水利工程論文-不同應(yīng)力條件下砂土動模量特性的試驗對比研究.doc

水利工程論文-不同應(yīng)力條件下砂土動模量特性的試驗對比研究摘要：利用新研制的三軸扭剪多功能剪切儀分別進(jìn)行了豎向與扭轉(zhuǎn)雙向耦合剪切振動、振動三軸和振動扭剪等3種試驗，采用內(nèi)置于三軸室的軸力及扭矩雙出力傳感器和非接觸式微小位移傳感器測量荷載與位移，著重研究了均等固結(jié)條件下福建標(biāo)準(zhǔn)砂的動模量特性。試驗結(jié)果表明：動力雙向耦合試驗在扭轉(zhuǎn)方向和豎向的動模量與應(yīng)變之間的變化規(guī)律分別與相同條件下的動扭剪、動三軸試驗結(jié)果一致；歸一化動模量與按照參考應(yīng)變歸一化后的應(yīng)變比之間的關(guān)系不再依賴于初始固結(jié)壓力、密度及應(yīng)力路徑；動三軸試驗與動扭剪試驗所得到的最大動剪切模量與初始固結(jié)應(yīng)力之間的關(guān)系基本一致，與此相比，由動力耦合試驗中扭轉(zhuǎn)向振動分量所得到的結(jié)果偏高，由動力耦合試驗中豎向振動分量所得到的結(jié)果又稍低。關(guān)鍵詞：動力土工試驗動模量復(fù)雜應(yīng)力條件土的動模量是土動力學(xué)計算與分析的基本參數(shù)，一般采用共振柱儀、動扭剪儀或動三軸儀試驗測定。由于試驗設(shè)備的限制，對于在波浪荷載下所產(chǎn)生的軸向與扭轉(zhuǎn)雙向耦合剪切振動14，特別是在主應(yīng)力軸連續(xù)旋轉(zhuǎn)等復(fù)雜應(yīng)力條件下，砂土在微幅應(yīng)變條件下的變形特性及動力參數(shù)特別是復(fù)雜應(yīng)力條件下與簡單應(yīng)力條件下砂土動模量特性之間的相互關(guān)系尚缺乏系統(tǒng)性的研究。本文利用最新研制的土工靜力動力液壓三軸扭剪多功能剪切儀分別進(jìn)行了軸向拉壓-扭轉(zhuǎn)剪切雙向耦合振動試驗與普通動三軸試驗、常規(guī)動扭剪試驗等3種試驗，采用內(nèi)置于三軸室的軸力及扭矩雙出力傳感器和非接觸式微小位移傳感器測量荷載與位移，針對福建標(biāo)準(zhǔn)砂，著重在均等固結(jié)應(yīng)力狀態(tài)、3種不同循環(huán)應(yīng)力條件下對動模量特性進(jìn)行了試驗研究。對不同初始固結(jié)應(yīng)力和不同相對密度條件下的試驗結(jié)果進(jìn)行了對比研究，探討了不同應(yīng)力條件下所得到的動模量及其隨應(yīng)變的變化規(guī)律之間的相互關(guān)系。1試驗設(shè)備與試驗方法在大連理工大學(xué)“211工程”“海岸和近海工程”重點學(xué)科建設(shè)計劃的支持下，由大連理工大學(xué)與日本誠研舍株式會社聯(lián)合設(shè)計和研制，并由誠研舍制造的土工靜力動力液壓三軸扭剪多功能剪切儀5，既可進(jìn)行普通的靜力或動力三軸剪切試驗和扭剪試驗，也可完成獨立控制豎向荷載和扭矩大小速率及其相位的靜、動力軸向-扭轉(zhuǎn)振動雙向耦合剪切試驗?？刂品绞桨☉?yīng)力控制與應(yīng)變控制。固結(jié)條件包括均壓固結(jié)、偏壓固結(jié)、K0固結(jié)及內(nèi)外室壓力不等的復(fù)雜固結(jié)應(yīng)力組合。圖1土工多功能剪切儀主要構(gòu)成示意整個試驗系統(tǒng)由液壓加荷系統(tǒng)(液壓作動器和液壓源)、主機(jī)系統(tǒng)、氣-水轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(含空壓機(jī)與真空泵)、模擬控制系統(tǒng)及計算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)、數(shù)字記錄系統(tǒng)等五部分組成，如圖1所示。配備的傳感器共有11個，分別用于測量豎向荷載、扭矩、豎向大幅值位移、豎向微幅位移、轉(zhuǎn)角位移、微幅轉(zhuǎn)角位移、內(nèi)側(cè)壓力、外側(cè)壓力、試樣體變、空心試樣內(nèi)腔體變、K0固結(jié)時試樣外部體變等12項參數(shù)。其中在空心圓柱試樣的雙向耦合剪切試驗中采用了雙出力傳感器，可同時測得軸向力與扭轉(zhuǎn)力矩，并與豎向微幅位移傳感器、微幅與大幅值兩種角位移傳感器一起置于三軸壓力室之內(nèi)。該設(shè)備配置有兩套變形測試系統(tǒng)，一套為非接觸式位移/轉(zhuǎn)角傳感器，最大量程分別為1.5mm、1.0，主要用于測量微小豎向位移與角位移；另一套為接觸式位移、轉(zhuǎn)角傳感器，最大量程分別為50mm、40，主要用于測量大位移和大轉(zhuǎn)角。本文主要是采用非接觸式位移傳感器進(jìn)行試驗研究探討較小應(yīng)變幅值條件下砂土的動力變形特性及相應(yīng)動力變形參數(shù)。雙向耦合試驗與扭剪試驗均采用空心圓柱狀試樣，試樣外徑與內(nèi)徑分別為100mm、60mm，高度為150mm；三軸試驗采用實心圓柱狀試樣，試樣直徑為100mm，高度為200mm。經(jīng)測定，試驗中所采用的福建標(biāo)準(zhǔn)砂具有下列物理指標(biāo)：顆粒比重為Gs=2.643；最大與最小干密度分別為dmax=1.74g/cm3，dmin=1.43g/cm3；最大與最小孔隙比分別為emax=0.848，emin=0.519；粒徑組成特性參數(shù)為：d50=0.34mm，Cu=1.542，Cc=1.104。一般情況下試樣的相對緊密度控制為30%，初始均等固結(jié)壓力分別采用100、200、300kPa3種，此外為考慮試樣初始密度的影響，還針對相對緊密度為60%、圍壓為100kPa情況進(jìn)行了對比試驗。采用分層干裝方法制備砂樣，并聯(lián)合采用通加CO2、水頭與施加反壓等方法保證試樣的飽和度達(dá)到95%以上。針對相同的試驗條件，分別進(jìn)行了普通循環(huán)三軸試驗、常規(guī)循環(huán)扭剪試驗和三軸-扭轉(zhuǎn)循環(huán)耦合剪切試驗。在循環(huán)剪切試驗中采用應(yīng)力控制方式施加循環(huán)荷載，循環(huán)軸向應(yīng)力z和循環(huán)剪應(yīng)力t均采用周期簡諧循環(huán)荷載，在耦合試驗中兩者的相位差控制為90，且循環(huán)軸向應(yīng)力幅值之半z/2與循環(huán)扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力幅值t保持相等，從而保證耦合試驗中的應(yīng)力路徑為圓形，以模擬波浪荷載在海床中所形成的主應(yīng)力軸連續(xù)旋轉(zhuǎn)的應(yīng)力條件。循環(huán)荷載的振動頻率均采用0.1Hz，分段施加一定循環(huán)次數(shù)、一定幅值的循環(huán)荷載，在不排水條件下逐級地同時或分別增加軸向應(yīng)力與扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力的幅值，每級荷載進(jìn)行10次循環(huán)，直至試樣破壞。2試驗結(jié)果及其分析2.1動模量特性以循環(huán)應(yīng)力條件下軸向應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的滯回曲線為基礎(chǔ)確定不同應(yīng)變水平下的動彈性模量E，從而可以得到動彈性模量E隨軸向應(yīng)變幅值的變化規(guī)律，動三軸試驗與動力耦合試驗中豎向分量的試驗結(jié)果如圖2所示，圖中還顯示了初始固結(jié)壓力及土樣密度對動彈性模量的影響。由此可見動彈性模量E隨軸向應(yīng)變幅值的變化規(guī)律依賴于初始固結(jié)壓力和密度；同等條件下，由動力耦合試驗的豎向應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系所獲得的動彈性模量在數(shù)值上比動三軸試驗所獲得的彈性模量稍低一些。同樣地，以循環(huán)應(yīng)力條件下剪切應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系滯回曲線為基礎(chǔ)確定不同剪應(yīng)變幅值下的動剪切模量G，從而可以得到動剪切模量G隨剪應(yīng)變幅值的變化規(guī)律，動扭剪試驗與耦合試驗中扭轉(zhuǎn)分量的試驗結(jié)果如圖3所示，圖中顯示了初始固結(jié)壓力及土樣初始密度對剪切模量的影響。由此可見，剪切模量G隨剪切應(yīng)變幅值的變化規(guī)律依賴于初始固結(jié)壓力和密度。而且從數(shù)值上來看，兩種試驗所得到的剪切模量比較接近。將試驗所得到的應(yīng)力幅值與應(yīng)變幅值之間關(guān)系進(jìn)行坐標(biāo)變換后，可以整理出1/E、1/G之間的相互關(guān)系，發(fā)現(xiàn)其間呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，說明應(yīng)力幅值與應(yīng)變幅值之間服從良好的雙曲線關(guān)系，由各直線截距a的倒數(shù)確定各模量最大值Emax和Gmax，進(jìn)一步地確定模量最大值與固結(jié)壓力之間的依賴關(guān)系，如圖4和圖5所示，由此可見最大模量與固結(jié)壓力之間的關(guān)系基本符合Janbu的經(jīng)驗表達(dá)式，即(1)式中：k與n分別稱為動模量系數(shù)與動模量指數(shù)，通過試驗結(jié)果回歸所得到的各參數(shù)值列于表1。圖2動三軸與動力耦合試驗豎向E-關(guān)系圖3動扭剪與動力耦合試驗中扭向G關(guān)系圖4動彈性模量與圍壓之間的關(guān)系(Dr=30%)圖5動剪切模量與圍壓之間的關(guān)系(Dr=30%)表1三種試驗所得到的動模量系數(shù)k與動模量指數(shù)n試驗類型EmaxGmaxkEnEkGnG動三軸試驗動扭剪試驗動力耦合剪切試驗豎向分量扭轉(zhuǎn)分量193014690.5795350.6986420.9524897500.5790.6980.611由圖4可見，由雙向耦合循環(huán)試驗中豎向應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系所得到的最大動彈性模量與由動三軸試驗所得到的最大動彈性模量結(jié)果相差較小，對于不排水試驗，取泊松比=0.5，依據(jù)彈性理論，可由動彈性模量和軸向應(yīng)變換算得到動剪切模量和剪應(yīng)變，進(jìn)而根據(jù)動三軸和動力耦合試驗軸向分量間接推算出最大剪切模量，并與動扭剪、動耦合試驗扭轉(zhuǎn)分量所直接確定出的最大剪切模量同時繪于圖5中。由圖5可以看出：由動扭剪試驗直接確定最大動剪切模量與由動三軸試驗結(jié)果間接推算所得到的最大動剪切模量十分接近，由動力耦合剪切試驗扭轉(zhuǎn)分量所確定的最大動剪切模量偏高一些，而由動力耦合剪切試驗豎向分量所確定的最大剪切模量又稍低一些。從材料力學(xué)意義上，彈性模量可認(rèn)為單向受力時應(yīng)力與應(yīng)變之比，三軸試樣在固結(jié)后只承受軸向荷載作用，在彈性階段其軸向應(yīng)力與應(yīng)變之比即應(yīng)為彈性模量；而剪切模量雖然一般是在純剪應(yīng)力狀態(tài)下定義的，但可以證明在任意非純剪面上的剪應(yīng)力與剪應(yīng)變之比恒等于剪切模量。因此當(dāng)單元體的某一個面上同時受到正應(yīng)力和剪應(yīng)力的共同作用時，軸向應(yīng)力與軸向應(yīng)變之比不一定等于單向應(yīng)力條件下的彈性模量，但其剪應(yīng)力與剪應(yīng)變之比仍應(yīng)等于剪切模量。上述試驗結(jié)果表明：在雙向耦合循環(huán)剪切振動條件下，動剪應(yīng)力幅值與動剪應(yīng)變幅值之比與動扭剪試驗所獲得的動剪切模量基本相同，與動三軸試驗間接所獲得的動剪切模量也基本一致。圖6歸一化彈性模量E/Emax關(guān)系圖7歸一化剪切模量G/Gmax關(guān)系對動彈性模量和動剪切模量均以各自的最大動模量進(jìn)行歸一化處理，由此得到歸一化動模量隨應(yīng)變幅值的變化關(guān)系。圖6給出了由動三軸及動力耦合剪切試驗豎向分量所得到的不同固結(jié)壓力和不同相對密度條件下的歸一化動彈性模量與軸向應(yīng)變之間的關(guān)系即E/Emax關(guān)系。圖7表示由動扭剪及動力耦合剪切試驗扭轉(zhuǎn)分量所得到的不同固結(jié)壓力與不同相對密度條件下的歸一化動剪切模量與剪應(yīng)變之間的關(guān)系即G/Gmax關(guān)系。由圖可見由普通動三軸或常規(guī)動扭剪試驗所得到的歸一化動模量與應(yīng)變幅值之間的關(guān)系分別與由動力耦合剪切試驗兩個振動分量所得到的試驗結(jié)果規(guī)律性一致，經(jīng)歸一化處理后，由3種試驗所得到的無量綱動模量比與應(yīng)變之間的關(guān)系基本不依賴于初始密度，而且與初始固結(jié)壓