| zhangba5705 |
2011-08-07 20:31 |
土体剪切模量和阻尼比的试验对比研究
0 前 言
动剪切模量和阻尼作为土动力特性的重要参数，是土动力计算和场地地震安全性评价中不可或缺的内容，动力计算所用的剪切模量Ｇ与阻尼比Ｄ都随剪应变γ的大小而变化。剪切模量Ｇ与阻尼比Ｄ在剪应变小于10-4时用共振柱三轴仪测试,剪应变大于10-4时用振动单剪仪测试[1]。目前国内对于剪切模量和阻尼比的对比试验研究较少，而且在通过试验研究土的最大动剪切量由于试验仪器、试样类型以及试验方法等的不同，所得到的结果存在一定差异，一些学者发现并讨论了这一现象[2]。阮元成[3]用DTC-158型共振柱仪研究了原状土和重塑土的Gmax；徐存森等[4]用Stokoe型扭转单剪仪和共振柱仪研究了试样直径不同、试样类型不同（实心空心）时所得动剪切模量的差异；蒋寿田等[5]应用共振柱和动三轴仪比较分析了不同仪器和不同方法所确定的动剪切模量之间的关系。但到目前为止，对共振柱与动单剪测定土的剪切模量和阻尼比的对比试验研究很少。本文通过比较分析由原状的黏性土样、扰动的粉土土样和砂样的共振柱试验和振动单剪试验所确定的动剪切模量和阻尼比，研究了剪应变大于10-4时的剪切模量和阻尼可以通过Hardin-Drnevich模型由共振柱试验结果拟合得到，此结果与振动单剪仪结果拟合较好,因此对于黏性土、粉土和砂都可以只做共振柱试验得到剪切模量和阻尼比。
1 试验土样和试验方法
1.1 试样
试验所用土样为原状的黏性土样,扰动的粉土和砂样，分别对以上土样进行了试验，同种土样的含水量和干密度相同。其中共振柱试验试样直径50mm，高100mm，在各向等压力下固结；动单剪试验试样直径61.8mm，高20mm，为Ｋ0固结。
1.2 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。
动单剪仪测定动模量和阻尼比是对k0状态下圆柱状土样在不同垂直压力下固结，施加水平方向的周期剪应力,直接得出试样的剪切模量和阻尼比。
2.试验结果比较及分析
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]:
式中γr为参考剪应变,参考剪应变由下式计算:
式中 为试样破坏时的最大剪应力,由下式计算[1]:
式中 —静止侧压力系数；
—竖向压力；
为最大阻尼比,一般取0.3;
为初始剪切模量,即剪应变为10-6时的剪切模量； 随试样的平均固结应力 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 得出(a为拟合参数,不同的土对应不同的值)，曲线拟合较好。分别对三种土的共振柱试验数据进行分析得出了这三种土的a值，如表1：
表 1 不同性质的土在不同固结压力下的a值,
用修正的Hardin-Drnevich模型对三种土的共振柱数据进行拟合得到剪应变大于10-4时的剪切模量和阻尼比，作出用修正的Hardin-Drnevich模型拟合后的G-γ和D-γ曲线与试验结果曲线对比如图1-图3所示:可以看出用修正的Hardin-Drnevich模型拟合后的剪应变大于10-4时的G-γ曲线与动单剪试验曲线拟合很好,拟合后的剪切模量比试验值偏小;但差别不大,在8%左右。D-γ曲线与动单剪试验曲线拟合规律较好,数值稍有偏差, 这与Dmax的选取有关。
Figure1 粉质黏土用修正的H-D模型拟合后的G-γ和D-γ曲线与动单剪试验结果对比图
Figure 2 粉土用修正的H-D模型拟合后的G-γ和D-γ曲线与动单剪试验结果对比
Figure 3 细砂用修正的H-D模型拟合后的G-γ和D-γ曲线与动单剪试验结果对比图
3.结语
比较分析用Hardin-Drnevich模型对共振柱试验进行拟合得到剪应变大于10-4时的G-γ曲线和D-γ曲线与动单剪试验曲线吻合较好。因此对于这三类土可以只做共振柱试验，由修正的Hardin-Drnevich模型计算剪应变大于10-4时剪切模量和阻尼比，求得的剪切模量比动单剪结果偏小，相差8%左右。阻尼比与动单剪结果稍有偏差，这与Dmax的选取有关。
本文给出的各类土的a值与俞炯奇等[1]给出的砂土和壤土的a值有较大差别, 需要进行更多的试验来对比分析；还可以用修正的Hardin-Drnevich模型对动单剪试验结果进行拟合得到剪应变小于10-4时的剪切模量和阻尼比，与共振柱数据进行对比分析验证结果的合理性；提出对试验和工程更为有利的理论依据和参考资料。
参考文献
[1] 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.
[2] 尚守平,卢华喜，任慧等.粉质粘土剪切模量试验对比研究[J]. 岩土工程学报,2006,3(3):410-414.
[3] 阮元成.坝体原状土的动剪切模量[C]//第三届全国土动力学学术会议.上海:同济大学出版社,1990:165–168.
[4] 徐存森,吴俊壁.用扭转单剪、共振柱仪测定空心试样土的动剪切模量[J].大坝观测与土工测试,1992,16(1):37–43.
[5] 蒋寿田,王幸辛.郑州地区地基原状土动模量和阻尼比[C]//第三届全国土动力学学术会议.上海:同济大学出版社,1990:151–155.
[6] 钱家欢，殷宗泽.土工原理论与计算[M].北京: 中国水利水电出版社, 1996 |
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