水利工程論文-不同應(yīng)力條件下砂土動(dòng)模量特性的試驗(yàn)對(duì)比研究.doc

水利工程論文-不同應(yīng)力條件下砂土動(dòng)模量特性的試驗(yàn)對(duì)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(dòng)、振動(dòng)三軸和振動(dòng)扭剪等3種試驗(yàn)，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(cè)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(dòng)模量特性。試驗(yàn)結(jié)果表明：動(dòng)力雙向耦合試驗(yàn)在扭轉(zhuǎn)方向和豎向的動(dòng)模量與應(yīng)變之間的變化規(guī)律分別與相同條件下的動(dòng)扭剪、動(dòng)三軸試驗(yàn)結(jié)果一致；歸一化動(dòng)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(dòng)三軸試驗(yàn)與動(dòng)扭剪試驗(yàn)所得到的最大動(dòng)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(dòng)力耦合試驗(yàn)中扭轉(zhuǎn)向振動(dòng)分量所得到的結(jié)果偏高，由動(dòng)力耦合試驗(yàn)中豎向振動(dòng)分量所得到的結(jié)果又稍低。關(guān)鍵詞：動(dòng)力土工試驗(yàn)動(dòng)模量復(fù)雜應(yīng)力條件土的動(dòng)模量是土動(dòng)力學(xué)計(jì)算與分析的基本參數(shù)，一般采用共振柱儀、動(dòng)扭剪儀或動(dòng)三軸儀試驗(yàn)測(cè)定。由于試驗(yàn)設(shè)備的限制，對(duì)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(dòng)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(dòng)力參數(shù)特別是復(fù)雜應(yīng)力條件下與簡(jiǎn)單應(yīng)力條件下砂土動(dòng)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(dòng)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(dòng)試驗(yàn)與普通動(dòng)三軸試驗(yàn)、常規(guī)動(dòng)扭剪試驗(yàn)等3種試驗(yàn)，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(cè)量荷載與位移，針對(duì)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(duì)動(dòng)模量特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。對(duì)不同初始固結(jié)應(yīng)力和不同相對(duì)密度條件下的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比研究，探討了不同應(yīng)力條件下所得到的動(dòng)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(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)方法在大連理工大學(xué)“211工程”“海岸和近海工程”重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)計(jì)劃的支持下，由大連理工大學(xué)與日本誠(chéng)研舍株式會(huì)社聯(lián)合設(shè)計(jì)和研制，并由誠(chéng)研舍制造的土工靜力動(dòng)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(dòng)力三軸剪切試驗(yàn)和扭剪試驗(yàn)，也可完成獨(dú)立控制豎向荷載和扭矩大小速率及其相位的靜、動(dòng)力軸向-扭轉(zhuǎn)振動(dòng)雙向耦合剪切試驗(yàn)?？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(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)由液壓加荷系統(tǒng)(液壓作動(dòng)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(jì)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(gè)，分別用于測(cè)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(shí)試樣外部體變等12項(xiàng)參數(shù)。其中在空心圓柱試樣的雙向耦合剪切試驗(yàn)中采用了雙出力傳感器，可同時(shí)測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(yàn)研究探討較小應(yīng)變幅值條件下砂土的動(dòng)力變形特性及相應(yīng)動(dòng)力變形參數(shù)。雙向耦合試驗(yàn)與扭剪試驗(yàn)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(yàn)采用實(shí)心圓柱狀試樣，試樣直徑為100mm，高度為200mm。經(jīng)測(cè)定，試驗(yàn)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(duì)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(duì)相對(duì)緊密度為60%、圍壓為100kPa情況進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。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(duì)相同的試驗(yàn)條件，分別進(jìn)行了普通循環(huán)三軸試驗(yàn)、常規(guī)循環(huán)扭剪試驗(yàn)和三軸-扭轉(zhuǎn)循環(huán)耦合剪切試驗(yàn)。在循環(huán)剪切試驗(yàn)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(jiǎn)諧循環(huán)荷載，在耦合試驗(yàn)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(yàn)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(dòng)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(jí)地同時(shí)或分別增加軸向應(yīng)力與扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力的幅值，每級(jí)荷載進(jìn)行10次循環(huán)，直至試樣破壞。2試驗(yàn)結(jié)果及其分析2.1動(dòng)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(dòng)彈性模量E，從而可以得到動(dòng)彈性模量E隨軸向應(yīng)變幅值的變化規(guī)律，動(dòng)三軸試驗(yàn)與動(dòng)力耦合試驗(yàn)中豎向分量的試驗(yàn)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(duì)動(dòng)彈性模量的影響。由此可見(jiàn)動(dòng)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(dòng)力耦合試驗(yàn)的豎向應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系所獲得的動(dòng)彈性模量在數(shù)值上比動(dòng)三軸試驗(yàn)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(dòng)剪切模量G，從而可以得到動(dòng)剪切模量G隨剪應(yīng)變幅值的變化規(guī)律，動(dòng)扭剪試驗(yàn)與耦合試驗(yàn)中扭轉(zhuǎn)分量的試驗(yàn)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(duì)剪切模量的影響。由此可見(jiàn)，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(lái)看，兩種試驗(yàn)所得到的剪切模量比較接近。將試驗(yàn)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(shuō)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(jiàn)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(yàn)表達(dá)式，即(1)式中：k與n分別稱(chēng)為動(dòng)模量系數(shù)與動(dòng)模量指數(shù)，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果回歸所得到的各參數(shù)值列于表1。圖2動(dòng)三軸與動(dòng)力耦合試驗(yàn)豎向E-關(guān)系圖3動(dòng)扭剪與動(dòng)力耦合試驗(yàn)中扭向G關(guān)系圖4動(dòng)彈性模量與圍壓之間的關(guān)系(Dr=30%)圖5動(dòng)剪切模量與圍壓之間的關(guān)系(Dr=30%)表1三種試驗(yàn)所得到的動(dòng)模量系數(shù)k與動(dòng)模量指數(shù)n試驗(yàn)類(lèi)型EmaxGmaxkEnEkGnG動(dòng)三軸試驗(yàn)動(dòng)扭剪試驗(yàn)動(dòng)力耦合剪切試驗(yàn)豎向分量扭轉(zhuǎn)分量193014690.5795350.6986420.9524897500.5790.6980.611由圖4可見(jiàn)，由雙向耦合循環(huán)試驗(yàn)中豎向應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系所得到的最大動(dòng)彈性模量與由動(dòng)三軸試驗(yàn)所得到的最大動(dòng)彈性模量結(jié)果相差較小，對(duì)于不排水試驗(yàn)，取泊松比=0.5，依據(jù)彈性理論，可由動(dòng)彈性模量和軸向應(yīng)變換算得到動(dòng)剪切模量和剪應(yīng)變，進(jìn)而根據(jù)動(dòng)三軸和動(dòng)力耦合試驗(yàn)軸向分量間接推算出最大剪切模量，并與動(dòng)扭剪、動(dòng)耦合試驗(yàn)扭轉(zhuǎn)分量所直接確定出的最大剪切模量同時(shí)繪于圖5中。由圖5可以看出：由動(dòng)扭剪試驗(yàn)直接確定最大動(dòng)剪切模量與由動(dòng)三軸試驗(yàn)結(jié)果間接推算所得到的最大動(dòng)剪切模量十分接近，由動(dòng)力耦合剪切試驗(yàn)扭轉(zhuǎn)分量所確定的最大動(dòng)剪切模量偏高一些，而由動(dòng)力耦合剪切試驗(yàn)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(shí)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(gè)面上同時(shí)受到正應(yīng)力和剪應(yīng)力的共同作用時(shí)，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(yàn)結(jié)果表明：在雙向耦合循環(huán)剪切振動(dòng)條件下，動(dòng)剪應(yīng)力幅值與動(dòng)剪應(yīng)變幅值之比與動(dòng)扭剪試驗(yàn)所獲得的動(dòng)剪切模量基本相同，與動(dòng)三軸試驗(yàn)間接所獲得的動(dòng)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(duì)動(dòng)彈性模量和動(dòng)剪切模量均以各自的最大動(dòng)模量進(jìn)行歸一化處理，由此得到歸一化動(dòng)模量隨應(yīng)變幅值的變化關(guān)系。圖6給出了由動(dòng)三軸及動(dòng)力耦合剪切試驗(yàn)豎向分量所得到的不同固結(jié)壓力和不同相對(duì)密度條件下的歸一化動(dòng)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(dòng)扭剪及動(dòng)力耦合剪切試驗(yàn)扭轉(zhuǎn)分量所得到的不同固結(jié)壓力與不同相對(duì)密度條件下的歸一化動(dòng)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(jiàn)由普通動(dòng)三軸或常規(guī)動(dòng)扭剪試驗(yàn)所得到的歸一化動(dòng)模量與應(yīng)變幅值之間的關(guān)系分別與由動(dòng)力耦合剪切試驗(yàn)兩個(gè)振動(dòng)分量所得到的試驗(yàn)結(jié)果規(guī)律性一致，經(jīng)歸一化處理后，由3種試驗(yàn)所得到的無(wú)量綱動(dòng)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