大同地区粉土的动力特性试验研究

大同地区粉土的动力特性试验研究

王绪锋1,2，张伟1,2，孙爱华3

1.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，南京（210098）

2.河海大学岩土工程科学研究所，南京（210098）

3.山东省莱州市胶东地区引黄调水工程建设管理局，山东莱州（261400）

E-mail: wangxufeng013@https://www.360docs.net/doc/419040254.html,

摘要：通过对大同地区代表性的粉土进行室内的共振柱试验及动三轴试验研究了本地区土的动力特性和土在振动过程中孔隙水的发展规律,重点把粉土的共振柱试验结果与Seed和Idriss建议的砂土及饱和粘土的剪切模量比G/Gγ曲线和阻尼比λ~γ曲线的变化范围进行对比,结果表明:粉土的剪模量比要比饱和砂土的大,其阻尼比小于砂土的阻尼比;粉土的抗液化强度与液化振次之间的关系可用乘幂函数来表示,其振动孔隙水压力的发展规律可以用二次抛物线拟合;结合本地区的工程实践经验，同时为工程的设计、施工提供了参考。

关键词：动剪模量；阻尼比；液化强度；振动孔隙水压力

1. 引言

粉土作为一种特殊性质的土,介于砂土和粘性土之间,也是很容易发生液化的。如1975 年海城地震和1976年唐山地震后, 现场调查资料表明在下辽河盘锦地区和天津沿海地区发生了大面积的粉土液化喷出现象[1]。在国外，Lee和Fitton、Gupta和Gangadhyay[2]先后提出了粘粒和粉粒对动强度的影响。在国内, 阮永芬、巫志辉等[3]通过振动三轴仪试验探讨了饱和粉土的动力特性受不同因素影响的变化规律; 黄博、陈云敏等[4]通过共振柱和动三轴试验研究了粉土在不同地震震动级下的临界剪应变变化的范围和均值; 王翠莲、史三元[5]通过对同一场地的原状土样和扰动土样的室内动三轴试验分析, 发现扰动对饱和粉土的动模量有很大影响, 提出了几种措施以减少土样的扰动影响。但缺乏更深入的研究, 因此对粉土液化特性和判别方法等研究课题逐渐引起了人们的重视。本文结合大同地区粉土进行了系列分析, 得出了一些具有规律性的结果。

2. 试验土样和试验方法

2.1 试样

试验所用土样为扰动的粉土样,根据现场土性条件制备，为使试验土样有广泛代表性,取样地域比较广，其中物理力学指标如表1，其中共振柱试验试样直径50mm，高100mm，在各向等压力下固结；动三轴试验试样直径39.1mm，高80mm，不等向固结。

表1 试验土样的物理力学指标

天然含水量（%）ρd G s I p I l

12.5 1.42 2.64 8.61 3.54

2.2试验仪器和试验方法

本试验采用DTC-158型共振柱仪，共振柱试验是在一定湿度、密度和应力条件下的土柱上,施加纵向振动,并逐级改变驱动频率,测出土柱的共振频率,再切断动力,测记出振动衰减曲线。然后根据这个振动频率以及试样的几何尺寸和端部限制条件,计算出试样的动模量,根

据衰减曲线计算出阻尼比。

动三轴试验采用DCJ-78型动三轴仪，该仪器由南京水利科学研究院研制，并配备了由北京新技术研究所研制的DDS-70动三轴微机控制系统，对土样施加正弦波，频率为1.0赫兹，测记振动过程中土的动应力,位移和孔隙水压力。

3. 土的动剪模量和阻尼比试验

3.1土的动剪切模量和阻尼比的试验原理

在共振柱试验中，可以测出共振频率和位移，然后通过计算得出剪应变小于10-4时的剪切模量和阻尼比，对于剪应变大于10-4时的剪切模量和阻尼比是通过Hardin-Drnevich 模型进行拟合，计算公式如下[6]:

/1/0G G r γγ=? (1)

max 0/1-/D D G G = (2)

式中γr 为参考剪应变,由式(3)计算:

0/r f G γτ= (3)

其中f τ为试样破坏时的最大剪应力,由式(4)计算:

1/2

2

20011

(1)s i n c o s (1)22

f

K c K υ

τ

σ??σ??????????

?????=++?????????????????

??

(4)

式(4)中：K 0—静止侧压力系数；

　v —竖向压力；

D Max 为最大阻尼比,一般取0.3;

0G 为初始剪切模量,即剪应变为10-6时的剪切模量；0G 随试样的平均固结应力0σ增

大而增大。

在剪应变大于10-4时，动剪模量由修正的Hardin-Drnevich 模型0/(1/)r G G a γγ=+得出,a 为试验参数。

3.2土的动剪模量和阻尼比的试验结果与讨论

图1为万家寨地区粉土的G/G 0-γ关系曲线,实线为Seed 和Idriss(1970)[7]建议的砂土G/G 0--γ曲线的变化范围,虚线是饱和粘土的G/G 0-γ曲线。从图中可以看出,此粉土剪切模量比的试验点都落于Seed 和Idriss 建议的砂土的G/G 0-γ曲线变化范围之上,这说明由于粉粒含量的影响,此粉土具有比一般砂土更好的离散性,其动剪模量比要比一般饱和砂土的高， 也说明了此地区粉土的特殊性。

图1 粉土的G/G max –γ关系曲线图

图2为万家寨地区粉土的D-γ关系曲线图,实线为Seed 和Idriss 建议的砂的阻尼比变化范围,虚线为阻尼比平均线。从图中可以看出,此粉土阻尼比的试验点都落于Seed 和Idriss 建议的饱和砂土的D-γ变化范围之外,其阻尼比小于一般的砂土,离散性也较大。

图2 粉土的D-γ关系曲线图

4. 粉土的动强度试验

由于土的动力本构关系比较复杂, 目前土的动强度研究大多数采用直接试验分析。得出不同固结比和不同固结压力下的土的动强度与振动次数的试验曲线,曲线符合较好的乘幂函数关系[8],可以表示为

()B d f A N τ= (5)

式中d τ为动强度(kPa);

N f 为破坏振次;

A 和

B 为试验所得参数(取d ε=5% 为破坏标准)。

试验结果表明此地区粉土的动强度与破坏振次关系也符合式(5)。如图3-图5所示；

图3 Kc=1.0时τd 与Nf 关系曲线 图4 Kc=1.5时τd 与Nf 关系曲线

图 5 Kc=2.0时τd 与Nf 关系曲线

5. 粉土的空隙压力特性

孔隙水压力在动荷载作用下的发展规律是土体变形和强度变化的重要因素, 是使用有效应力动力分析法分析问题的关键, 因此对振动过程中孔隙压力的分析也显得尤其重要。Kc=1.0时不同围压下孔压与破坏振次的试验曲线见图6～ 图9。

0204060801000

0.2

0.4

0.6

0.81

N/Nf U

0.20.40.60.8100.20.40.6

0.81

N/Nf U /U 0

图6 σ3= 100 kPa 时孔压与破坏振次比的关系 图7 σ3= 100 kPa 时孔压比与破坏振次比的关系

图8 σ3=200 kPa时孔压与破坏振次比的关系图9 σ3=200 kPa时孔压比与破坏振次比的关系

图6、图7 反映了不同破坏振次时孔压的变化情况, 从图中可以看出:孔压上升呈现一定规律性,表现为二次抛物线上升模式, 所有的趋势线都是由二次抛物线拟合，有很好的归一性,且拟合线与试验点位置偏差不大, 故认为拟合较为精确;对于破坏振次大的曲线, 后期孔压上升迅速, 最终产生液化的可能性也就越大。对于孔压模型, 早先最典型的为Seed[8]在等压固结不排水动三轴试验基础上提出的关系, 为：

' 0

1/2 2

arcsin(

l

u N

N θ

σπ

=（6）

式中θ为试验参数, 取决于土类和试验条件。在大多数情况下，可取θ=0.7；N l为液化破坏是的振动周数；以后对此模型很多学者都进行过修正。

6. 结论

本文依据大同地区粉土的动力试验数据, 对粉土的动力特性进行了全面的分析, 得到了该粉土动剪切模量比一般砂性土要高，阻尼比较一般砂性土小。并对动强度和孔隙水压力进行分析得出了与试验曲线相吻合的公式,其中抗液化强度与液化振次之间的关系可以用乘幂函数来表示,振动孔隙水压力的发展规律可以用二次抛物线函数拟合。利用这些关系方便以后对相关问题的分析。由于试验对一种土样进行了分析, 只反映了该种土样的情况, 故需对不同土样作进一步的试验研究, 以求得出适用范围更广的结论。

参考文献

[1].石兆吉,郁寿松,王余庆．饱和轻亚粘土地基液化可能性判别[J]．地震工程与工程振动, 1984,4(3)：71-81．

[2].刘雪珠,陈国兴．粘粒含量对南京粉细砂液化影响的试验研究[J]．地震工程与工程振动, 2003,23(3)：150-155．

[3].阮永芬,巫志辉．饱和粉土的若干动力特性研究[J]．岩土工程学报, 1995,17(4)： 100-106．

[4].黄 博,陈云敏,殷建华．粉土的动力特性及液化势研究[J]．工程勘察,2001, (2)：7-17．

[5].王翠莲,史三元．取样扰动对饱和粉土动力特性的影响[J]．河北建筑科技学院学报, 2003,17(4)：53-55．

[6].俞炯奇,郑君,姜朴． Hardin-Drnevich模型的修正[J]．浙江水利科技,2002,（4）：87-88．

[7].Seed,H.B.,Idriss,I.M．Soil Moduli and Damping Factors for Dynamic Response Analyses[R]．EERC,Report No.0-10,U.C.Berkely,Calif.1970．

[8].谢定义．土动力学[M]．西安:西安交通大学出版社,1988．

Experimental study on dynamic property of typical soils

Wang Xufeng1, 2, Zhang Wei1, 2, Sun Aihua3

1. Key Laboratory of Ministry of education for Geomechanics and Embankment Engineering,

Hohai University, Nanjing (210098)

2. Geotechnical Research institute, Hohai University, Nanjing (210098)

3. Administration Bureau of Project Construction of Water Diversion from the Yellow River in

East District of Shan Dong Province, Laizhou (261400)

Abstract

In the paper, through analyzing the test results of free vibration column and dynamic triaxial apparatus on silt soil in Datong, and by comparison with the variation range of G/Gmax~γ and λ~γ curves of sand and saturated clay recommended by Seed and Idriss(1970), testing results show that dynamic shear modulus ratio G/Gmax of silt is higher than that of general saturated sand, However, its damping ratio is lower than saturated clay. The relation-ship between liquefaction resistance of silt and cyclic number may be expressed with power function, and its developing regulation of dynamic pore water pressure can be fitted with quadratic parabola function. In addition, on the base of local project experience, it has provided a reference for the project’s design and construction.

Keywords: dynamic shear modulus; damping ratio; liquefaction resistance; dynamic pore water pressure