劉 霞,賈榮光,杜歷英,鐘普浴,崔桂梅

(山東省地震局,濟(jì)南 250014)

動(dòng)三軸試驗(yàn)固結(jié)時(shí)間對(duì)動(dòng)剪切模量比和阻尼比影響的初步分析

劉 霞,賈榮光,杜歷英,鐘普浴,崔桂梅

(山東省地震局,濟(jì)南 250014)

動(dòng)三軸試驗(yàn)是將試樣在軸對(duì)稱的三軸應(yīng)力下進(jìn)行固結(jié),在不排水條件下進(jìn)行的振動(dòng)試驗(yàn),同時(shí)可測(cè)定土樣的動(dòng)剪切模量比和阻尼比。土的動(dòng)剪切模量比和阻尼比是土動(dòng)力學(xué)特性的2個(gè)重要參數(shù),在工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)工作和土層地震反應(yīng)分析中不可缺少。為了減少工期,提高工效,及時(shí)而又準(zhǔn)確地提交報(bào)告,我們結(jié)合自己多年的土工試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn),對(duì)可塑狀態(tài)以上的粘性土試樣進(jìn)行了縮短固結(jié)時(shí)間的對(duì)比試驗(yàn),并得到理想的試驗(yàn)結(jié)果。

動(dòng)三軸;動(dòng)剪切模量;阻尼比;固結(jié)時(shí)間

0 引言

隨著地震安評(píng)工作的日益開展,動(dòng)三軸試驗(yàn)的工作量也快速增加,在動(dòng)三軸試驗(yàn)中,因?yàn)闆]有具體的規(guī)范來(lái)界定土樣的固結(jié)時(shí)間,所以大家對(duì)試樣的固結(jié)時(shí)間有不同的認(rèn)識(shí),為提高工作效率,根據(jù)多年經(jīng)驗(yàn),我們參照 GB/T50123―1999《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[1]中的固結(jié)試驗(yàn)可采用的快速法,即土樣固結(jié)1小時(shí)讀數(shù),認(rèn)定其完成該級(jí)壓力下固結(jié)。因此,對(duì)可塑以上狀態(tài)的粘性土進(jìn)行了常用的3小時(shí)固結(jié)與1小時(shí)固結(jié)的對(duì)比試驗(yàn),其目的是分析動(dòng)三軸試驗(yàn)過(guò)程中固結(jié)時(shí)間的長(zhǎng)短對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。通過(guò)對(duì)比試驗(yàn),結(jié)果表明,采用常用的3小時(shí)固結(jié)和1小時(shí)固結(jié),對(duì)動(dòng)三軸試驗(yàn)中的動(dòng)剪切模量比和阻尼比的結(jié)果影響很小,去除人工操作誤差,其結(jié)果基本一致。因此認(rèn)為,動(dòng)三軸試驗(yàn)可以采用1小時(shí)固結(jié),這樣可以大大提高工作效率。

1 試驗(yàn)儀器及計(jì)算方法

1.1 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)儀器采用了北京市新技術(shù)研究所生產(chǎn)的DDS-70微機(jī)控制電磁式多功能靜動(dòng)三軸試驗(yàn)系統(tǒng),其工作原理是將圓柱形土試樣置于充無(wú)氣水的三軸室內(nèi)上下活塞之間。通過(guò)氣體壓力對(duì)試樣施加軸、側(cè)向靜壓力。激振器和功率放大器將微機(jī)系統(tǒng)提供的一定頻率、幅值的電訊號(hào)轉(zhuǎn)換為軸向激振力,經(jīng)下活塞施加至土試樣上。測(cè)量系統(tǒng)將振動(dòng)過(guò)程中的力、位移、孔隙水壓力值記錄下來(lái),通過(guò)微機(jī)系統(tǒng)處理測(cè)量數(shù)據(jù),并繪制曲線圖。

系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo):

試樣尺寸: 直徑39.1mm,高80mm

軸向最大動(dòng)出力: 1370N(p-p)

側(cè)向壓力: 0～0.6MPa

反壓: 0～0.3MPa

波形: 正弦波、三角波、方波

頻率范圍: 1～10Hz

最大允許軸向位移:20mm(p-p)

1.2 試驗(yàn)采用的參數(shù)

測(cè)定的各試樣的容重、含水率如表1所示。固結(jié)比取值為1,固結(jié)壓力按土層實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行模擬。振動(dòng)頻率為1Hz,循環(huán)次數(shù)為10次,振動(dòng)總次數(shù)控制在200次以內(nèi)。

表1 試樣的物理力學(xué)指標(biāo)表

1.3 試驗(yàn)過(guò)程與方法

將試樣置于三軸室內(nèi)上下活塞之間,采取一定的固結(jié)比,通過(guò)氣體壓力對(duì)試樣施加軸、側(cè)向靜壓力,使其固結(jié)。待土樣固結(jié)完成后,在不排水的條件下,對(duì)試樣施加由小到大的軸向激振力進(jìn)行動(dòng)彈模試驗(yàn)。試驗(yàn)期間,測(cè)量系統(tǒng)將振動(dòng)過(guò)程中的力、位移、孔隙水壓力值記錄下來(lái),把記錄的試驗(yàn)數(shù)據(jù)用微機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行處理,并且繪制出動(dòng)剪切模量比、阻尼比與剪應(yīng)變關(guān)系曲線圖。

1.4 試驗(yàn)計(jì)算方法與結(jié)果

試驗(yàn)中,土樣在各級(jí)荷載下的軸向應(yīng)力 P和軸向應(yīng)變?chǔ)艜r(shí)間歷程將被記錄下來(lái),由應(yīng)力應(yīng)變時(shí)程繪出應(yīng)力應(yīng)變滯回曲線,由滯回曲線B點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變值可求得試樣的軸向模量 E,由 E可求得土樣在該級(jí)荷載下模量:

式中,PB、εB分別為滯回線B點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變值,ν為泊松比,由土類而定。對(duì)所求得各級(jí)荷載下不同幅值的模量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析時(shí),應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系用雙曲線函數(shù)表示:

式中,τ和γ為剪應(yīng)力和剪應(yīng)變幅值,A和B為回歸常數(shù),若令τ/γ=G,則:

如果以1/G為縱坐標(biāo),γ為橫坐標(biāo),將實(shí)驗(yàn)結(jié)果標(biāo)在該圖中,近似用一條直線來(lái)表示它們的關(guān)系,顯然當(dāng)γ→0時(shí),可以得到系數(shù) A等于最大剪切模量的倒數(shù),即1/Gmax,因此可得到對(duì)應(yīng)不同應(yīng)變模量與最大模量的比值和應(yīng)變的關(guān)系:

繼而,求出動(dòng)三軸試樣的不同剪應(yīng)變下的動(dòng)剪切模量比。

試樣在荷載下的阻尼比D可用下式求得:

式中,ΔW為一個(gè)循環(huán)消耗的能量,用應(yīng)力應(yīng)變滯回曲線所圍的面積表示,W為施加的最大應(yīng)變能。根據(jù) Hardin-Drnevich模型,阻尼比與剪應(yīng)變的關(guān)系可寫為 D=Dmax(1-G/Gmax)。此關(guān)系式,可回歸阻尼比與剪應(yīng)變的關(guān)系。

從而,也同樣求出動(dòng)三軸試樣的不同剪應(yīng)變下的阻尼比值。

2 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)比試驗(yàn)做了6個(gè)土樣,分別為粘土、粉質(zhì)粘土,均采集在山東境內(nèi)。各試樣的物理參數(shù)詳列于表1。按照上述方法,我們把1塊土做成2個(gè)試樣(試樣 a、試樣b),在保證施加的圍壓、軸壓和動(dòng)出力完全一致的情況下,對(duì)2個(gè)試樣做平行試驗(yàn),試樣 a固結(jié)時(shí)間在3小時(shí)以上,試樣b固結(jié)時(shí)間為1小時(shí),分別繪制2試樣在不同固結(jié)時(shí)間的動(dòng)剪切模量比、阻尼比與剪應(yīng)變關(guān)系曲線,并記錄剪應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)的動(dòng)剪切模量比和阻尼比的測(cè)試值,以做對(duì)比分析。

2.2 對(duì)比分析

圖1～6分別為6個(gè)土樣在2種固結(jié)時(shí)間下試樣的動(dòng)剪切模量比、阻尼比與剪應(yīng)變的關(guān)系曲線,對(duì)比可見,2曲線的擬合形態(tài)和有效值范圍10-2～10-3[2]基本一致,由表2可見,試樣在不同固結(jié)時(shí)間下剪應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)的動(dòng)剪切模量比和阻尼比的差別很小,去除人工操作誤差和2個(gè)試樣在制作過(guò)程中容重的差別,試驗(yàn)結(jié)果基本一致。我們將不同固結(jié)時(shí)間下的2組數(shù)據(jù)用于土層地震反應(yīng)分析的模型建立,并進(jìn)行試算,從驗(yàn)證參數(shù)在現(xiàn)存差異情況下對(duì)土層地震反應(yīng)分析結(jié)果的影響,結(jié)果表明,50年超越概率10%的地表加速度峰值 Amax的差別小于5%,而同樣條件下,用不同的隨機(jī)相位人造地震波輸入,可能對(duì)Amax形成10%左右的影響。

圖1 試樣1動(dòng)剪切模量比、阻尼比與剪應(yīng)變關(guān)系曲線圖

圖2 試樣2動(dòng)剪切模量比、阻尼比與剪應(yīng)變關(guān)系曲線圖

圖3 試樣3動(dòng)剪切模量比、阻尼比與剪應(yīng)變關(guān)系曲線圖

圖4 試樣4動(dòng)剪切模量比、阻尼比與剪應(yīng)變關(guān)系曲線圖

圖5 試樣5動(dòng)剪切模量比、阻尼比與剪應(yīng)變關(guān)系曲線圖

圖6 試樣6動(dòng)剪切模量比、阻尼比與剪應(yīng)變關(guān)系曲線圖

表2 試樣剪應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)的動(dòng)剪切模量比和阻尼比值表

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上2組試樣的對(duì)比結(jié)果和擬合曲線圖,我們得到,可塑以上的粘性土在動(dòng)三軸試驗(yàn)時(shí),固結(jié)時(shí)間可控制在1小時(shí)或稍長(zhǎng)一些,可視固結(jié)達(dá)到穩(wěn)定為宜,其試驗(yàn)結(jié)果動(dòng)剪切模量比、阻尼比和日常采用的3小時(shí)固結(jié)差別很小,擬合曲線圖也基本一致。特別提出軟塑土要區(qū)別對(duì)待。將2組數(shù)據(jù)用于土層地震反應(yīng)分析的模型建立,進(jìn)行試算,最終結(jié)果表明50年超越概率10%的地表加速度峰值 Amax的差別小于5%,而同樣條件下,用不同的隨機(jī)相位人造地震波輸入,且可能對(duì) Amax形成10%左右的影響,所以3小時(shí)的固結(jié)時(shí)間和1小時(shí)的固結(jié)時(shí)間作出的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)Amax影響不大。

由此,得到以下結(jié)論:(1)可塑狀態(tài)以上的粘性土固結(jié)時(shí)間可采用1個(gè)小時(shí)或稍長(zhǎng)時(shí)間。(2)土樣基本達(dá)到穩(wěn)定后,固結(jié)時(shí)間的長(zhǎng)短不是影響試驗(yàn)結(jié)果的主要因素。(3)粉土在固結(jié)過(guò)程中水分流失較快,也可采用1小時(shí)固結(jié)的方法。這樣可以在有限時(shí)間內(nèi)進(jìn)行高于以往工作量2～3倍的動(dòng)三軸土樣測(cè)試,這在地震安評(píng)工程工作量大、時(shí)間緊的情況下,可以大大提高工作效率。

本文得到崔桂梅高級(jí)工程師的指導(dǎo)和幫助,在此表示感謝!

[1] GB17741-2005工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)[M].宣貫教材.標(biāo)準(zhǔn)出版社,2005.

[2] 中華人民共和國(guó)國(guó)標(biāo)GB/T50123-1999土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[M].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,1999.

Effect of Consolidation Time on Dynamic Shear Modulus Ratio and Damping Ratio in Dynamic Triaxial Test

LIU Xia,J IA Rong-guang,DU Li-ying,ZHONG Pu-yu,CUI Gui-mei
(Earthquake Administration of Shandong Province,Jinan 250014,China)

Dynamic triaxial test is a vibration test,in which,the sample is consolidated by axisymmetric triaxial stress in the undrained condition.Through the test,dynamic shear modulus ratio and the damping ratio of soil samples can be determined.Dynamic shear modulus ratio and damping ratio of soil samples are two important parameters in soil dynamics characters and indispensible for seismic safety evaluation and seismic response analysis of the soil layer in engineering sites.In order to reduce time limit,improve work effiency and submit report timely and accurately,according to our years of experience in soil test,we conduct a comparison test on cohesive soil that reaches above plastic condition and achieve perfect test results.

dynamic triaxial;dynamic shear modulus;damping ratio;consolidation time

P315.9

A

1003-1375(2010)04-0031-06

2010-05-24

劉霞(1977-),女(漢族),山東省濱州人,山東省地震局助理工程師,主要從事土動(dòng)力學(xué)及年代學(xué)研究.E-mail:sunlx18@126.com