劉 瑩

(中鐵十六局二公司，天津 300162)

0 引 言

我國是地震多發(fā)國家，呈現(xiàn)的特點是地震區(qū)域廣闊而分布分散，發(fā)生頻繁而強度較大.原因是我國的地理位置恰恰處于地球兩大地震活動帶之間.地震最直接的破壞，就是嚴重摧毀各類建筑物，尤其是高大建筑物，給人民生命安全和財產(chǎn)帶來巨大損失.因此不斷追求地震區(qū)高大建筑物的抗震穩(wěn)定性始終是建筑科技、施工人員的首要任務.

調研表明，國內外對軟土、一般粘性土、砂卵石土、粉土等的動力特性進行了較為廣泛的研究，已積累了大量的成果[2-7]，但到目前為止，關于砂質泥巖風化土動力特性的研究卻很少見，我國在建及已規(guī)劃工程中，部分場地下伏厚層砂質泥巖風化土，因此研究砂巖風化土在地震作用下的工作機理及其抗震特性是十分必要的.

本文以某工程為背景(該工程場地下伏約15米厚的砂質泥巖風化土，埋深約15.0～30.0 m)，使用動三軸儀器對風化土進行試驗研究，掌握其動力特性.以提供相關的抗震設計參數(shù).

1 試驗設備和樣品制備

1.1 試驗設備

圖1 試驗所用試驗儀

采用英國GDS單向激振動力三軸試驗儀(圖1)作為實驗設備，將其動應變范圍調控在10-4～10-2.在實驗過程中，為保證圍壓穩(wěn)定不變而采用了平衡錘技術，因為一般說來，試驗過程中軸向荷載作用的活塞運動常常會導致圍壓波動.

1.2 試樣制備

試驗所用風化土取自同一砂質泥巖風化土層，表1中詳列出其基本物理指標.土樣的制備依據(jù)此風化土的天然密度和天然含水率，先把土樣的含水率配成18.1%，為使其結構及含水率均勻，要保持24 H限制蒸發(fā).分層裝模后，將土夯實壓密，干密度一定按照設計要求.39.1 mm×80 mm的圓柱體是試驗較為合適的試樣規(guī)格.

試樣飽和均采用抽氣飽和，將裝有試樣的飽和器置于無水的抽氣缸內，進行抽氣，當真空度接近1個大氣壓后，繼續(xù)抽氣0.5 h以上，后徐徐注入清水，并保持真空度穩(wěn)定，待飽和器完全被水淹沒即停止抽氣，并釋放抽氣缸的真空，試樣在水下靜置時間在10 h以上[6].

1.3 試驗方法

試驗研究了風化土試樣在不同固結圍壓狀態(tài)下的動力特性，固結圍壓按照土層深度取經(jīng)驗值，本次試驗取300 kPa、400 kPa、500 kPa及600 kPa，試驗固結比1.5，頻率0.2 Hz.試驗步驟是這樣的：第一步，在設定圍壓及固結比下，使試樣充分排水固結；第二步，進行振動試驗時，在不排水的前提下逐級加大動應力，對每級動荷載作用下的動應變、動應力情況詳細記錄.采用每組試驗在同一個試樣上進行，內容是分級施加動荷載，每級要震動3周.

表1 進行試驗用土的主要物理指標

2 試驗成果及分析

土在動荷載作用下具有彈塑性和黏性的特點，可將土視為具有彈性、塑性和黏滯性的黏彈塑性體.在周期荷載下，應力-應變關系具有明顯的非線性和滯后性[9-10].目前在場地地震反應分析、土工構筑物的地震穩(wěn)定性評價、土-樁-結構體系的動力相互作用分析和近海場地地震穩(wěn)定性評估中，多數(shù)是采用等效線性化方法，等效線性模型又稱為Hardin—Dmevich[11]模型，其主要包括：動彈模量Ed(或動剪模量Gd)及阻尼比λd與動應變幅εd(或動剪應變幅γd)的關系；最大動彈模量Edmax或最大動剪切模量Gdmax與固結圍壓σ3之間的關系；動剪模量比Gd/Gdmax與動剪應變幅γd的關系.

2.1 動應力-動應變關系及動彈模量

Hardin等人由試驗得出土在周期循環(huán)荷載作用下的應力-應變關系為雙曲線型[11]，即：

(1)

圖1 σd-εd關系曲線

公式(1)中：Edmax、σdmax分別為最大動彈模量和最大動應力.

圖1給出了風化土在各固結壓力下的動應力-動應變關系曲線，可見其具有明顯的非線性特征，隨固結圍壓的增大，骨干曲線提高，動應力值增大.

繪制Ed與εd之間的關系曲線圖(圖2)，可根據(jù)動三軸試驗得出的成果，來求得不同動應變幅下的動彈模量Ed，1/Ed與εd之間的關系曲線可近似的用直線擬合[12-13]，斜率為a，截距為b，如表2所示.

圖2 Ed-εd關系曲線

(2)

表2 試驗參數(shù)

由圖1可以看出，隨著圍壓的增大，土樣的Ed-εd曲線不斷提高，說明其在達到相同動剪應變時，隨固結圍壓的提升，土樣也在提升抵抗動荷載的能力；動應變εd的逐漸增大，固結圍壓σ3對動彈模量Ed的影響逐漸減小.

在土力學中，依據(jù)Janbu公式，不論用固結壓力σ3或平均主應力σm=(σ1+2σ3)/3(等壓時kc=1，σ3=σm)，均可以建立最大動彈模量Edmax與固結圍壓σ3的指數(shù)關系式[5]，

Edmax=k·Pa·(σ3/Pa)n

(3)

式中，Pa為大氣壓力，k，n為試驗參數(shù).

圖3所示是最大動彈模量Edmax與固結圍壓σ3之間的關系曲線，這是在雙對數(shù)坐標系中繪制的.兩者的線性關系表現(xiàn)良好，隨著固結圍壓的增大，風化土的最大動彈模量呈冪指數(shù)增長，在相同應變下土體可承受的最大動荷載不斷提高.表2參數(shù)b的變化規(guī)律表明，隨著圍壓的提高，參數(shù)b不斷減小，σdmax=1/b即土體可以承受的最大動應力則不斷增大.建立兩者冪指數(shù)關系如公式(3)所示.本試驗：k=1229.3，n=0.5877.

圖3 Edmax-σ3關系曲線

2.2 阻尼比與動剪模量試驗成果

通常我們用阻尼比來描述土的動力反應分析中土的阻尼，實際阻尼系數(shù)c與臨界阻尼系數(shù)ccr的比值就是阻尼比，即

(4)

其中，ψ為能量損失系數(shù)；δ為對數(shù)衰減率.

阻尼比在土動力學中的計算公式為

(5)

其中，A0，AT分別為動應力-應變關系曲線滯回圈的面積與原點到最大幅值點(γd，τd)連線下的三角形面積(圖4).

圖4 滯回曲線與阻尼比

則阻尼比的計算可寫為

(6)

式中S△abc為三角形abc的面積.

對于骨干曲線，曲線上每一點的動剪應力τd和動剪應變γd均為各自的幅值，它的曲線形態(tài)接近雙曲線[9-10]，對此Hardin等人提出表達式為

(7)

圖5 λd-γd關系散點圖

圖4為不同固結圍壓狀態(tài)下阻尼比λd與動剪應變γd關系的散點圖，可見隨著動剪應變γd的增大，阻尼比λd逐漸增大，并呈現(xiàn)漸緩的趨勢；隨固結圍壓的增大，阻尼比值減小，至剪應變λd=0.005附近，各固結圍壓狀態(tài)下的阻尼比曲線試驗點均分布在較窄的范圍內，曲線接近重合.

繪制不同圍壓下動剪模量比Gd/Gdmax-γd關系曲線散點圖(圖5)，在較窄的范圍內可見分散的數(shù)據(jù)點都，動剪應變值增大，動剪模量比值減??；動剪模量比關系曲線受固結圍壓狀態(tài)變化的影響較小，動剪模量比值隨固結圍壓增大而增大，相差最大約10%左右，各固結圍壓狀態(tài)下的動剪模量比曲線隨著動剪應變的增加逐漸趨于重合，差值變小,可以歸一化為一條曲線，通過最小二乘法回歸擬合，歸一化曲線表達式為

(8)

圖6 Gd/Gdmax-γd關系散點圖

3 結 論

(1)圍壓狀態(tài)的改變對砂質泥巖風化土動力學部分特性的影響相當顯著.

(2)動應力-應變骨干曲線與動彈模量關系曲線均隨固結圍壓的增大而提高，動應力值與動彈模量值增大，其規(guī)律符合以往的研究成果.最大動彈模量Edmax與固結圍壓σ3之間線性關系良好，隨著固結圍壓σ3的增大，最大動彈模量Edmax呈冪指數(shù)增長.

(3)隨固結圍壓的增大，阻尼比值減小，且減小的幅度先增大后減小，直至剪應變λd=0.005附近，各固結圍壓狀態(tài)下的阻尼比曲線接近重合.

(4)固結圍壓狀態(tài)的變化對動剪模量比關系曲線影響較小，試驗點均分布在較窄的范圍內，相差最大約10%左右為了簡化起見，固結圍壓的影響可以不予考慮，歸一化處理模量比曲線.

參 考 文 獻

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