标上存在着线性关系。通过对比由共振柱法和动三轴法测得的动剪切模量，两者之间存在较大的差别。作者分析得出，两种试验仪器原理和方法的不同是造成差异最可能的原因，同时两者不同的振动次数和振动方式也会产生影响。郭家禄等【33】采用共振柱对4种不同含水率的粘性土样进行试验，研究饱和度对非饱和粘性土动力特性的影响。研究表明，当剪应变幅值小于10‘4时，非饱 硕士学位论文1绪论和粘性土动剪切模量随剪应变幅增大逐渐减小，而阻尼比逐渐增大：当剪应变幅值增大到10。4后，动剪切模量下降速率明显加快，而阻尼比增长速率也明显加快。在周围应力和应变幅值相同的条件下，随饱和度的增大，非饱和粘性土的动剪切模量减小，而阻尼比随之增大。陈国兴等[34][371通过对南京及其邻近地区河漫滩相成因的粘土、粉质粘土、淤泥质粉质粘土、粉质粘土与粉砂互层土、粉土、粉细砂等六类新近沉积土开展自振柱动力试验，较系统的分析和总结了动应力一应变关系曲线，提出了以不同物性指标为自变量估算最大剪切模量G抽。，的经验公式，和通过塑性指数L描述q／q。。～)，及九～r关系的经验曲线，并由大量的试验数据建立了以‘为参数q一、q／q。。～)，、A～y曲线的经验公式，对工程应用颇有实用价值。尚守平等【3副对原状粉质粘土样和扰动粉质粘土样分别开展了循环单剪试验和动三轴试验，重点研究lOOkPa、200kPa、300kPa三种固结压力下原状土样和扰动土样两种土样动力特性的差别，对两种不同试验方法得到的最大动剪模量q一和q／q。。～y曲线进行了对比分析。研究结果表明：在相同固结压力下，原状土最大动剪切模量q。。均稍低于相应的扰动土的值，但两者很接近。当剪应变水平相同时，固结压力lOOkPa、200kPa条件下，原状土的动剪切模量比大于相应的扰动土的值：在300kPa固结压力下，前者得到的动剪切模量比却小于相应的后者的实验值。同一应变水平下，随着固结压力的增大，循环单剪试验得到的原状土的动剪切模量比随之减小，但受影响的程度越来越大：动三轴试验得到的扰动土的动剪切模量比随之增大，但受影响的程度越来越小。刘胜群等【39J通过动三轴试验对杭州饱和软粘土的动弹模量及阻尼比进行试验研究，分析了振动次数、初始偏应力、循环应力水平对其影响规律。试验结果表明，动弹模量随振动次数的增加逐渐减小，而阻尼比逐渐增加，其影响程度受到循环应力水平的控制。张茹等【40】采用动三轴试验对某土石坝心墙防渗饱和黏性土进行动力特性试验研究，主要讨论了振动频率f对土样动强度、动孔压、动模量和阻尼比的影响。在卢0．1～4Hz范围内，随振动频率的升高动强度增大，但振动频率增加到一定值后，动强度却随之略微减小。当频率卢0．1～1．0Hz之间时，动孔压比随频率的升高而增大；当频率仁1．O～6．0Hz之问时，动孔压比随频率的升高而降低。动模量和阻尼比随着振动频率的增大而增大，试样动变形越不充分。1．2．2砂土的研究成果Hardin&Richart[411通过对渥太华干沙的研究表明，当剪应变介于10～～104之4 硕士学位论文1绪论问时，渥太华干砂的阻尼比随剪应变的增加而增加，但变化幅度非常小(小于2％)；当剪应变大于10’4时，阻尼比随剪应变变化明显，增加的幅度非常大。Hardin&Black[201通过大量的试验研究指出，在剪应变幅为104的情况下，对于无粘性砂土来说，盯：和e是影响最大动剪切模量的最主要因素，其他因素影响较小。对于圆粒砂土(e<0．80)q。。-7000掣p：)0s(1-4)对于角粒砂土q一：3300掣p：)0s(1-5)对于粘性土，仃_：，、e以及超固结比OCR是主要的影响因素Gam。=3300等≠(D衄)k驯t0+5(1-6)式中，仃：为平均有效主应力，e为土样孔隙比，k为与塑性指数耳相关的系数，由相关图表查得。为了直接确定任意动应变时的动剪切模量Gd，Seed．Idriss[291分析总结了大量试验资料，考虑平均有效主应力和剪应变的影响，提出了可适用于砂土和砾质土的最大动剪切模量经验公式：Gd一=218．8K2盯≯(1-7)式中，仃：为平均有效主应力，砭为与剪应变大小有关的系数。Hardin&Dmevich【42l通过共振柱试验和循环单剪试验两种试验方法得出，土的动剪切模量随剪应变幅值增加而非线性减小，即动应力幅值和动应变幅值之间呈近似的双曲线关系，为后人研究土的动本构关系垫定了基础。并提出了土的割线动剪切模量G。关系式如下(亦称㈣模型)：G。=q。。【1一日◇)】(1-8)砘)=虢㈨9)式中，)，为剪应变，㈨取y的绝对值，y，为参考剪应变。不论对于砂性土还是粘性土，实际的动剪应力．动剪应变关系曲线与双曲线模型之间存在一些差异。因此，不少学者通过试验研究将式(1—9)不断改进，Martin和Seed通过大量的试验研究认为：采用Davidenkov模型描述土的动应力 硕士学位论文t绪论．应变关系更为精确，该模型中将函数觑)，)定义为【30J：砘)-【嵩络r(1-10)对比两个模型，显然此模型有彳，B和)，。三个参数，而㈣模型只有一个参数。Hardin【43】继续这方面的研究不断地归纳总结，建立了可适用于各类土的最大动剪切模量经验表达式：Q。。=625G-0／p。05(。cR广只／(o．3+o．7P2)(1-11)式中，只为大气压力，P为孔隙比，OCR为超固结比，瓦有效平均主应力，k按经验取值，与塑性指数厶有关，当厶分别取值0、20、40、60、80和≥100时，k=-O、0．18、0．30、0．41、0．46和O．50。吴世明Ⅲ1利用霍尔(Hall)和经改装的霍尔型共振柱仪测定冰河路粉砂、冰河路砂、比尔(Beal)砂和巴西蒙伯克巴砂的剪切波速度，由式G。。。=pv；直接算出最大动剪切模量G。一。通过对比不同饱和度土样的试验，分析得出饱和度是影响细粒无粘性土最大动剪切模量G。一的主要因素。在小应变幅条件下对于土样最大动剪切模量G。。。值，存在一最佳饱和度使得最大动剪切模量G。一增大达到最大值。当土样应变幅增大时，倪／q。。的比值随应变幅的增大而减小，因为令动剪切模量G。值增大的非饱和效应随应变幅增大而减小。祝龙根等[451采用Dmevich共振柱仪对福建标准砂土进行了大量的动力试验，研究了密度、固结压力、应变大小对其动力特性的影响，分析了动应力应变关系符合“应变软化”型规律，可用双曲线数学模型来表示，采用如下归一化的表达：日／Ed。。=1／【l+sd／s，)(1-12)嘭／嘭一=1／(1+n／)，，)(1-13)并且得出两者的曲线变化率与有效围压关系密切，而与试样的密度关系较小。给出了在低幅应变条件下计算最大动弹性模量易一、最大动剪切模量q一、动弹性模量E。和动剪切模量G。的经验公式。并通过共振柱仪测定动泊松比∥。，得出砂土的心与e、)，d和民有关，其变动范围约在0．15-4)．37之间。针对试验所用的砂样，对Hardin的公式进行了修正，提出了如下确定最大动剪切模量q一的经验公式：q一=580厅-o(2．17一P)2一／0+e)(1．14)徐存森等【46]对取自某核电站场原状砂样分别进行扭转单剪试验和共振柱试验，两种试验的试样物理性质完全相同。通过得到的试验结果绘制动剪切模量G。和动剪应变7。关系曲线，发现由扭转单剪试验和共振柱试验得到的曲线衔接良好。为了研究砂土动剪切模量随深度变化的规律，试验土样取自深度从10米到140米范围内，通过不同深度土样的动力试验得到了动剪切模量@随土样深度 硕士学位论文l绪论变化的关系曲线，随深度的增加，土样固结压力增大，动剪切模量嘭随之增大，当深度达到110m左右时，增大的幅度逐渐减弱。1．2．3粗粒土的研究成果徐刚掣47】利用大型电液伺服粗粒土静动三轴试验仪对四种粗粒土开展动弹模、阻尼比的试验研究，试样尺寸为①300)<750mm，探讨了动弹模、阻尼比随动应变变化规律曲线的全归一化处理的方法，并对Hardin等人提出的经验公式(1．15)、式(1—16)在粗粒土的适用中进行了验算，证实了试验和由公式得到的关系曲线能较好的吻合。但由于土体中骨架材料的差异，使得阻尼比公式中m的取值增大约0．69～2．6倍，需进一步研究尺寸效应。易l_==_一2■————■一丘dm“l+Sd／Erd(1．15)去=t畿，⋯(1一16)式中，日、E。～为动弹模及其最大值；A、A。。为阻尼比及其最大值；E。为轴向动应变；s耐为参考轴向动应变：1／m为阻尼比增长率。沈珠江等【481通过大型动三轴试验对新疆吉林台面板堆石坝的垫料层和主堆石料进行动模量和阻尼比特性试验研究，试样尺寸为①300X750mm，试验频率取0．33Hz，围压分200kPa、400kPa、800kPa、1200kPa4种，在排水条件下进行。试验表明，该土石料动弹性模量的倒数l／％与动应变s。之间的曲线可用直线拟合，给出了如下最大动弹性模量、动弹性模量和阻尼比的估算公式，并建议了相关试验参数的取值。易。。：《p口l旦I(1-17)＼pn／耻叫引志㈤㈨拈k焉n-19)乃2赤m20)死2高予7(1．21) 硕士学位论文1绪论式中，P。为大气压，毛、群、k；和F／为试验参数，瓦、死为归一化动应变。Rodriguez．Roa和Paland[491采用循环动三轴试验对智利某地区粗粒冲积土层的动力参数特性进行试验。研究表明，动应变幅值是影响粗粒冲积土层动剪切模量最主要的因素，除此以外对其影响最大的是围压和压实度，其次是颗粒大小分布，最后是动应力的循环周数。孔宪京等150J运用了室内高精度大型三轴仪对多种堆石料进行动力试验，主要研究堆石料动剪切模量与阻尼比变化规律等动力特性。通过分析试验数据，提出了多种堆石料最大动剪切模量的估算公式，将估算公式计算得到的国内外8座堆石坝堆石料最大动剪切模量值与其现场弹性波试验结果作比较，发现两者结果相近，验证了该公式的合理性；建议了与动剪应变幅相关的最大动剪切模量、归一化动剪切模量、阻尼比取值范围。张耕51J采用动三轴仪对水牛家心墙防渗料和坝基细砂砾料开展了动力特性试验，主要考察了动应变水平、固结压力、固结主应力比或初始剪应力，及加荷频率等因素对动模量阻尼比的影响。研究表明，动应变水平是影响动模量和阻尼比最主要的因素，使其成倍增减；动模量随固结压力的增大而增大，阻尼比随围压的升高而略有减小；动模量和阻尼比随固结应力比的增大而增大，当固结应力比从1．0增大到2．0，心墙土料的动弹性模量增加60％左右；心墙土料的动模量和阻尼比随振动频率增加而增大，振动频率越低，试样动变形开展越充分。王汝恒等152】通过动三轴仪对取自成都某建设场地的砂卵石土的动力特性进行试验。研究表明：当剪应变较小时，砂石土的动弹性模量随围压的增大而增加，随动应变逐步衰减：阻尼比随围压的增大而减小，且影响十分明显，随动应变的增大而增大。王皆伟岭圳采用GDS动三轴仪对砂卵石的动力特性进行试验研究，分析了动强度、动弹性模量和阻尼比的影响因素。研究认为，随动应变的增大，动弹性模量非线性衰减，阻尼比逐步增大：且随着围压、固结应力比的增大，弹性模量逐步增大，阻尼比逐步减小；随着频率的增大，阻尼比减小，而对动弹性模量的影响不大。文章指出符合一定的试验条件下，最大动弹性模量和最大阻尼比可用于实际工程。凌华等【54J采用大型静动三轴仪进行了坝料的动力特性试验，试样尺寸为①300×700ram，试验围压为500kPa，1000kPa，1500kPa和2000kPa共4级，固结主应力比疋为1．0，1．5和2．5，研究了在不同围压、固结主应力比试验条件下，最大动弹性模量、动弹性模量衰减规律和阻尼比等动力特性变化规律。通过试验得到，围压和固结应力比越大，其他条件一定时，最大动弹性模量随着增大；动弹性模量随动应变的增大逐渐衰减；固结应力比对最大阻尼比的影响较小，随 硕士学位论文1绪论固结应力比提高稍有降低。通过对沈珠江动力变形特性模型进行改进，给出了考虑固结应力比影响的归一化最大动弹性模量公式(1．22)和动弹性模量衰减的修正公式(1-23)。作者最后结合其它工程试验成果，就尺寸效应对动力变形特性的影响进行了探讨，并总结出室内试验和工程现场试验测定的最大动弹性模量比有差别，前者比后者测定的要小，而最大阻尼比前者测定的要大。日。。=kip。(≮仃3／p。广(1-22)旦：土(1-23)12321：。二：(岛。。【l+七忍)瓦2瓦丽'gd，(1-24)K／p16d一(。cr3。一n公式中，P。为大气压，k：和／'／为待定参数，群为常数，瓦为归一化动应变。朱晟等‘551运用室内大型动三轴仪对花岗石堆石料、花岗石过渡料和砂砾料三种粗粒料开展动力特性试验。试验得出，粗粒料试样在复杂的高应力条件下由于振动体积缩小而变得更为密实，试验结果和Hardin．Dmevich双曲线模型计算拟合结果相比存在明显的差异，说明Hardin双曲线不能较好地反映粗粒料动应力．应变关系、阻尼特性；基于试验资料，提出了粗粒料幂函数型动应力-应变关系式(1-25)、等效动剪切模量公式(1-26)以及阻尼比估算公式(1-27)，能较好地反映试验过程中材料振动硬化特性。元=旦务(1-25)0+k％一：死)一吒2丽adma．”(I-26)k=k。(·一面彘万]㈨27，驴裔“。28’L只，J式中，P。为大气压，仃|：，为平均有效主应力，毛、砭、也和”为试验参数，死为归一化动应变。董威信等【56】采用自行研制的大型多功能静动三轴试验机，对某堆石坝主堆石料、过渡料和垫层料三种坝料开展了动弹性模量、阻尼比和动残余变形等动力特性试验，探讨了在循环动荷载作用下，围压、固结应力比等影响因素对三种坝9 硕士学位论文1绪论料的动应力．应变特性和动残余变形特性的影响规律。试验表明，堆石料的动力参数特性与动应变水平密切相关，随动应变的不断发展，其动弹性模量逐步发生衰减，而相应阻尼比增大；动弹性模量随围压的增大而增加，但增长有限；最大动弹性模量随固结应力比的增加而增大。此外，作者修正了黏弹性动本构模型和残余变形经验公式，并根据试验结果总结出三种坝料的模型参数。相关的黏弹性动本构模型公式如下：Gdmax-=∽引㈨29)上L：—L(1．30)一=一t_一q。。l+尼l死』：鱼匕(1．31)～=一‘_-JA。。1+kl死沪商q。32’式中，P。为大气压，仃，为有效球应力，k。和k：为模型待定参数，死为归一化动应变。1．2．4其他类土的研究成果丰万玲[571采用共振柱试验机和双向电磁振动三轴仪对煤灰土的动力特性进行试验研究，分析了动模量、阻尼比和振动液化的变化规律及影响因素。试验得出，煤灰土的动模量随动应变非线性减小，动应力．应变之间满足双曲线关系。与砂性土和粘性土的动剪切模量和阻尼特性相比较，煤灰土界于两种之间，更偏向于砂性土。煤灰土阻尼特性最关键的影响因素是剪应变和周压，围压越大阻尼比越小，而含水量几乎不影响煤灰土的阻尼比。密度对细煤灰土阻尼特性的影响较小，而对煤灰土的影响稍大。低密度的细煤灰土的抗液化强度很低，固结比对其影响也不明显。俞培基等f58】采用振动三轴仪研究了粉煤灰动剪切模量及其影响因素。试验表明，粉煤灰的孔隙比对最大动剪切模量的影响程度大于相对密度。在一定的试验条件下，粉煤灰最大动剪切模量因孔隙比的不同可能相差数倍，可见孔隙比对粉煤灰最大动剪切模量影响十分大。徐学燕掣591采用美国MTS．100循环动三轴对选自青藏高原多年冻土带腹地的粉质粘土进行了动力特性试验。分析实验资料得出，冻土的动模量随温度的降低而增大，随振动频率的增加而增大，比较冻土的负温和振动频率对动模量的影10 硕士学位论文1绪论响程度，发现负温的影响更大。阻尼比随温度的降低、振动频率增加而减小，而负温是冻土阻尼比的最主要影响因素。但作者上述结论有一定实用范围，还应进一步开展对高围压下冻土的动力特性的系统研究。周健等【60】利用动三轴仪对城市垃圾土进行动力特性研究，在振动频率为1Hz条件下模拟交通荷载和地震荷载情况，重点讨论了振动周次对动弹性模量的影响，分析了城市垃圾土在两种不同荷载作用下动模量和振动残余应变试验结果，并提出了相关计算公式。研究结果表明，当振次不到50周时，随振次的增加动弹性模量逐渐减小；而当振次超过50周时，随振次的增加动弹性模量稍有增大。总的来说，振次对动弹性模量的影响十分有限，无论振次怎样变化，动弹性模量增大或减小的幅度不十分明显。梁旭等【6l】通过改装的动三轴仪研究了水泥土复合试样的动力特性，讨论了水泥掺入比、围压等因素对动弹性模量和阻尼比变化规律的影响，同时与纯粘土试样进行对比。通过回归分析，提出了水泥土复合土样动弹性模量和阻尼比的经验公式。研究还表明，水泥土复合试样的动力性能较纯粘土有了很大程度的提高，其最大动弹性模量比后者更高，而阻尼比减小。动应变是影响动力特性参数的主要因素，动弹性模量随动应变增大而衰减，阻尼比则增大。当动应变水平相同时，动弹性模量随着围压的增大而增加，而阻尼比则减小。作者给出复合土样最大动弹模量计算公式如下：日。。=玩d。。+△瓦d。。(1·33)其中瓦。一为纯粘土最大动弹性模量，皈。一为动弹性模量的增量，与围压和掺人比有关。施烨辉等【62】利用振动三轴试验对取自青藏北麓河的粉质粘土的动力特性开展试验研究，分析了围压、振动频率和温度等因素对冻土体动弹性模量和阻尼比的影响。试验结果得出：在动荷载作用下，冻土体的动弹性模量随温度升高而降低，且降低的幅度较大，随围压变化起伏不定，规律不明显，随振动频率增大而增大，其中温度对动弹性模量的影响最为显著；冻土体的阻尼比随温度的减小或频率的增大而降低。齐剑峰等f63】在不固结不排水条件下对饱和黏土进行循环扭剪和竖向一扭转耦合试验，研究了加载方式和循环应力耦合在大应变情况下对动剪切模量与阻尼比的影响。试验得出：采用多个试样单级加载获得的动剪切模量与阻尼比与一个试样分级加载获得的基本一致，说明一个试样分级加载对试验结果影响很小，是完全可行的；在耦合循环应力中，轴向偏差应力对两种影响较大，当剪应力较小时，轴向偏差应力是影响动剪切模量变化最主要的因素。黎冰等【641采用室内动三轴试验对黏土与EPS颗粒混合轻质土(LCES)进行 硕士学位论文1绪论试验，重点研究了O．02Hz，’0．1Hz，1．0Hz3种振动频率对其动力特性的影响。试验结果表明，振动频率对LCES的动力特性影响明显，随着振动频率在0．02～1．0Hz范围内的增大，试样的轴向阻尼比和动应变减小，而动模量和动强度增大。作者从平均概念的角度出发，分析了加载速率对土动力特性的影响，得出如下结论：加载速率随振动频率的增加而增大，限制了应变和孔压的发展，使得土体的有效应力增大，最终动模量和动强度也增大。王志杰等[65】对取白兰州、洛川、杨凌地区原状黄土进行动扭剪三轴试验，分析了含水率与应力状态对三个地区黄土的动剪切模量与阻尼比的影响。试验得出其动剪切模量随动剪应变的增加而逐渐衰减，且衰减的幅度越来越小；其他试验条件一定时，动剪切模量随含水率降低而增大，随固结应力增大而增大，其最大动剪切模量在地理空间分布上从西北向东南方向增大，此三个地区原状黄土的阻尼比大致随动剪应变的增大呈现上升趋势。1．2．5小结总的来说，对动模量、阻尼比特性及其影响因素和发展规律，众多学者对不同土类开展了大量的研究，本文不再一一列举。而当前的研究中，由于粗粒土颗粒尺寸较大，无法利用常规振动三轴仪进行试验，以致粗粒土动力特性资料较缺乏，不少人简单套用国外的计算式，带有一定的盲从性。鉴于各类建、构筑物动力反应分析的重要性，有必要针对粗粒土动力参数特性及规律开展进一步研究，尝试总结粗粒土动力特性参数的统计表达式，为各类建、构筑物抗震设计、动力分析提供参考依据。1．3土的动力特性参数试验方法认识一种介质的本质特性最根本的方法是对它进行全面的试验测试。对土来说，试验测试是土力学发展的基础。土在动荷载作用下的试验要求根据拟好的试验方案，先制备好满足试验要求的密度、湿度、结构和静应力状态的土的试样；然后对土样施加一定形式的动荷载，量测出土样上实际作用的动应力时程曲线、对应的动应变时程曲线和动孔压时程曲线；最后，通过分析这三种时程曲线来研究土动力特征规律。通常确定土的动力参数的测试方法分为现场试验和室内试验。1．3．1现场试验研究现场测试技术在研究土动力特征规律和土体动力稳定性问题中发挥着重要的作用，是一种常用的岩土体动力参数方法。在地基和建筑物的地震响应分析中， 硕+学位论文1绪论必须先掌握地基动力参数。受到试验技术水平的限制，对于松散程度较高的土类，如砂土、软弱土层、粗粒土以及完整性较差的岩土，室内试验过程中原状土的取样十分困难，会不同程度的对土体结构产生扰动，对土体的结构构造产生影响，土体中应力应变被释放，进而影响到土体原本的动力特性，因此对于这些类原状土的研究，室内试验方法并不是最好的选择。实践证明，现场测试方法效率高、操作方便、成本低，在一定程度上能够弥补室内试验取原状土的缺陷，成为测定岩土体动力参数不可或缺的方式。现场试验方法主要有现场波速试验与现场波动试验两种。(1)现场波速试验现场波速试验是一种最为常见的现场试验方法，它的原理很简单，根据测得的振源与接收器之间的距离和s波(剪切波)或P波(压缩波)到达接受点所经过的时间计算出波速以或％，然后求出动模量，即：q=K2|D(1-34)日=％2P(1—35)式中，JD为土的质量密度。按其激振和接收方式的不同，现场波速试验可分为表面振波法(直达波法和反射波法)、钻孔检波法(上孔法和下孔法)和跨孔法(双孔法和多孔法)三种测试方法，如图1．1所示。由于前两种方法受到测试深度和资料精度的限制，目前跨孔法较为常用。上孔法77’’’7’’7’’7’7’’‘；振；；源；；孔：散振{|1、、＼＼＼＼；陵受；t∥j卜务下孔法跨孔法图1．1现场波速试验方法(2)现场波动试验现场波动试验是将设置在现场的激振器作为振源，从振源开始布置几条测线，在测线上再以不同距离设置一系列测点，记录出各测点上的振动波形，由此测定剪切波波速和波在土中的衰减系数。当弹性半空间表面上的基础发生竖向振动时，将在地基中产生S波(剪切 硕士学位论文l绪论波)、P波(压缩波)和R波(瑞利波)，而大部分能量以R波形式传播，从而可在表面上定出R波的波速，即：％=fL只(1-36)式中，．厂为R波的频率，￡。为R波的波长，可以用沿测线移动检波器观察波形的方法得到。·当弹性半空间表面上的基础受到冲击振源时，则将在地基附近设置的两个拾振器接受到的多种频率成分的面波信号由时域变到频域进行谱分析，可以获得各自相位角驴与频率．厂的关系曲线，进而可以得到相速度u，与波长三。，从而作出弥散曲线(D，一LR曲线)。利用它作反向分析，即假定相速度随深度变化，绘出理论上的弥散曲线，对比试验结果，如果相符，则以此变化规律作为真正速度沿深度的变化规律，此方法称为面波普分析法。表1．1对各种原位测试技术的优缺点进行了比较。表1．1原位试验方法比较1．3．2室内试验研究室内土工试验已成为土力学发展中不可或缺的部分，起到了十分重要的作用。实践证明，随着试验技术和试验仪器的发展，土力学不断取得了大量的理论成果，土力学知识日渐完善。土的形成过程、物质成分以及工程特性是十分复杂的，并且在不同的受力状态、应力历史、加载速率和排水条件下而变的更加复杂。所以，对各类项目进行计算分析时采用固定的力学参数值显然不合理，为了充分了解和掌握土的各种物理和力学性质，必须对工程项目所在场地土体进行室内试14 硕十学位论文1绪论验。相比现场原位测试技术，它能够有效地控制和精确地量测土的应力、应变、孔隙水压力、排水情况、频率、波形等参数，严格的控制好试验条件，从而可以对土性、荷载和有关指标的变化规律作出定性和定量的判断，且多种试验方法不断可以测得动强度、动变形、动孔压、动模量和阻尼比等土的动力特性规律，还可以不受应变范围的限制进行动力试验。室内动力试验主要有动三轴试验、共振柱试验、超声波脉冲试验、振动剪切试验、振动扭剪试验、振动台试验和离心模型试验等土工试验。图1．2描述了各种土工试验适宜的应变范围，表1．2说明了各种土工试验能获得的动力参数。超声波脉冲强烈地震地震剪应变(Y)％图1．2各种室内动力试验适用的应变范围表1．2各种室内动力试验测定的土动力特性参数嘲lO(1)动三轴试验早在1934年，美国学者Renudh首次通过三轴仪测定土的强度参数以来，试验的测试技术经过迄今近80年的发展，不管是研究土的静力特性还是动力特性，三轴试验已成为主要室内土工试验方法，也是研究土本构关系的主要手段。三轴试验通过对密闭压力室中的试样施加轴向和径向循环荷载来模拟实际土层的受力状况，按试验的目的不同，可分为动强度和动模量动三轴试验。而动三轴试验是由静三轴试验发展而来的，通过施加在试样的轴向和径向上模拟的循环动 荷载，记录试验过程的动应力时程、动孔压时程和动应变时程，通过分析整理，可以得出土的动力特性，主要包括动本构关系，动模量、阻尼比、动强度、动应力与孔隙压力的关系等。通过研究这几个指标的相对关系，进而分析岩土体的动力特性规律，以及试样在模拟动荷载作用下所表现的性状。动三轴试验具有能方便施加各种应力、能控制试样排水条件、能较精确的控制试样的应力和应变以及能测量孔隙水压力等优点，经过试验研究人员的不段改进，三轴试验不管是精度还是试样尺寸都能很好的满足工程实际要求，目前己成为室内土工试验中应用最广泛的仪器。(2)共振柱试验不同的仪器有不同的应变范围和不同的测量结果，不同的仪器它们的主要特点在于制备试样方式、施加动荷载方式和数据分析方法不同。共振柱试验是在一定的湿度、密度和应力条件下的土柱(空心或实心)上，施加轴向振动力或扭转振动力，振动力在试样内传播，并通过不断调节振动频率使得试验系统产生共振，测得此时的频率，根据测得的频率和试样的几何尺寸和端部限制条件，计算出土样内波传播的速度，最后得到动弹模量或动剪模量，动弹模量由纵向振动测定，动剪模量由扭转振动测定；当共振柱试验的试样处于稳态强迫振动时，关闭动力，记录土柱振动衰减的曲线，由此算出阻尼比。对于共振柱试验，空心试样的试验其应力、应变较为均匀，但只能进行挠动土试验，制样较困难、费工。而实心试样制作方便、简单，适合于原状土和挠动土样，因此实心样在大多试验中被采用。共振柱试验属于一种无损试验技术，比起其他试验方法具有很多优势，比如试验的可逆性和重复性，试验结果离散性较小，可信度十分高，试验易操作，方法简单明了，适用范围广，因而成为土动力特性测试十分重要的实验手段。由于共振柱试验适用于土在较小动应变范围(应变小于10-4)内的测试，而动三轴试验适用于较大的动应变范围(应变大于10。4)内的测试，因此，共振柱试验和动三轴试验相配合可以在实用的应变范围内研究土的动力特性。(3)动单剪试验动单剪试验是通过对圆形或矩形试样施加动剪应力或动剪应变，直接测定出试样小应变时动剪切模量和阻尼比。继续加载，动剪应变增大，直到试样破坏，即可得到动强度和抗液化强度。由于试验需在不排水条件下进行，需保证试样侧壁不漏水且变形均匀。矩形试样的刚性侧壁能保障侧向变形均匀，但试样安装困难，侧壁难以防漏，因此一般不采用矩形试样的动单剪仪。而圆形试样能较好的防漏，又能限制其侧向变形，被广泛采用。动单剪仪能较好地模拟现场土层承受强震的情况，设备较简单，操作容易，但侧壁易形成应力集中，变形不均匀，且在地震荷载作用下不排水条件难以实现，目前较多用它于来测量土的动强度。16 硕士学位论文l绪论(4)动扭剪试验’动扭剪式单剪仪通过在试样的表面施加扭矩来实现动剪应力的加载，被公认为研究土动力特性较完善的试验仪器，但采用该仪器作研究的单位很少，未被广泛采用。试样形式分为中空环状和中空圆柱状两种，能控制好试样内外的侧压力，使动剪应力在试样内部均匀分布，达到均匀剪应力条件。动扭剪式单剪仪可较真实地模拟现场土样天然应力状态，是采用应力应变法测定土动力指标较为理想的仪器。然而该仪器结构复杂，操作困难，试样制作费时问、难度大，只适用于挠动土，土体中非线性应力应变分布特征还不十分明了，试验技术和数据处理方法还需要不断的研究和改进。(5)其他试验为获得更加真实的试验结果，大型动力试验仪器得N-T快速的发展和应用，比如用于研究土的液化性状的大型振动台试验。通过安置在振动台上的砂箱，来模拟不同应力状态的土体，从而获得大量直观且全面的研究资料。但这种大型动力试验尺寸较大，操作难度十分高，试验成本昂贵，难以让试样饱和，施加侧限压力难度较大。另外，试验产生的应变很小，难以保证变形值的精准性。与此同时，为更好地模拟土体的天然状态，离心模型试验也开始被很多学者引入来对土体的动力力学性质进行测定。离心模型试验是将原土体尺寸按一定的几何比例缩小，并按相似条件选定材料，是一种研究土动力特性大型的试验。1．3．3小结相比现场试验，室内试验能够严格的控制好试验条件，从而可以对土性、荷载和有关指标的变化规律作出定性和定量的判断，且可以测得动强度、动变形、动孔压、动模量和阻尼比等土的动力特性规律。而由于粗粒土的颗粒粒径较大，本文选择大型动三轴试验仪作为研究粗粒土动力特性的试验设备。1．4本文研究的内容在地震等动荷载的作用下，为分析土工构筑物的动力特性，土的动模量和阻尼比的重要影响己经成为公认的事实。不管是国外还是国内描述有关粗粒土动模量和阻尼比等动力特性方面的资料比较缺乏。因此，为找到符合客观实际情况的合理的土动力学参数，寻求粗颗粒土动应力．动应变关系等动力特性规律，必须对粗粒土开展试验研究。本文主要研究内容有：(1)．分析比较土的动力特性参数试验方法，找出典型粗粒土的动弹性模量与阻尼比的试验方法。 硕士学位论文1绪论(2)针对粗粒土填料动力参数特性问题，进行大型动静三轴试验，分析粗粒土动应力、动应变时程曲线，对比不同围压、振动周次的动应力．动应变滞回圈，讨论滞回圈之间的差异对动弹性模量和阻尼比的影响规律。(3)利用大型动静三轴试验对粗粒土的动本构关系、动弹性模量及阻尼比特性展开试验研究，探讨围压、频率以及振动周次对粗粒土动弹性模量及阻尼比的影响，得出动弹性模量和阻尼比与动应变的关系发展曲线，求出不同试验条件下最大动弹性模量和最大阻尼比，给出粗粒土动本构双曲线模型参数、动弹性模量退化公式、衰减模型、阻尼比经验公式及相应的拟合参数。 硕二}二学位论文2试验设备及实验方案2试验设备及试验方案2．1试验设备利用动三轴试验开展土的动强度试验，动模量、阻尼比试验，蠕变试验等多种目的的试验，且其试验原理及操作过程较为简单，试验结果也能较好的满足试验要求，因而其应用越来越广泛。而目前对粗粒土的研究多用于缩尺模型虽对峰值强度无甚影响，但对试样的轴向应变、体应变及动模量影响较大。因此，本文采用高速铁路建造技术国家工程实验室TAJ．2000大型动静三轴试验仪(如图2．1)，进行粗粒土的动弹性模量和阻尼比特性研究，避开缩尺带来的影响，从而得到更接近于实际情况的粗粒土动力特性规律。图2．1大型动静三轴试验仪外观图2．1．1大型动静三轴仪的组成TAJ一2000大型动静三轴试验仪主要由主机、油压系统、电控系统三大部分组成。其构造简图和工作原理分别如图2．2、图2．3所示。 硕士学位论文2试验设备及实验方案F}蠢；i量妻垂萝l5．虮絮～■吐卫=[堙5陉黜琏／-凸‘．负荷传意暑—／煎聿I，7．三糟压力室’x3．导孰6．，。唪k：，．反压菠压缸——／2]I一l0．．瓦匿永缸7{l．8渖赴√一’。／厂1nr9／10／d占土上／j凹巴图2．2大型动静三轴仪构造简图(1)主机主机由机架，轴向激振器，侧压液压缸，侧压水缸，串联水缸，三轴压力室，负荷传感器，导轨，反压液压缸，反压水缸等组成。机架由升降机构，底座，4根立柱，上横梁构成。位于上横梁上的轴向激振器，由串联油缸，电液伺服阀，蓄能器，位移传感器等组成。油缸内采用组合密封，非金属喷涂支承，磨擦立力小，活塞杆支承长，可承受较大的侧向力。侧压液压缸及反压液压缸安装在机架工作台的后方，它由液压缸、电液伺服阀、位移传感器，串联一个柱塞水缸组成。三轴压力室是承放试样的压力容器，它由加荷活塞、室筒、负荷传感器、压力室盖、支架、底盘、密封圈、压力传感器等组成。(2)油压源系统油压源由油箱，电动机，齿轮泵，阀组等组成，在阀组上装有皮囊式蓄能器，其内充氮气，充气气压为IOMPa。用于向轴向油缸和使加载装置中的加载活塞返回。(3)电控系统电控系统主要由计算机、控制器、传感元件等组成。试验通过计算机发出指令，经控制器控制轴向和侧向加载系统施加轴向力和围压，然后经过传感元件进行反馈，从而得到应力应变曲线、体变曲线、孔压曲线和液化试验中各物理量的时间历程曲线。 硕士学位论文2试验设备及实验方案图2．3人型动静三轴仪工作原理图2．1．2大型动静三轴仪的主要特征1主要性能(1)试件尺寸：巾300mm×600mm(2)静载荷：竖向，2000kN环向围压，10MPa(3)动载荷：竖向，±1000kN环向围压，O～3MPa(4)振动频率：f=0．01Hz～20Hz(5)荷载形式：正弦波，三角波，方波和随机波(6)最大孔隙压：10MPa(7)控制系统：加载模式可采用位移控制，应力控制，应变控制，在试验过程中三轴控制方式可以相互切换，轴向与径向加载可同步和相位控制。(8)竖向力传感器：量程2000KN，压力传感器分0～500，0'---1000，0,-一2000KN三档，精度1％。(9)围压力传感器：量程10MPa，压力传感器分0～2．5，0～5，0～10MPa三档，精度1％。(10)孔压力传感器：量程10MPa，压力传感器分0～2．5，0～5，0"-"10MPa三档，精度l％。(11)竖向变形传感器：a，量程50mm，精度0．5％。b，量程300mm，精度0．5％。 硕士学位论文2试验设备及实验方案(12)体积变形量测：0～10000mL，精度±1％。2主要功能TAJ一2000大型动静三轴试验仪是研究土石、材料在静力及单向、多向动力作用下测量其物理性质的专用仪器。其主要功能如下：(1)能对试件施加轴向与环向三维静动力载荷。(2)具有在初始拉和压应力条件时对试件施加三维静动载荷能力。(3)能对试件进行水饱和过程处理。(4)能对试件孔隙压力和固结排水量进行控制和量测。(5)试验过程中，加载模式可采用位移控制，应力控制及过程中的相互切换。(6)具有量测试件体变功能。(7)计算机采集控制系统具有：试验方式(静或动，单轴或多轴)，控制方法(应力控制，应变控制或应变速率控制)，动荷载波形，振动频率，出力的幅值等屏幕提示操作。具有采集静动力实验数据(动应力、动应变、动孔压等时程曲线)，时变图形的实时数据处理能力。2．1．3仪器注意事项(1)室内空气相对湿度不超过85％。(2)电源电压波动不超过额定电压的±10％。(3)在无振动无强电磁场和远离噪声的环境中。(4)试验时油箱的油温不得超过55℃。(5)油泵不得满载起动与停止，否则容易降低泵的使用寿命。(6)油源运行中或试验中，当液压油的压力未降为零之前，不能关闭主控制器防止液压缸失控产生冲击。(7)真空罐排水应在停真空泵的情况下进行，否则水倒罐进真空泵。(8)不允许未开控制器及程序前开油源。(9)压力室上升到一定位置后，轴向液压缸活塞下降再连接螺栓，防止损坏传动链条。(10)控制器先开后关(开控制器一打开程序一开油源一工作结束一关油源一关程序一关控制器)。 硕士学位论文2试验设备及实验方案2．2试验土样2．2．1土样来源试验土样选自湖南省长沙市南郊公园附近。土样呈棕黄色，土颗粒较散，肉眼看出土颗粒粒径有较大悬殊，均匀性不好，粒径最大达到近60mm，大颗粒形状近似立方体，少数颗粒的棱角明显，可初步断定为砂类土，如图2．4所示。通过掺入一定比例的碎石，得到试验所用的土石混合料。碎石取自长沙望城县北山镇采石场，碎石粒径集中在5"---'40mm范围内，颗粒较均匀，呈青灰色和灰褐色，砂岩质地坚硬，未风化，颗粒棱角十分明显，不含土粒或有机物等杂质。碎石外观见图2．5。(a)整体外观图2．4土样外观(b)局部放大2．2．2筛分试验图2．5碎石外观根据水利部《土工试验规程》(SL237-1999)(以下简称《土工试验规程》)规定，对于粒径大于0．075mm的土粒可用筛分法，所需的仪器设备如下：(1)圆孔粗筛直径为60mm、40ram、20mm、lOmm、5mm、2mm。圆孔细筛直径为lmm、．5mm、0．25mm、0．1mm、0．075ram。 硕士学位论文2试验设备及实验方案(2)称量分别为50009，10009和2009的天平。(3)振筛机、烘箱、量筒、毛刷、漏斗等由于颗粒的最大粒径接近于60mm，那么所取土样的质量应达到40009以上。严格按照试验规程进行筛分试验，如图2．6所示。由筛分试验得到的级配曲线、粒径级配分别见图2．7和表2．1。图2．6土样筛分试验弋Ij≮iij＼S＼0．10土粒粒径图2．7土样级配曲线表2．1土样粒径级配24一。j，，一：一一．～：，，一j。一，，。，||，，，一；；¨j，一一；，．一。i；、一∞鲫加∞：；；帅∞m=宙钲翼-r}_星挺婆球牛÷ 硕士学位论文2试验设备及实验方案粗粒土的分类和命名见我国《土工试验规程》(SD．128．84)的表2．2。根据筛分试验结果可以得出，判断试验土样为微含粉质土砾。表2．2粗粒土的分类和命名注：a粗粒土最大粒径为60ram：b砾指d=-2mm～Bmm颗粒：c砂指d=-O．05mm～2mm颗粒；d粗粒指出O．1nun～60nun颗粒：e细粒指d
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