（地质工程专业论文）黄土的动变形特性及土层的地震动反应分析研究.pdf

摘要 黄土是一种特殊土，它在我国分布较广，尤以我国西北地区的黄土地层最厚，最完 整。我国西北黄土地区地震活动频繁，是我国大震多发区之一，在目前西部大开发正在 大范围的进行的背景下，研究黄土的动力性质就显得越来越重要。本文沿用了土动力学 研究的一般思路，通过西安地区野外调研并取样，运用定的方法，控制含水量为8 、 1 2 、1 6 ，控制湿密度为1 4 9 e r a 3 1 6g e m31 8g e m3 制成中3 9 1 8 0l l g l l 的土样， 利用长安大学岩土工程开放实验室的w 3 z - _ 2 0 型微机控电液伺服土动三轴试验机，在 不同的固结围压、固结应力比、振动频率和振动波形下进行动三轴实验，来探讨西安地 区黄土的动本构关系( 主要是动应力动应变关系) 、动弹性模量和阻尼比随以上不同 因素的变化规律。实验结果研究表明：动应变随着动应力的增大而增大，动应力较小时， 动应变随着动应力的增大而增大的趋势较为明显，当动应力达到一定值后，动应变随着 动应力的增大而增大的趋势开始变得缓和；含水量、湿密度、固结围压、固结应力比、 振动波形和振动频率是影响黄土动弹性模量和阻尼比的几个主要因素，并且随着含水量 和振动频率的减小，湿密度、固结围压和固结压力比的增大，动弹性模量逐渐增大。另 外，运用地震安全性评价软件e s e 和大型通用有限元软件m a r c 分别进行了土体的一维 和二维地震动反应分析，通过计算得出了土体的一维和二维地震动反应分析具有良好的 一致性的结论。 关键词：黄土、动力性质、动三轴试验、动弹性模量、阻尼比、地震动反应分析 a b s t r a c t l o e s si sas p e c i a ls o i l i t s p r e a d sa r o u n di nc h i n a ，e s p e c i a l l yt h el o e s si n t h e n o r t h w e s t e mr e g i o ni st h em o s tt h i c k e s ta n dt h em o s tc o m p l e t e i nn o r t h w e s tl o e s sa r e ai n c h i n a ，w h i c hi so n eo fc h i n a sq u a k e p r o n ea r e a s ，t h es e i s m i ca c t i v i t yi sf r e q u e n t i nt h e c u r r e n t ，a sl a r g e s c a l ed e v e l o p m e n to ft h ew e s t e r nr e g i o ni st h eb a c k d r o p ，t h es t u d yo ft h e d y n a m i cp r o p e r t yo fl o e s sb e c o m e sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t u s i n gt h eg e n e r a li d e af o rs o i l d y n a m i c s ，t h r o u g hf i e l di n v e s t i g a t i o na n ds a m p l i n gi nx i a l l ，i ns o m ew a y s ，i nc o n t r o lo f w a t e rc o n t e n tt o1 2 ，1 6 ，2 0 a n dw e td e n s i t yc o n t r o lt o1 4 9 c m 3 ，1 6g c m 3 ，1 8g c m 3 ，t h e a u t h o rm a k e st h eu n d i s t u r b e ds o i li n t o0 3 9 1x8 0 m ms o i l s a m p l e s ，t h e n u s et h e c o m p u t e r - c o n t r o l l e de l e c t r o - h y d r a u l i cs e r v ow 3 z - 2 0s o i ld y n a m i ct r i a x i a lt e s t i n gs y s t e mo f c h a n g a nu n i v e r s i t yg e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n go p e nl a b o r a t o r yt oc a r r yt h r o u g hd y n a m i c t r i a x i a lt e s ti nd i f f e r e n tc o n s o l i d a t i o nc o n f i n i n gp r e s s u r e ，c o n s o l i d a t i o ns t r e s sr a t i o ，v i b r a t i o n f r e q u e n c ya n dv i b r a t i o nw a v es h a p et od i s c u s st h el a w so ft h el o e s sd y n a m i cc o n s t i t u t i v e r e l a t i o n s h i p ( m a i n l yt h es t r e s s - s t r a i nr e l a t i o n ) d y n a m i ce l a s t i cm o d u l u sa n dd a m p i n gr a t i o c h a n g i n gw i t hd i f f e r e n tf a c t o r sa b o v e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w s ：t h es t r a i ni n c r e a s e s w i t ht h ei n c r e a s eo fs t r e s s w h e ns t r e s si ss m a l l t h et r e n do fs t r a i ni n c r e a s i n g 、i mt h e i n c r e a s eo fs t r e s si ss i g n i f i c a n t w h e nt h es t r e s sr e a c h e sac e r t a i nv a l u e ，t h et r e n db e g i n st ob e e a s e d w a t e rc o n t e n t ，w e td e n s i t y , c o n s o l i d a t i o nc o n f i n i n gp r e s s u r e ，c o n s o l i d a t i o ns t r e s sr a t i o ， v i b r a t i o nf r e q u e n c ya n dv i b r a t i o nw a v es h a p ea r et h es e v e r a lm a j o rf a c t o r sw h i c hi n f l u e n c e o v e rd y n a m i ce l a s t i cm o d u l u sa n dd a m p i n gr a t i oo fl o e s s w i t hw a t e rc o n t e n ta n dv i b r a t i o n f r e q u e n c yd e c r e a s i n go rw e td e n s i t y , c o n s o l i d a t i o nc o n f i n i n gp r e s s u r ea n dc o n s o l i d a t i o ns t r e s s r a t i oi n c r e a s i n g ，d y n a m i ce l a s t i cm o d u l u si sg r a d u a l l yi n c r e a s i n g i na d d i t i o n ，t h es e i s m i c s a f e t ye v a l u a t i o ns o f t w a r ee s ea n dt h el a r g eg e n e r a l p u r p o s ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r em a r ca r e s e p a r a t e l ym a n a g e dt oc a r r yo u tt h ea n a l y s i so f o n e - d i m e n s i o n a la n dt w o d i m e n s i o n a ls e i s m i c d y n a m i cr e s p o n s ef o rs o i l t h r o u g hc a l c u l a t i o n ，t h ec o n c l u s i o nt h a to n e d i m e n s i o n a la n d t w o d i m e n s i o n a ls e i s m i cr e s p o n s ed y n a m i ca n a l y s i sf o rs o i la r ec o n s i s t e n ti sm a d e i i k e yw o r d s ：l o e s s ；d y n a m i cn a t u r e ；d y n a m i ct r i a x i a lt e s t i n g ；d y n a m i ce l a s t i cm o d u l u s ； d a m p i n gr a t i o ；s e i s m i cd y n a m i cr e s p o n s ea n a l y s i s i i i 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 论文知识产权权属声明 ff d 月髟日 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 嘲年6 只留b 一年刍具骊 长安大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 黄土古称“黄壤”，是一种多孔隙、弱胶结的第四纪沉积物【l 】。其颜色为灰黄、棕黄 甚至棕红色，颗粒成分以粉粒为主，质地均匀，无层理，垂直节理发育。它广泛分布于 亚洲、欧洲、北美和南美洲等地，面积约1 3 x1 0 6 k m 2 ，约占地球陆地总面积的9 8 ，主 要涉及中国的华北和西北地区、俄罗斯的西伯利亚南部、乌兹别克和高加索等地、法国 中部和北部、德国中部和南部( 尤其是莱茵河流域) 、乌克兰、波兰、匈牙利、罗马尼 亚、墨西哥北部、美国的中东部( 密西西比河上游) 、阿根廷和新西兰等许多国家【2 1 。黄 土在我国分布较广，覆盖面积约为6 4 万平方公里，占国土总面积的6 6 ，是世界上分 布最广泛的地区，其主要分布在华北和西北地区，尤以我国西北地区的黄土地层最厚， 最完整【引。 对于黄土的研究，国外的前苏联、东欧国家和美国起步较早，但多偏重于黄土湿陷 特性、水土流失规律的研究，而对黄土其他工程性质则研究较少。在我国，前些年由于 受科学技术和经济发展水平的制约，对于黄土工程性质的研究主要集中在静力方面。近 年来随着科技和经济飞速发展，对黄土工程特性的研究还局限于静力方面已远远不能满 足工程建设的要求，另外，黄土的工程性质这样一个大课题本身的发展也迫切要求对黄 土的动力特性展开研究。黄土是一种特殊土，原因是其结构性、欠压密性、非饱和性以 及由此而表现出的各向异性和对水作用的特殊敏感性1 4 1 。据史料记载，1 3 0 3 年山西洪洞 发生8 级地震，1 5 5 6 年陕西渭南华县发生8 级地震，使处于黄土地区的华县裂缝遍地， 某些地方更是下沉1 米多，造成无数民房倒圳5 1 。1 9 2 7 年甘肃古浪发生8 级地震1 2 j ；1 9 2 0 年1 2 月2 6 日宁夏海原8 5 级地震时，“海原县城，半城塌科6 】，；1 9 5 5 年7 月2 2 日，甘 肃省永登县境内发生5 8 级地震，在度区和度区内，黄土酥裂沉陷，斜坡失稳，普 遍产生了滑坡、崩塌【7 】；1 9 8 9 年1 月2 3 日，在前苏联塔吉克斯坦共和国杜尚别市郊的 吉萨尔村发生了一次5 5 级地震。在这次地震中缓斜坡丘陵地带风化黄土层中发生了广 泛的液化，造成了一系列伴有大规模泥流的大规模滑坡。滑坡将1 0 0 多栋房屋埋在5 m 厚的泥土中，约有2 2 0 名村民在泥流中丧身或失踪。这种液化的原因被归结为在过去的 岁月里因灌溉而被湿化了的多孔黄土状粉土的湿陷性，由于附加的地震动作用引起黄土 结构的完全崩溃而导致的【8 】。以上表明地震对黄土的影响表现主要有两方面：一方面是 1 第一章绪论 振陷，这是由于黄土的结构的特殊性，黄土具有明显架空孔隙结构，颗粒间的胶结很微 弱，强度很低，一旦受到地震作用，大孔隙架空结构就会产生崩溃性破坏，产生急剧增 长的残余变形，在宏观上则呈现土层的突然性沉陷；另一方面是液化，对于轻质黄土在 饱和状态，当静应力较低，动荷较大时，由于动荷引起黄土结构迅速破坏导致孔压急剧 上升而出现液化现象1 9 】。因此，从黄土地区已发生的震害和潜在的地震带来的严重后果 来看，对黄土动力特性的研究必将成为黄土工程性质这个课题中很重要的一部分。 我国黄土动力特性的研究始于七十年代末八十年代初，至今也不过二十年的时间。 这期间我国西北地区的一大批专家学者进行了大量的工作，取得了许多科研成果。随着 经济和科技的发展，中国黄土动力学发展的较快，特别是近十年来，计算技术、量测技 术的发展将黄土动力学发展推到了一个新的阶段。对于黄土动力学的发展，应在已有大 量研究成果的基础上，以预防和减轻黄土地质灾害为宗旨，从土动力学、工程地震学、 岩土工程学以及土壤微结构学和电化学等多学科角度，采取典型震害现场调查、室内和 现场试验、理论分析计算和工程应用合理简化相结合的技术路线，开展基础理论研究和 工程应用研究，为黄土地基抗震和工程性防灾对策提供科学与技术方法。 1 2 黄土动力特性研究的目的、内容及现状 1 2 1 黄土动力特性研究的主要目的 黄土动力特性研究的主要目的是： 1 从历史上看，黄土地区一直是我国地震活动相对活跃、强度较大的地区之一。我 国西北黄土地区地震活动频繁，是我国大震多发区之一，根据全国加速度区划图预测， 西北黄土地区的一些大中城市，例如西安、兰州等市都属于0 2 0 9 区【1 0 1 。黄土地区的1 2 个省会城市已成为人口、经济的高度发展区，其余大部分区域为中度发展区。另外，黄 土地区曾是中华民族的发祥地之一，很多大、中城市以及一些大型工矿企业、交通干线 和水利枢纽都分布在这一地区。 2 随着国家经济建设重点向中西部的战略转移，黄土地区将成为开发中、西部的基 地和主战场。因此，大力开展黄土地震灾害的综合预防与减轻技术研究，不仅是一项重 大的战略性科技项目，而且对中、西部经济建设和社会发展具有深远和现实意义。 3 研究黄土动力特性是研究地震滑坡、振陷和饱和黄土液化的基础性工作。然而， 在我国的有关建筑法规中，尚未考虑这三种震害。从而使得对黄土地区岩土震害的预防 2 长安大学硕士学位论文 能力较差。另一方面，近年来对黄土地震滑坡、振陷和液化的实例研究和室内试验研究 成果已经促使越来越多的工程师、科学家和土地规划者开始在具体工程建设和国土规划 中考虑这一问题。但黄土动力特性的基础研究成果要被工程部门直接广泛地应用于实际 工程中尚有一定困难。因此，迫切要求科研工作者能够提供黄土地震灾害的定量预测结 果和抗震设防技术与标准，以便能够纳入有关法规中实施。 4 黄土动力特性的研究是黄土地震灾害区划研究的基础，黄土地震灾害区划既是我 国防震减灾国士规划个重要组成部分，也是国际地震岩土灾害区划的一个重要组成部 分，具有重大的社会效益和经济效益。 5 黄土动力特性的研究对保持我国在这一研究领域的国际领先水平具有重要的推动 作用，是开创与国际土动力学和岩土地震工程学最新发展趋势相吻合的前沿性的基础工 作。因此，本项目的研究及具有理论意义，又具有实际地工程意义。 1 2 2 黄土动力特性研究主要内容 土动力特性主要研究三个方面的内容：土的动本构关系( 包含动力特性参数动模量、 阻尼比) ：土的动强度和液化特性( 含孔压) ；土的动变形特性【i l 】。黄土动力特性的研究也 遵循这个思路。不过由于特殊的大孔隙结构，黄土在水这种广义静荷载作用下具有湿陷 特性，在动荷载作用下，黄土会发生振陷。因此黄土动力特性主要研究黄土的动本构关 系；黄土的动强度和液化特性；黄土的动变形和振陷特性。 1 2 3 黄土动力特性研究的发展状况及主要成果 国外对黄土动力特性研究的较早，对它的研究源于土在动力作用下抗剪强度的研 究。在2 0 世纪3 0 年代，随着机器制造业和交通运输业的蓬勃发展，人们开始研究动力 机器和交通车辆等振动作用下地基的动力特性；第二次世界大战后期原子武器的出现和 使用，巨大爆炸力对岩土工程安全的影响引起了关注，随着原子工业的发展，人们开始 研究在爆破作用下的土动力性质；从1 9 4 6 年1 2 月1 6 日至1 9 4 8 年6 月3 0 旧，哈佛大 学的研究选择“加荷时间 为标志冲击力加载速率的一个物理参变量，研究了“加荷时 间”对土强度的影响。其后，麻省理工学院土木和卫生工程系土力学实验室从1 9 5 1 年7 月至1 9 5 4 年8 月继续对土在动力荷载下的行为进行了实验室研究，主要研究了“应变 速率 对土强度的影响 7 1 。s e e d 等( 1 9 5 5 年) 在研究车辆行驶重复荷载对公路路基土强度 和变形影响的工作中，开始采用了应力控制或重复加荷三轴压缩试验仪进行试验，以使 3 第一章绪论 试件轴向累积应变8 。达到某一定值( 例如5 ) ，并将此时的轴向重复加荷应力值仃，与相 应的重复n f 关系曲线作为评价土在重复加载作用下强度的标志。后来s e e d 又将此试验 方法推广应用于研究地震作用下土的强度问题。关于液化问题，早在1 9 3 6 年c a s a g r a n d e 采用直剪或三轴剪力试验进行研究，通过研究提出了“临界孔隙比 的概念。前苏联的 马斯洛夫采用圆筒振动液化试验来研究饱和砂的稳定性。1 9 9 0 年，日本i s h i h a r s 教授通 过对1 9 8 9 年苏联塔吉克5 5 级地震引起饱和黄土层液化进而形成大规模泥流的现场调 查，对饱和风成黄土液化实例进行了较详细的调查与报告。 中国黄土动力特性研究起步较晚，从五十年代开始研究，最早见著于钱家欢和姜朴 的振动作用下黄土的抗剪强度一文，较为广泛的研究始于7 0 年代末至8 0 年代初， 此后一段时期内的研究主要是围绕两条主线展开的。第一条主线，是应场地地震小区划 的需要开展的对黄土弹性模量、阻尼比、本构模型、剪切波速和地面脉动的研究；第二 条主线，是针对黄土地震滑坡、振陷和液化等地震岩土灾害所开展的研究。在第一条主 线上，谢定义、巫志辉和段汝文等( 1 9 7 9 , - - , 1 9 8 5 ) 在振动三轴仪上，对黄土在等幅正弦 循环荷载作用下的应力应变关系、强度、弹性模量和阻尼比作了大量的研究，取得了颇 有价值的成果【1 4 1 。王兰民、王峻等( 1 9 9 1 - - 1 9 9 4 ) 对随机地震荷载作用下黄土的动本 构模型、弹性模量、阻尼比和动强度进行了较广泛的研究，并对不同地震荷载下的黄土 动力参数进行了对比试验研究【1 5 】。石玉成等( 1 9 9 7 ) 总结了中国西北黄土剪切模量和阻 尼比的特征。李藩文、孙崇绍等( 1 9 8 6 , - 一1 9 9 8 ) 建立了黄土剪切波速与深度的定量关系 【1 6 1 。孙崇绍、林学文等( 1 9 8 1 1 9 9 0 ) 对黄土场地脉动特征进行了研究，给出了黄土地 区一些大中城市的地脉动分区。所有这些研究，都为黄土地区大、中城市地震小区划提 供了大量的重要资料。在第二条主线上，朱海之、张振中等( 1 9 8 6 1 9 9 5 ) 对1 9 2 0 年 海原8 5 级地震引起的大规模黄土地震滑坡进行了现场调查研究。刘百篪等( 1 9 8 4 ) 对 1 7 1 8 年通渭地震和1 6 5 4 年天水地震引起的大面积黄土滑坡进行了航片判读。陈丙午等 ( 1 9 8 7 ) 研究了黄土场地的地震工程地质问题，并提出了相应的评估方法。阮爱国等 ( 1 9 9 2 ) 对中国西北黄土地区的地震动衰减规律进行了研究。巫志辉、何光等( 1 9 9 0 - 1 9 9 5 ) 研究了原状黄土增湿和浸水时的振陷特性【1 7 】【1 引。王兰民等( 1 9 9 1 , - - , 1 9 9 3 ) 提出了 随机地震荷载作用下黄土地震滑坡、液化和振陷量的预测方法。邹谨敞等( 1 9 9 4 - - 1 9 9 6 ) 对古浪一海原地区滑坡分布规律进行了模糊综合评判。孙崇绍等( 1 9 9 5 ) 对我国黄土地 区的烈度衰减规律和地震滑破崩塌地质灾害的发育分布特征进行了研究1 2 】。 4 长安大学硕士学位论文 近年来取得的主要研究成果有： 1 由于黄土结构对水作用的特殊敏感性，即水敏性，根据起始含水量一般将黄土划 分为干型黄土( 力 c o s ) 、湿型黄土( 魄 缈 吼) ( c o s 为缩限含水量， c o l 为液限含水量) ，三种类型的黄土动本构关系、动强度、动变形有明显的差异【1 3 1 1 4 】。 干型黄土动本构关系为直线型，破坏应变范围内的动模量为常数，动强度由抗拉强度控 制，属脆性断裂破坏，且破坏出现在拉半周，大小随的增大而增大，强度指标由拉 半周摩尔圆的公切线求得，与静强度相比要小得多。固结压力比的影响不大，由振密引 起的振陷很小。湿型黄土的动本构关系呈双曲线型，曲线受不同含水量影响较小，有较好 的归一性，动强度呈塑性压剪破坏。固结压力比的影响视其是否能引起黄土结构强度的 破坏，而使动强度随应力比的增大发生增大或减小。振密变形受到起始静应力的影响， 并随动应力的增大而增大，存在一个不发生明显变形的临界动应力。饱和黄土的动本构 关系也是双曲线型，但因其具有高湿度、低密度和弱结构强度而发生较大的动变形，表 现出较小的动强度，可能会出现动孔压大幅度增长，甚至表现出类似于砂土的液化现象 1 9 l o 2 黄土的动力试验中，试样的高径比取2 - - 1 5 为宜，试样的两端应与活塞和底座 相粘接( 动应力大于轴向固结围压时) ，试样的破坏宜取屈服标准，试样初始含水量的控 制宜用滴水转移法，作用的不规则动荷不宜做简单的往返应力等效处理【2 0 】 2 1 】。 3 黄土的动变形随动应力、静应力和水这种广义静荷载或广义应力的先后作用次序 有关，即黄土的动变形与广义应力路径有关。当动应力作用于已受静压作用( 或增湿作 用) 的黄土上时，如此动应力尚不足以引起这种土的强度破坏，则动应力所引起的动变 形与已产生的压缩变形和其后的湿陷变形之和( 或增湿变形与其后的压缩变形之和) 仍将 限定在初始含水量下的黄土在力和水作用下压缩与湿陷变形的总和之内，且动应力愈 大，这一部分动变形也愈大，使后继的增湿变形( 或压缩变形) 减小。否则，如动应力足 以引起土试样的破坏，则动应力的作用将使总的变形增大，并为后继的湿陷变形( 或压 缩变形) 提供更有利的条件。在总的变形中，或者以湿陷变形为主( 初始含水量较低时) ， 或者以动变形为主( 初始含水量较高时) 。当增湿和水共同作用时，不仅动变形会增大， 而且变形稳定的时间会大大缩短。 4 黄土的振陷是一个具有实际意义的重要特性，其大小与动荷载的作用相对于静荷 5 第一章绪论 载和浸水作用的先后有密切关系。动荷、静荷与浸水作用分别引起黄土的振陷变形、压 密变形与湿陷变形。它们之间的相互影响反映了动力、静力和水不同作用路径的影响。 当动应力较大时，如果黄土的振动发生在浸湿之后，浸湿所未完成的湿陷量，或部分或 全部地为振陷所代替。当动应力相对较小时则将发生超过最大湿陷量的附加振陷。如果 黄土的振动发生在浸湿之前，振陷只能在动荷增大到某一临界动应力后才能出现，且随 着动应力的增大而增大。临界动应力随黄土的含水量增大而减小，振陷临界动应力与含 水量的关系曲线可以作为判断振陷发生的标准。振陷的发展将使其后浸湿时的湿陷量相 应减小。动应力较小时振陷与湿陷的总量仍以最大湿陷量为限，动应力较大时因侧向变 形的发展或破坏而出现超过最大湿陷量。影响黄土振陷量的主要因素为含水量、固结围 压、动应力、振动次数等。振陷临界动应力和临界含水量关系曲线可作为判别振陷发生 ( 临界振陷系数坑为0 0 1 5 ) 的标准。黄土的振陷和湿陷分别以振和湿作为诱发因素，使 黄土的结构破坏而发生的沉陷。黄土的湿陷量随起始含水量的增大而减小，随静应力的 提高而增大，而黄土在一定动应力下的振陷量却随起始含水量的增大而增大，随静应力 的提高而减小。因此在黄土的振陷系数和湿陷系数之间存在着一定的经验转换关系，这 种经验关系的寻求使得利用湿陷系数来预估一定振次和动应力下的振陷系数成为可能 1 2 2 o 5 不同类型的黄土，其破坏标准不一样。干型黄土的破坏标准取黄土试样发生脆性 破坏时的动应力所对应的应变，湿型黄土的破坏标准取应力应变曲线明显转折处的应力， 饱和黄土液化破坏标准为：t = o 7 或o 2 仃： 条件下的动弹性模量动应变关系； 4 不同固结压力比条件下的动弹性模量动应变关系； 5 不同波形条l 1 下的动弹性模量动应炎关系； 6 不同频率条件下的动弹性模量，一动应变关系： 长安大学颂上学位皓文 利用以上的关系曲线术探讨往以上不同凼紊条件的动弹性模量动应变关系曲线 的变化趋势，计结合相关理论对其进行解释和分析。 3 3 1 动弹性模量动鹰变曲线与含水量的关系 图38 为不同含水量时，动弹性模量一动j 谴变变化关系图。甫图可见，对同一含水量， 动弹性模量随着动应变的增人而减小，但是随着动应变的增人，这种趋势越来越弱，当 动应受达到一定程度时，动弹性模量将不再随着动应变的增加而变化，而是保持一定的 数值，这是因为发生了振密效应，土层振密以后就变成了弹性结构。另外对同动应 变，动弹性模量随含水量的增大而减小，这主要是因为含水量增加，上层的孔隙水压力 言 善 目 盥 鲢 掣 拳 需 00204060 8l 动应变8 ( ) 圈3 8 动弹性模量动应变曲线与古永量的变化关系圈 增大，而有效应山减小于是土层的强度减小，黄土的结构将坐搿越来越“脆弱”，要 其发生一定的动应变需要的动应力就会相对较小，在一定动应力的作用下变肜也就变得 相对较大些，这样上的动弹性模量将相对较小。并且含水量为1 2 和含水量为1 6 的动 弹性模量询应变变化天系曲线离的较近，而含水景为8 的曲线别离含水晕为1 2 的较 远，说明对同一动应变，动弹性模量随含水量的增大而减小的速度在减小。从曲线形态 柬看，高含水量时界限动应变较小，表叫高含水量时由于土颗粒的相对运动比较容易 仵动应力作用下塑性应变发展更快，而低含水量时，土颗粒之问的运动比较用难塑性 腑变发展相对较慢。 3 3 2 动弹性模量动应壹曲雏与涅密度的关系 图39 为不同湿密度时，动弹性模量动应变变化关系图。山图可见，对同一湿密度， 动弹性模量随着动应变的增大而减小，但是随着动应垒的增大，这种趋势越来越弱，当 动应变达到定程度时，动弹性模量将不再随着动应变的增加而变化，而是保持一定的 蚕；姗娜姗瑚脚j 第三章压实黄上动三轴试验成果分析 数值，这同样足因为土层的振密效应。对同一动应变，动弹性模量随湿密度的增大而增 大，这是因为湿密度增加，土层将变得更加密实，要使其发生一定的动应变所需的动应 力相对较大同样在一定动应力的作用下发生的动应变也相对较小，也就是土层的动弹 性模量相对较大。另外，湿密度为1 4 c m 3 和湿密度为1 6 c m 3 的动弹性模量动应变 变化关系曲线离的较近，而湿密度为l8 9 把m 3 的曲线则离湿密度为16 c m 3 的较远说 明对同一动应变，动弹性模量随湿密度的增大而增大的速度在增大。 动应变e ( ) 田3 9 动弹性模量动应变曲线与湿密度的变化关系圈 3 3 3 动弹性模动应壹曲线与固结圈压的关系 图31 0 为不同固结围压时，动弹性模量动应变变化关系图。由图可见，对同一固 结围压，动弹性模量随着动应变的增大而减小，但是随着动应变的增大，这种趋势越来 2 5 0 重2 0 0 蛊1 5 0 篓1 0 0 暮5 0 o m = 1 2 ，pd = 1 6 9 c m 3 ，k c = 1 0 ，正弦波，f = i h z l ，一 ! 塑唑堕【 动应变e ( ) 图3 1 0 动弹性橇量动应变曲垅与圈结屋压的变化关系圈 越弱，当动应变达到一定程度时，动弹性模量将不再随着动应变的增加而变化，而是保 持一定的数值，这同样是因为土层的振密效应。对同一动应变，动弹性模量随同结围压 的增大而增大，这是因为固结尉压增大土层的侧向压力增大，于是在轴向方向对土层 产生一定的拉伸作用，要使土层发生一定的动应变将需要较大的动应力，而在一定动应 2 4 蛐卯o 。酽。札虮豪蒋 长安大学顾上学位论文 力作崩下发牟的动应变也相对较小即土层的动弹性模量相对较大，另外，固结围压为 l o o k p a 和固结围压为2 0 0 k p a 的动弹性模量一动应变变化关系曲线离的较近，而固结围压 为3 0 0 k p a 的曲线则离倒结嘲压为2 0 0 k p a 的较远，说明对同一动应变，动弹性模量随同 结用压的增大而增大的速度在增大。 3 3 4 动弹性模量动应变曲线与固结压力比的美系 图31 i 为不同固结压力比时，动弹性模量动应变史亿关系爵。山图可见对同一 固结压力比，动弹性模量随着动应变的增大而减小，但是随着动应变的增大，这种趋势 越来越弱，当动应变达到一定程度时，动弹性模量将不再随着动应变的增加而变化，而 是保持一定的数值这同样是因为上层的振密效应。对同一动应变，动弹性模量随固结 压力比的增人而增人，这主要是因为同结应力比增人，稿个土层作用力增人，要使其发 生一定的动应变，就必须在原来握力的基础上增加更大的压力，而在一定动应力作用下 发牛的动应变也就相对较小这样导致士层的动弹性模量也相对较大，由圈可见，固结 压力比为1 0 和吲结压力比为15 的动弹性模量动应变变化关系曲线离的较近，而崮结 压力比为2 0 的曲线则离固结压力比为15 的较远，对同一动府变，动弹性模量随固结 压力比的增人而增人的速度在增人。 u = l 烈，pd = 1 6 9 e m3 ，o3 = 2 0 0 k p a ，正弦波，f = l h z 墓3 0 0 12 5 0 赢2 0 0 鞘1 5 0 蓑1 0 0 需5 0 圈3 1 1 动弹性蕞量动应变曲垃与局继压力比的变化关系图 3 3 5 动弹性棰量动应变曲线与撮动频率的美景 罔31 2 为不同振动频率时，功弹性模量一动应变变化关系罔。由罔可见，对同一振 动频率，动弹性模量髓着动应变的增大而减小，但是随者动应变的增大，这种趋势越来 越弱，当动应受达到一定程度时，动弹性模量将不再随着动应变的增加而变化，而楚保 持一定的数值，这同样是因为土层的振密效应。对同一动应变，动弹性模量髓振动频率 第三章压实黄土动三轴试验成果分析 的增大而减小原因是振动频率增大，一定时间内的振次将会增大，这样将会出现振次 效应，于是土层的强度降低，要使其发生一定的动应变所需要的动应力较小，同样在一 定动应力作用下发生的动应变也就相对较大，这样土层的动弹性模量也就相对较小。 u = 1 2 ，pd - i6 9 c m 3 o3 = 2 0 0 k p a ，k c = 1 0 ，正弦 黧 熟i s o 0 02 0 40608 动应变e ( ) 圈3 1 2 动弹性筷量动应变曲拽与瓤率的变化美景田 3 3 6 动弹性模动应变曲壤与振动菠形的美蕞 国31 3 为不同振动波形时，动弹性模量嘞应变变化关系图。由图可见，对同一振 动波形，动弹性模量随者动应变的增大而减小，但是随着动应变的增大，这种趋势越来 越弱，当动应变达到一定程度时，动弹性模量将不再随着动应变的增加而变化，而是保 持一定的数值，这同样是因为土层的振密效应。另外三角波的动弹性模量一动应变变 化关系曲线在最上面，其次是方波的动弹性模量一动应变变化关系曲线而正弦波的动 弹性模量一动应变变化关系曲线则在最下面。 3 5 0 。2 1 2 dd 2 l _ 6 9 c m 3 。3 = 2 0 0 k p a ，k 。：! ：! ，生! 生 3 4 阻尼比 3 0 0 2 5 0 2 0 0 1 5 0 1 0 0 5 0 o n4 0 608 动应变e ( ) 圈3 1 3 动弹性橇量动应变曲线与额宰的变化关系圈 阻尼比是土动力特性的一个重要指标，本文中用经典的面积比法确定试样的阻尼 2 6 o莹v捆爨掣莆蒋 长安大学硕士学位论文 比，即假定土为线弹性体，用振动循环荷载作用下一个周期内土层内所消耗的能量与作 用在土层上的总弹性能量之比来衡量土的阻尼比。方法是：根据每个振动周期的动应力 和动应变做出如图3 7 所的滞回圈曲线，然后根据下面公式计算阻尼比： ? = 去 ( 3 5 ) i t 1 肿 式中：4 滞回圈面积；4 三角形1 2 27 的面积。 本节依据试验所得原始数据，利用相关数据处理软件e x c e 及g r a p h e r 整理并绘制以 下几种不同类型的阻尼比动应变关系曲线： 1 不同含水量条件下的阻尼比动应变关系； 2 不同湿密度条件下的阻尼比动应变关系； 3 不同固结围压( o3 ) 条件下的阻尼比动应变关系： 4 不同固结压力比条件下的阻尼比动应变关系； 5 不同波形条件下的阻尼比动应变关系； 6 不同频率条件下的阻尼比动应变关系； 利用以上的关系曲线来探讨在以上不同因素条件的阻尼比动应变关系曲线的变 化趋势，并结合相关理论对其进行解释和分析。 3 4 1 阻尼比动应变曲线与含水量的关系 图3 1 4 为不同含水量时，阻尼比动应变变化关系图。可见，各个点较为分散，但 从图中还是能看出一定的规律的：对同一含水量，阻尼比随着动应变的增大而增大，但 是随着动应变的增大，这种趋势越来越弱，当动应变达到一定程度时，阻尼比将不再随 着动应变的增加而变化，而是保持一定的数值，这是因为动应变越大，土层内的能量耗 散越多，阻尼比就越大，而当动应变增加到一定程度时，能量的耗散将会变得越来越困 难，故阻尼比达到一定程度时就不再增加。由图可以看出，随着含水量的增大，阻尼比 动应变关系曲线随着含水量的增大而逐步偏向阻尼比轴。对应于任一动应变，阻尼比随 着含水量的增大而增大，这是因为含水量增加，土层的孔隙水压力增大，而有效应力减 小，于是土层的强度减小，黄土的结构将变得越来越“脆弱”，在一定动应力的作用下 变形也就相对大些，那么能量耗散也就较大，阻尼比也就相对较大。另外，含水量为1 2 和1 6 的阻尼比动应变关系曲线较近，而含水量为8 和1 2 的关系曲线则离得较远， 2 7 第三章压实黄土动三轴试验成果分析 这说明对应于任一动应变阻尼比随着含水量的增大而增丈的速度在减小。 。3 d0 2 丑 0 0n 10 2 啦旦0 4 0 5 ) h u = 1 2 = 1 6 动应变( ) 圈3 1 4 阻尼比动应变曲线与音水量的变化关幕田 3 4 2 阻尼比动应壹曲缝与灌密度的美系 图31 5 为不同湿密度时，阻尼比动应变变化关系图。由图可见，各个点也是较为 离散，但从图中还是能看出一定的规律的：对同一湿密度，阻尼比随着动应变的增大而 增大，但是随着动应变的增大，这种趋势越来越弱，当动应变达到一定程度时阻尼比 将不再随着动应变的增加而变化，而是保持一定的数值。这同样是由于能量耗散的缘故。 由图可以看出，随着湿密度的增大，阻尼比动应变关系曲线随着湿密度的增大而逐步 偏向动应变轴。对应于任一动应变，阻尼比随着湿密度的增大而减小，这是因为湿密度 增加，土层将变得更加密实，在一定动应力的作用下发生的动应变也相对较小能量耗 散也就相对较小，阻尼比也就较小。另外，湿密度为1 4 舻m 3 和1 6g 七m 3 的阻尼比 动应变关系曲线较近，而湿密度为18 9 蛔一和1 6 9 忙m 3 的关系曲线则离得较远，这说 明对应于任一动应变，阻尼比随着湿密度的增大而减小的速度在增大。 0 2 5 n2 刍o 1 5 墨ol o0 5 o “2 动应窭，( ) “6 “8 圈3 1 5 阻尼比动鹰变曲线与湿密度的变化关系田 长安大学硬士学位论文 3 4 3 阻尼比动应变曲线与同结圈压的关系 图31 6 为不同围压时阻尼比嘞应变变化关系图。由图可见各个点也是较为离 散，但从图中还是能看出一定的规律的：对同一围压，阻尼比随着动应变的增大而增大， 但是随着动应变的增大，这种趋势越来越弱，当动应变达到一定程度时，阻尼比将不再 随着动应变的增加而变化，而是保持一定的数值，这同样是由于能量耗散的缘故。由图 可以看出，随着围压的增大，阻尼比动应变关系曲线逐步偏向阻尼比轴。对应于任一 动应变，阻尼比随着围压的增大而增大，而对应于任一阻尼比，动应变随着围压的增大 而减小。另外，围压为3 0 0 i c p a 和2 0 0k p a 的阻尼比动应变关系曲线较近，而围压为 1 0 0k p a 和2 0 0 k p a 的关系曲线离得较远，这说明对应于任一动应变，阻尼比随着围压的 增大而增大的速度在减小，同样对应于任一阻尼比，动应变随着围压的增大而减小的速 度也在减小。 0 3 j 型坠上盟且生羔兰型地墨垫尝 02 5r _ 了- = = = 1 。o 2l 7 1 2 1 谶1 5i 。垂! 二二j 裹三j 00 5l 一 o ：j2 0 0 k p n 动应变e ( ) 圈3 1 6 阻尼比动应变曲线与圈压的变化关系圈 3 4 4 阻尼比动应变曲缝与同结应力比的关系 图31 7 为不同固结应力比时的阻尼比动应变变化关系图。由图可见，各个点也是 较为离散，但从图中还是能看出一定的规律的：对同一固结应力比，阻尼比随着动应变 的增大而增大，但是髓着动应变的增大，这种趋势越来越弱，当动应变达到一定程度时， 阻尼比将不再随着动应变的增) j n i 面变化，而是保持一定的数值，这同样是由于能量耗散 的缘故。由图可以看出，随着固结应力比的增大，阻尼比动应变关系曲线逐步偏向阻 尼比轴。对应于任一动应变，阻尼比随着圃结应力比的增大而增大，而对应于任一阻尼 比，动应变随着固结应力比的增大而减小。另外。固结应力比为2 0 和15 的阻尼比 动应变关系曲线较近，而固结应力比为1 o 和l5 的关系曲线离得较远，这说明对应于 任一动应变，阻尼比随着固结应力比的增大而增大的速度在减小，同样对应于任一阻尼 第三章压实黄土动三轴试验成果分析 比，动应变随着固结应力比的增大而减小的速度也在减小。 。黑 0 3 2 5 螫? j ： 01 o o ； 0 10 1 5 o 20 2 5 动应变e ( ) 田3 1 7 阻尼比动应变曲线与圈结应力比的变化关系图 3 4 4 阻尼比动应变曲线与擐动频率的美系 图31 8 为不同振动频率时的阻尼比 动应变变化关系国。由图可见，各个点也是较 为离散，但从图中还是能看出一定的规律的：对同一固结应力比，阻尼比随着动应变的 增大而增大，但是随着动应变的增大，这种趋势越来越弱，当动应变达到一定程度时， 阻尼比将不再随着动应变的增加而变化，而是保持一定的数值，这同样是由于能量耗散 的缘故。 d = 1 2 ，pd = l6 9 c m 3 ，o3 = 2 0 0 k p a ，k c = 1 0 ，正弦波 03 02 5 d02 奁01 5 理01 0 - 0 5 0 00 102030 40 50 607 动应力$ ( k e a ) 圈3 | 8 阻尼比动应变曲线与攘动期率的变化关系田 3 4 4 阻尼比动应变曲线与撮动波形的关系 图31 9 为不同振动波形时的阻尼比咱自应变变化关系图。由图可见，各个点也是较 为离散，但从图中还是能看出一定的规律的：对同一固结应力比，阻尼比随着动应变的 增大而增大，但是随着动应变的增大，这种趋势越来越弱，当动应变达到一定程度时， 阻尼比将不再随着动应变的增加而变化而是保持一定的数值，这同样是由于能量耗散 长安大学硕士学位论文 的缘故。另外，从图上可以看出正弦波的阻尼比动应变变化关系曲线位于最上面， 其次是方波的阻尼比动应变变化关系曲线，而三角波的阻尼比国应变变化关系曲线则 在最下面。 3 5 小结 03 0 2 5 一n2 善o 1 5 爱