非饱和黄土动力线性累计损伤特性的试验研究

1、1非饱和非饱和黄土动力线性累计损伤黄土动力线性累计损伤特性的试验研究特性的试验研究 邵生俊邵生俊 龙吉勇龙吉勇西安理工大学西安理工大学2007.112 1 绪绪 论论31.1、研究意义、研究意义 虽然虽然 Seed等人等人在这方面取得了卓有成效的研究成果。在这方面取得了卓有成效的研究成果。但是但是，他们的，他们的成果应用于结构性成果应用于结构性Q3黄土时需要进一步验证。黄土时需要进一步验证。同时同时，非饱和黄土具有显著，非饱和黄土具有显著的结构性，动荷作用下变形发展直至破坏的过程也是结构损伤发展的过程，的结构性，动荷作用下变形发展直至破坏的过程也是结构损伤发展的过程，考虑黄土的结构性，开展动变

2、形特性的研究具有重要的理论与实际意义。考虑黄土的结构性，开展动变形特性的研究具有重要的理论与实际意义。010203040t/s/kPa边坡的抗边坡的抗震分析震分析大坝的抗大坝的抗震分析震分析基础液化基础液化评估等评估等随机地震荷载随机地震荷载等幅循环荷载等幅循环荷载t/sd/kPa41.2 研究现状研究现状 早在早在1975年年Seed等人在研究饱和砂土抗震液化时，等人在研究饱和砂土抗震液化时，就应用线性累积损伤原理推得了等效循环次数的计算就应用线性累积损伤原理推得了等效循环次数的计算公式：公式： iiirefeqiiirefeqnNNnNnNn权重系数权重系数 为了为了得到这个权重系数，得到

3、这个权重系数， Seed等人对饱和砂土等人对饱和砂土的液化曲线用了的液化曲线用了.5 2001年年Green等人在深入分析累积损伤原理的基等人在深入分析累积损伤原理的基础上，提出了等效循环荷载的另一种计算方法，就是础上，提出了等效循环荷载的另一种计算方法，就是使土体遭受实际地震所吸收的能量与使土体遭受实际地震所吸收的能量与neq次等幅循环应次等幅循环应力作用下吸收的能量相等。他给出了计算等效循环次力作用下吸收的能量相等。他给出了计算等效循环次数的计算公式：数的计算公式： )1(cyclerefiieqn 2 非饱和原状黄土等效循环荷载非饱和原状黄土等效循环荷载 的随机振动分析的随机振动分析 2

4、.1 线性累积损伤原理线性累积损伤原理 1945年年Miner根据材料吸收净功的原理提出了疲劳线性累积损伤根据材料吸收净功的原理提出了疲劳线性累积损伤的数学表达式的数学表达式 ： 对于非等幅的循环荷载，对于非等幅的循环荷载， 这个原理表示为这个原理表示为 ： 或者或者 材料在破坏时有：材料在破坏时有： 因此，因此， 此式即为线性疲劳累积损伤方程式，即此式即为线性疲劳累积损伤方程式，即Miner定律。定律。 6111WNnmmmNnNnNnWWW221121miiimiiNnW11niiW111niiiNn（等幅）7miiWD1由线性累积损伤原理得：由线性累积损伤原理得：miiiNnD1 若将变

5、幅往返荷载下构件的损伤等效为幅值为若将变幅往返荷载下构件的损伤等效为幅值为Sref、振次、振次为为neq的等幅循环荷载作用下的损伤时，的等幅循环荷载作用下的损伤时，neq的计算式很容易由的计算式很容易由上式得到：上式得到： DWNnNniiiiirefeqDNWNNnNnrefiirefiiirefeq参考应力参考应力破坏振次破坏振次荷载引起荷载引起的损伤的损伤2.2 线性累积损伤原理对原状黄土的适用性分析线性累积损伤原理对原状黄土的适用性分析 81)加荷时吸收的能量加荷时吸收的能量 和破坏时吸收的总能和破坏时吸收的总能 量量W与加荷的频率无关与加荷的频率无关2)破坏时吸收的总能量破坏时吸收的

6、总能量W与加荷的幅值无关与加荷的幅值无关3)损伤的累积与加载进程呈线性关系损伤的累积与加载进程呈线性关系 (1)对总能量的分析对总能量的分析 0100200300200300400500600d/kPaW/kJ含水量15%，围压100kPa含水量15%，围压200kPa含水量15%，围压300kPa0204060100200300400d/kPaW/kJ含水量18%，围压100kPa含水量18%，围压200kPa含水量18%，围压300kPa901020300100200300400d/kPaW/kJ含水量21%，围压100kPa含水量21%，围压200kPa含水量21%，围压300kPa05

7、101520250100200300d/kPaW/kJ含水量24%，围压100kPa含水量24%，围压200kPa含水量24%，围压50kPa100100200300050100150200250300350400d/kPaW/kJ含水量15%，围压100kPa含水量15%，围压200kPa含水量15%，围压300kPa含水量18%，围压100kPa含水量18%，围压200kPa含水量18%，围压300kPa含水量21%，围压100kPa含水量21%，围压200kPa含水量21%，围压300kPa含水量24%，围压100kPa含水量24%，围压200kPa含水量24%，围压50kPaw=15%

8、w=18%w=21%w=24% 1105010015001002003004003c/kPaW/kJw=15%w=18%w=21%w=24%05010015010152025w/%W/kJ围压=100kPa围压=200kPa围压=300kPa单位土样耗能的平均单位土样耗能的平均值与固结应力的关系值与固结应力的关系 单位土样耗能的平均单位土样耗能的平均值与含水量的关系值与含水量的关系 (2)对累积损伤的分析对累积损伤的分析 R2 = 0.878300.811.2020406080n/次D围压= 1 00kPa围压= 2 00kPa围压= 3 00kPaw=15%R2 = 0.8

9、03400.811.20100200300400n/次D围压= 1 00kPa围压= 2 00kPa围压= 3 00kPaw=18%12miiWD1R2 = 0.948600.811.2050100150200n/次D围压= 1 00kPa围压= 2 00kPa围压= 3 00kPaw=21%R2 = 0.871500.811.2020406080n/次D围压= 1 00kPa围压= 2 00kPa围压= 5 0kPaw=24%3 非饱和原状黄土等效谐振荷载的能量分析非饱和原状黄土等效谐振荷载的能量分析 13)1(1cyclerefmiie

10、qnijjjdjdjii11121010020030040050010100100010000100000lgNfd/kPa围压=100kPa,随机荷载围压=100kPa,正弦荷载围压=200kPa，随机荷载围压=200kPa,正弦荷载围压=300kPa，随机荷载围压=300kPa,正弦荷载含水量=15%，kc=1.5050100150200250300350110100100010000lgNfd/kPa围压=200kPa,正弦荷载围压=200kPa,随机荷载围压=300kPa,正弦荷载围压=300kPa,随机荷载含水量=18%，kc=1.50100200300400110100100010

11、000lgNfd/kPa围压=100kPa,随机荷载围压=100kPa,正弦荷载围压=200kPa，随机荷载围压=200kPa,正弦荷载围压=300kPa，随机荷载围压=300kPa,正弦荷载含水量=21%，kc=1.50501001502000.1101000100000lgNfd/kPa围压=50kPa,随机荷载围压=50kPa,正弦荷载围压=100kPa,随机荷载围压=100kPa,正弦荷载围压=200kPa,随机荷载围压=200kPa,正弦荷载含水量=24%，kc=1.514 4 非饱和原状黄土动力损伤变形特性研究非饱和原状黄土动力损伤变形特性研究15 1dddEdddE2d2d（1）

12、动模量及阻尼比的损伤分析）动模量及阻尼比的损伤分析 0100002000030000400005000000.511.5DEd/kPa319314316围压=100kPa,kc=1.5,w=15%010000200003000040000500006000000.511.5DEd/kPa326328329围压=200kPa,kc=1.5,w=15%02000040000600008000010000012000000.511.5DEd/kPa377378380围压=300kPa,kc=1.5,w=15%010000200003000040000500006000000.511.5DEd/kPa

13、545556围压=100kPa,kc=1.5,w=18%1601000020000300004000050000600007000000.511.5DEd/kPa125138141142围压=200kPa,kc=1.5,w=18%02000040000600008000010000012000014000000.511.5DEd/kPa147148149165围压=300kPa,kc=1.5,w=18%动模量动模量00.400.511.5D319314316围压=100kPa,kc=1.5,w=15%000.511.5D326328329围压=200kPa,

14、kc=1.5,w=15%000.511.5D377378380围压=300kPa,kc=1.5,w=15%00.400.511.5D545556围压=100kPa,kc=1.5,w=18%17000.511.5D125138141142围压=200kPa,kc=1.5,w=18%000.511.5D147148149158165围压=300kPa,kc=1.5,w=18%阻尼比阻尼比（2）残余变形模量的损伤分析）残余变形模量的损伤分析 黄土的残余变形及残余变形模量的定义黄土的残余变形及残余变形模量的定义ddrrd2NNNi

15、19残余变形模量残余变形模量0200040006000800010000120001400000.511.5DEr/kPa319314316围压=100kPa,kc=1.5,w=15%150011000115001200012500100.511.5DEr/kPa326328329围压=200kPa,kc=1.5,w=15%0500010000150002000000.511.5DEr/kPa377378380围压=300kPa,kc=1.5,w=15%050010001500200000.511.5DEr/kPa545556围压=100kPa,kc=1.5,w=18%050010001500

16、200025003000350000.511.5DEr/kPa125138141142围压=200kPa,kc=1.5,w=18%0100020003000400000.511.5DEr/kPa147148149158165围压=300kPa,kc=1.5,w=18%20BAwWy = 28075443.20 x-4.60R2 = 0.990501001500102030w/%W/kJ围压=100kPay = 112370452.01 x-5.22R2 = 0.97020406080100051015202530w/%W/kJ围压=200kPay = 18305195.333 x-4.586R

17、2 = 0.9950204060800510152025w/%W/kJ围压=300kPa最小的相关系数为最小的相关系数为0.97破坏耗能的变化特性破坏耗能的变化特性 通过本文的研究，对非饱和原状黄土动力特性的有了一些新认识和结论，通过本文的研究，对非饱和原状黄土动力特性的有了一些新认识和结论，现将其总结如下：现将其总结如下： 5 结论结论破坏时吸收的总能量破坏时吸收的总能量W与加荷的幅值无关；与加荷的幅值无关；损伤的累积与加载进程呈线性关系损伤的累积与加载进程呈线性关系 它们对非饱和原状黄土是成立的。在假定加荷时吸收的能量和破坏时吸收它们对非饱和原状黄土是成立的。在假定加荷时吸收的能量和破坏时

18、吸收的总能量的总能量W与加荷的频率无关的前提下，线性累积损伤原理对非饱和原状黄土与加荷的频率无关的前提下，线性累积损伤原理对非饱和原状黄土也是适用的。也是适用的。 1、通过谐振荷载作用下非饱和原状黄土的动三轴试验结果，分析了线性、通过谐振荷载作用下非饱和原状黄土的动三轴试验结果，分析了线性累积损伤原理成立的两个假定：累积损伤原理成立的两个假定：22 5、在非饱和原状黄土动力损伤变形特性的研究基础上，将累积损伤与、在非饱和原状黄土动力损伤变形特性的研究基础上，将累积损伤与残余变形模量之间的关系用于等效粘弹性模型，可以在原计算基础上计残余变形模量之间的关系用于等效粘弹性模型，可以在原计算基础上计算出残余变形。算出残余变形。 2、利用、利用Green等人从耗能角度推出的等效谐振计算公式，对非饱和原状黄土等人从耗能角度推出的等效谐振计算公式，对非饱和原状黄土的等效循环荷载研究表明，这处理方法对非饱和原状黄土等效循环荷载的计算的等效循环荷载研究表明，这处理方法对非饱和原状黄土等效循环荷载的计算是可靠的。是可靠的。 3、动荷作用下非饱和原状黄土的破坏主要是残余变形增大引起的，动应变引、动荷作用下非饱和原