粉砂的動(dòng)力特性試驗(yàn)研究

摘要：結(jié)合某核電站取水明渠導(dǎo)流堤工程實(shí)例，對(duì)該工程地基土粉砂進(jìn)行飽和固結(jié)條件下循環(huán)荷載試驗(yàn)以及共振柱試驗(yàn)，測定了動(dòng)剪切模量、阻尼比與動(dòng)剪應(yīng)變幅的雙曲線關(guān)系，分析了粉砂的動(dòng)力變形特性。為評(píng)價(jià)導(dǎo)流堤地基的地震穩(wěn)定提供參數(shù)，同時(shí)對(duì)類似工程場地的地震安全性評(píng)價(jià)有良好的借鑒和參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：動(dòng)模量 阻尼比 動(dòng)強(qiáng)度

0 引言

關(guān)于砂土的動(dòng)力特性試驗(yàn)研究，迄今已取得相當(dāng)多的研究成果，內(nèi)容涉及到振動(dòng)三軸儀試驗(yàn)、共振柱和動(dòng)三軸試驗(yàn)及液化試驗(yàn)等諸方面。中密和較密的飽和砂土在循環(huán)剪切過程中，易造成間歇性液化和有限制的流動(dòng)變形現(xiàn)象[1]。Seed等[2]在其早期所進(jìn)行的飽和密砂固結(jié)不排水循環(huán)三軸試驗(yàn)中證明了這一現(xiàn)象的存在，給出了初始液化時(shí)循環(huán)剪應(yīng)力比與循環(huán)次數(shù)間的相互關(guān)系。本文結(jié)合某核電站取水明渠導(dǎo)流堤工程實(shí)例，對(duì)該工程地基土粉砂的動(dòng)力特性進(jìn)行了研究，得到一些具有規(guī)律性的結(jié)果。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試樣 試驗(yàn)所用土樣為擾動(dòng)的粉砂，試樣制備時(shí)采用分層擊實(shí)法成型。試驗(yàn)用土樣為圓柱形，直徑3.91cm，高8.0cm。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)方法 共振柱試驗(yàn)采用DGZ-1型多功能共振柱試驗(yàn)機(jī)，動(dòng)強(qiáng)度采用DGZ-I型電磁振動(dòng)三軸儀試驗(yàn)系統(tǒng)，依據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》及《土工試驗(yàn)規(guī)程》的有關(guān)規(guī)定。

2 動(dòng)模量與阻尼比試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)原理 土的動(dòng)應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系可用Hardin-Drnevich模型描述，其表達(dá)式為(1)

(1)

由此可得動(dòng)割線剪切模量：

(2)

同時(shí)還可得到歸一化后的無量綱表達(dá)式：

(3)

在上述各式中，τd——?jiǎng)蛹魬?yīng)力，γd=動(dòng)剪應(yīng)變，γr=a/b——參考剪應(yīng)變，a/b——試驗(yàn)參數(shù)，由試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定。

此外，試驗(yàn)研究表明，阻尼比存在下述關(guān)系：

(4)

式中λ——與Gd對(duì)應(yīng)的阻尼比，λmax——最大阻尼比，M——試驗(yàn)參數(shù)。λmax，M由試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定。

由試驗(yàn)測得的動(dòng)剪切模量及阻尼比與剪應(yīng)變的試驗(yàn)數(shù)據(jù)關(guān)系，利用上述公式和最小二乘法進(jìn)行回歸分析可得到所需要的試驗(yàn)參數(shù)。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

圖1給出了土樣實(shí)測的等效剪切模量G/Gmax、等效阻尼比λ與動(dòng)應(yīng)變幅γd的關(guān)系。同時(shí)給出了在不同圍壓σ3條件下歸一化的結(jié)果。從圖中可以看出：等效剪切模量G/Gmax、等效阻尼比λ隨動(dòng)應(yīng)變幅γd呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，表現(xiàn)為雙曲線模式，所有的趨勢線都是由雙曲線擬合，有很好的歸一性，且擬合線與試驗(yàn)點(diǎn)位置偏差不大，故認(rèn)為擬合較為精確。

3 砂土的動(dòng)強(qiáng)度試驗(yàn)

由于土的動(dòng)力本構(gòu)關(guān)系比較復(fù)雜，目前土的動(dòng)強(qiáng)度研究大多數(shù)采用直接試驗(yàn)分析，得出不同固結(jié)比和不同固結(jié)壓力下的土的動(dòng)強(qiáng)度與振動(dòng)次數(shù)的試驗(yàn)曲線，曲線符合較好的乘冪函數(shù)關(guān)系。本試驗(yàn)用固結(jié)比等于1的均等固結(jié)試驗(yàn)和固結(jié)比為1.5非等向固結(jié)試驗(yàn)。按照圍壓的不同，分100kPa，200kPa，300kPa三組進(jìn)行試驗(yàn)。土樣動(dòng)強(qiáng)度試驗(yàn)為了提供合理的動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)，試驗(yàn)應(yīng)根據(jù)不同的工程要求，采用εd=5%作為破壞應(yīng)變指標(biāo)。試驗(yàn)曲線如圖2-圖3所示，試驗(yàn)結(jié)果表明粉砂的動(dòng)強(qiáng)度與破壞振次關(guān)系符合較好的乘冪函數(shù)關(guān)系。

4 結(jié)論

①動(dòng)剪切模量和阻尼比采用雙曲線模型回歸，線性良好，受圍壓σ3的影響不大，在有限元?jiǎng)恿Ψ磻?yīng)分析時(shí)，可取其平均值；

②由于本設(shè)計(jì)按照7.0級(jí)、8.0級(jí)兩個(gè)地震震級(jí)考慮，采用等效振次12次、30次所對(duì)應(yīng)的液化動(dòng)剪應(yīng)力比N12、N30作為動(dòng)強(qiáng)度和抗液化強(qiáng)度。其動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)如表。

參考文獻(xiàn)：

[1]周建，白冰，徐建平.土動(dòng)力學(xué)理論與計(jì)算.北京：中國建筑工業(yè)出版社 2001.

[2]Seed H B and Lee K L，liquefaction of saturated sands during cyclic loading.ASCE，Jr.of SMFD.1966.92(6).