不同应力条件下砂土动模量特性的试验对比研究.docx

不同应力条件下砂土动模量特性的试验对比研究摘要：利用新研制的三轴—扭剪多功能剪切仪分别进行了竖向与扭转双向耦合剪切振动、振动三轴和振动扭剪等3种试验，采用内置于三轴室的轴力及扭矩双出力传感器和非接触式微小位移传感器测量荷载与位移，着重研究了均等固结条件下福建标准砂的动模量特性。试验结果表明：动力双向耦合试验在扭转方向和竖向的动模量与应变之间的变化规律分别与相同条件下的动扭剪、动三轴试验结果一致；归一化动模量与按照参考应变归一化后的应变比之间的关系不再依赖于初始固结压力、密度及应力路径；动三轴试验与动扭剪试验所得到的最大动剪切模量与初始固结应力之间的关系基本一致，与此相比，由动力耦合试验中扭转向振动分量所得到的结果偏高，由动力耦合试验中竖向振动分量所得到的结果又稍低。关键词：动力土工试验动模量复杂应力条件土的动模量是土动力学计算与分析的基本参数，一般采用共振柱仪、动扭剪仪或动三轴仪试验测定。由于试验设备的限制，对于在波浪荷载下所产生的轴向与扭转双向耦合剪切振动[1～4]，特别是在主应力轴连续旋转等复杂应力条件下，砂土在微幅应变条件下的变形特性及动力参数特别是复杂应力条件下与简单应力条件下砂土动模量特性之间的相互关系尚缺乏系统性的研究。本文利用最新研制的土工静力—动力液压三轴—扭剪多功能剪切仪分别进行了轴向拉压-扭转剪切双向耦合振动试验与普通动三轴试验、常规动扭剪试验等3种试验，采用内置于三轴室的轴力及扭矩双出力传感器和非接触式微小位移传感器测量荷载与位移，针对福建标准砂，着重在均等固结应力状态、3种不同循环应力条件下对动模量特性进行了试验研究。对不同初始固结应力和不同相对密度条件下的试验结果进行了对比研究，探讨了不同应力条件下所得到的动模量及其随应变的变化规律之间的相互关系。1试验设备与试验方法在大连理工大学“211工程”“海岸和近海工程”重点学科建设计划的支持下，由大连理工大学与日本诚研舍株式会社联合设计和研制，并由诚研舍制造的土工静力—动力液压三轴—扭剪多功能剪切仪[5]，既可进行普通的静力或动力三轴剪切试验和扭剪试验，也可完成独立控制竖向荷载和扭矩大小速率及其相位的静、动力轴向-扭转振动双向耦合剪切试验。控制方式包括应力控制与应变控制。固结条件包括均压固结、偏压固结、K0固结及内外室压力不等的复杂固结应力组合。图1土工多功能剪切仪主要构成示意整个试验系统由液压加荷系统(液压作动器和液压源)、主机系统、气-水转换系统(含空压机与真空泵)、模拟控制系统及计算机数字控制系统、数字记录系统等五部分组成，如图1所示。配备的传感器共有11个，分别用于测量竖向荷载、扭矩、竖向大幅值位移、竖向微幅位移、转角位移、微幅转角位移、内侧压力、外侧压力、试样体变、空心试样内腔体变、K0固结时试样外部体变等12项参数。其中在空心圆柱试样的双向耦合剪切试验中采用了双出力传感器，可同时测得轴向力与扭转力矩，并与竖向微幅位移传感器、微幅与大幅值两种角位移传感器一起置于三轴压力室之内。该设备配置有两套变形测试系统，一套为非接触式位移/转角传感器，最大量程分别为1.5mm、1.0°，主要用于测量微小竖向位移与角位移；另一套为接触式位移、转角传感器，最大量程分别为50mm、40°，主要用于测量大位移和大转角。本文主要是采用非接触式位移传感器进行试验研究探讨较小应变幅值条件下砂土的动力变形特性及相应动力变形参数。双向耦合试验与扭剪试验均采用空心圆柱状试样，试样外径与内径分别为100mm、60mm，高度为150mm；三轴试验采用实心圆柱状试样，试样直径为100mm，高度为200mm。经测定，试验中所采用的福建标准砂具有下列物理指标：颗粒比重为Gs=2.643；最大与最小干密度分别为ρdmax=1.74g/cm3，ρdmin=1.43g/cm3；最大与最小孔隙比分别为emax=0.848，emin=0.519；粒径组成特性参数为：d50=0.34mm，Cu=1.542，Cc=1.104。一般情况下试样的相对紧密度控制为30%，初始均等固结压力分别采用100、200、300kPa3种，此外为考虑试样初始密度的影响，还针对相对紧密度为60%、围压为100kPa情况进行了对比试验。采用分层干装方法制备砂样，并联合采用通加CO2、水头与施加反压等方法保证试样的饱和度达到95%以上。针对相同的试验条件，分别进行了普通循环三轴试验、常规循环扭剪试验和三轴-扭转循环耦合剪切试验。在循环剪切试验中采用应力控制方式施加循环荷载，循环轴向应力σz和循环剪应力τt均采用周期简谐循环荷载，在耦合试验中两者的相位差控制为90°，且循环轴向应力幅值之半σz/2与循环扭转剪应力幅值τt保持相等，从而保证耦合试验中的应力路径为圆形，以模拟波浪荷载在海床中所形成的主应力轴连续旋转的应力条件。循环荷载