劉 霞,賈榮光,杜歷英,鐘普浴,崔桂梅

(山東省地震局,濟(jì)南 250014)

動三軸試驗固結(jié)時間對動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)

動三軸試驗是將試樣在軸對稱的三軸應(yīng)力下進(jìn)行固結(jié),在不排水條件下進(jìn)行的振動試驗,同時可測定土樣的動剪切模量比和阻尼比。土的動剪切模量比和阻尼比是土動力學(xué)特性的2個重要參數(shù),在工程場地地震安全性評價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,及時而又準(zhǔn)確地提交報告,我們結(jié)合自己多年的土工試驗經(jīng)驗,對可塑狀態(tài)以上的粘性土試樣進(jìn)行了縮短固結(jié)時間的對比試驗,并得到理想的試驗結(jié)果。

動三軸;動剪切模量;阻尼比;固結(jié)時間

0 引言

隨著地震安評工作的日益開展,動三軸試驗的工作量也快速增加,在動三軸試驗中,因為沒有具體的規(guī)范來界定土樣的固結(jié)時間,所以大家對試樣的固結(jié)時間有不同的認(rèn)識,為提高工作效率,根據(jù)多年經(jīng)驗,我們參照 GB/T50123―1999《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[1]中的固結(jié)試驗可采用的快速法,即土樣固結(jié)1小時讀數(shù),認(rèn)定其完成該級壓力下固結(jié)。因此,對可塑以上狀態(tài)的粘性土進(jìn)行了常用的3小時固結(jié)與1小時固結(jié)的對比試驗,其目的是分析動三軸試驗過程中固結(jié)時間的長短對試驗結(jié)果的影響。通過對比試驗,結(jié)果表明,采用常用的3小時固結(jié)和1小時固結(jié),對動三軸試驗中的動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,動三軸試驗可以采用1小時固結(jié),這樣可以大大提高工作效率。

1 試驗儀器及計算方法

1.1 試驗儀器

試驗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三軸試驗系統(tǒng),其工作原理是將圓柱形土試樣置于充無氣水的三軸室內(nèi)上下活塞之間。通過氣體壓力對試樣施加軸、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、幅值的電訊號轉(zhuǎn)換為軸向激振力,經(jīng)下活塞施加至土試樣上。測量系統(tǒng)將振動過程中的力、位移、孔隙水壓力值記錄下來,通過微機(jī)系統(tǒng)處理測量數(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 試驗采用的參數(shù)

測定的各試樣的容重、含水率如表1所示。固結(jié)比取值為1,固結(jié)壓力按土層實際應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行模擬。振動頻率為1Hz,循環(huán)次數(shù)為10次,振動總次數(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 試驗過程與方法

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,通過氣體壓力對試樣施加軸、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,對試樣施加由小到大的軸向激振力進(jìn)行動彈模試驗。試驗期間,測量系統(tǒng)將振動過程中的力、位移、孔隙水壓力值記錄下來,把記錄的試驗數(shù)據(jù)用微機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行處理,并且繪制出動剪切模量比、阻尼比與剪應(yīng)變關(guān)系曲線圖。

1.4 試驗計算方法與結(jié)果

試驗中,土樣在各級荷載下的軸向應(yīng)力 P和軸向應(yīng)變ε時間歷程將被記錄下來,由應(yīng)力應(yīng)變時程繪出應(yīng)力應(yīng)變滯回曲線,由滯回曲線B點的應(yīng)力應(yīng)變值可求得試樣的軸向模量 E,由 E可求得土樣在該級荷載下模量:

式中,PB、εB分別為滯回線B點所對應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變值,ν為泊松比,由土類而定。對所求得各級荷載下不同幅值的模量進(jìn)行統(tǒng)計分析時,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),將實驗結(jié)果標(biāo)在該圖中,近似用一條直線來表示它們的關(guān)系,顯然當(dāng)γ→0時,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,求出動三軸試樣的不同剪應(yīng)變下的動剪切模量比。

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,也同樣求出動三軸試樣的不同剪應(yīng)變下的阻尼比值。

2 試驗結(jié)果對比分析

2.1 試驗結(jié)果

對比試驗做了6個土樣,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個試樣(試樣 a、試樣b),在保證施加的圍壓、軸壓和動出力完全一致的情況下,對2個試樣做平行試驗,試樣 a固結(jié)時間在3小時以上,試樣b固結(jié)時間為1小時,分別繪制2試樣在不同固結(jié)時間的動剪切模量比、阻尼比與剪應(yīng)變關(guān)系曲線,并記錄剪應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)點的動剪切模量比和阻尼比的測試值,以做對比分析。

2.2 對比分析

圖1～6分別為6個土樣在2種固結(jié)時間下試樣的動剪切模量比、阻尼比與剪應(yīng)變的關(guān)系曲線,對比可見,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)時間下剪應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)點的動剪切模量比和阻尼比的差別很小,去除人工操作誤差和2個試樣在制作過程中容重的差別,試驗結(jié)果基本一致。我們將不同固結(jié)時間下的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,從驗證參數(shù)在現(xiàn)存差異情況下對土層地震反應(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Amax形成10%左右的影響。

圖1 試樣1動剪切模量比、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)點的動剪切模量比和阻尼比值表

3 結(jié)語

通過以上2組試樣的對比結(jié)果和擬合曲線圖,我們得到,可塑以上的粘性土在動三軸試驗時,固結(jié)時間可控制在1小時或稍長一些,可視固結(jié)達(dá)到穩(wěn)定為宜,其試驗結(jié)果動剪切模量比、阻尼比和日常采用的3小時固結(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 Amax形成10%左右的影響,所以3小時的固結(jié)時間和1小時的固結(jié)時間作出的試驗數(shù)據(jù)對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)時間可采用1個小時或稍長時間。(2)土樣基本達(dá)到穩(wěn)定后,固結(jié)時間的長短不是影響試驗結(jié)果的主要因素。(3)粉土在固結(jié)過程中水分流失較快,也可采用1小時固結(jié)的方法。這樣可以在有限時間內(nèi)進(jìn)行高于以往工作量2～3倍的動三軸土樣測試,這在地震安評工程工作量大、時間緊的情況下,可以大大提高工作效率。

本文得到崔桂梅高級工程師的指導(dǎo)和幫助,在此表示感謝!

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

[2] 中華人民共和國國標(biāo)GB/T50123-1999土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)[M].北京:中國計劃出版社,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,主要從事土動力學(xué)及年代學(xué)研究.E-mail:sunlx18@126.com