大应变作用下含水率对非饱和砂土动力特性影响的研究

灾燥造援猿远晕燥援员摇云藻遭援圆园员远文章编号院员园园园原员猿园员渊圆园员远冤园员原园员怨猿原园苑阅韵陨院员园援员猿员怨苑辕躁援藻藻藻增援圆园员远援园员援员怨猿援憎葬灶早澡凿援园圆缘

大应变作用下含水率对非饱和砂土动力

特性影响的研究

王海东员袁圆袁陈摇曦员袁李建文员袁刘方成猿

猿援湖南工业大学土木工程学院袁湖南株洲源员圆园园愿冤

渊员援湖南大学土木工程学院袁湖南长沙源员园园愿圆曰圆援湖南大学建筑安全与节能教育部重点试验室袁湖南长沙源员园园愿圆曰

摘摇要院本文利用宰云循环单剪试验系统袁完成大应变下袁不同含水率和不同正应力下非饱和砂土的循环剪切试验袁并分析了不同正应力条件下袁含水率对非饱和砂土动力特性影响的规律遥试验结果表明袁剪应变酌逸圆豫袁含水率对非饱和砂土动力特性的影响显著院渊员冤含水率对非饱和砂土滞回曲线的影响存在临界含水率袁无论正应力大小袁低于临界含水率时袁滞回曲线相差不大袁而高于临界含水率时袁滞回曲线随含水率的增大迅速衰减曰渊圆冤峰值剪应力随含水率的变化存在相同的临界含水率袁无论正应力大小袁当含水率低于临界含水率时袁峰值剪应力随含水率增大变化较小袁而当含水率高于临界含水率时袁峰值剪应力随含水率增大而减小袁且正应力越大衰减得越明显曰渊猿冤阻尼比随含水率的变化也存在临界含水率遥

关键词院非饱和砂土曰含水率曰滞回曲线曰阻尼比曰滞回耗能中图分类号院栽哉源猿曰孕猿员缘援怨猿摇摇摇摇摇文献标志码院粤

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摇摇收稿日期院圆园员缘原园猿原圆缘曰摇修订日期院圆园员缘原园远原员缘

业务费

摇摇基金项目院新世纪优秀人才支持计划渊晕悦耘栽鄄员猿鄄园员怨园冤曰湖南省自然科学基金人才联合培养基金重点项目渊员猿允允粤园园员冤曰中央高校基本科研摇摇杂怎责责燥则贼藻凿遭赠院孕则燥早则葬皂枣燥则晕藻憎悦藻灶贼怎则赠耘曾糟藻造造藻灶贼栽葬造藻灶贼泽蚤灶哉灶蚤增藻则泽蚤贼赠渊晕悦耘栽鄄员猿鄄园员怨园冤曰匀怎灶葬灶孕则燥增蚤灶糟蚤葬造晕葬贼怎则葬造杂糟蚤藻灶糟藻云燥怎灶凿葬贼蚤燥灶燥枣悦澡蚤灶葬摇摇作者简介院王海东渊员怨苑远原冤袁男袁副教授袁博士袁主要从事工程结构抗震性能尧土原结构相互作用研究援耘鄄皂葬蚤造院憎澡凿憎葬灶早岳澡灶怎援藻凿怎援糟灶

渊员猿允允粤园园员冤曰云怎灶凿葬皂藻灶贼葬造砸藻泽藻葬则糟澡云怎灶凿泽枣燥则贼澡藻悦藻灶贼则葬造哉灶蚤增藻则泽蚤贼蚤藻泽

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引言

近几十年来袁由于工程实际的需要袁非饱和土力学连同土动力学的研究得到大力发展遥例如土石坝和高速公路等建设工程的地基要承受水流尧车辆等动力荷载的作用袁建筑物所在范围内的场地土袁也要考虑到地饱和状态遥毫无疑问袁研究非饱和土的动力特性具有重大的工程现实意义咱员袁圆暂遥

震的作用遥这些地基土由于季节性干湿交替等其他因素导致地下水位发生变化袁可能全部或者部分处于非

土动力学中袁常将土的动力特性分为小应变和大应变时的情况遥在应变很小渊臆员园原源冤时袁可以认为土

者对于土的动力特性进行了大量的试验研究和理论分析袁使用的装置有共振柱尧循环单剪仪尧循环扭剪仪尧循环三轴仪和现场波速法等遥匀葬则凿蚤灶和月造葬糟噪研究表明袁土的动力特性受一系列因素的影响如院平均有效应效应力和孔隙比有关袁而几乎独立于其他变量袁并根据实验结果提出了郧凿皂葬曾与平均有效应力之间的经验公力尧孔隙比尧饱和度尧最大主应力差尧剪切应变幅等袁对于剪应变幅值小于员园原源袁土的动力特性主要与平均有

非线性变形性质表现显著袁用周期循环加载试验测定应力原应变曲线来确定相应的动力参数咱猿暂遥国内外学

体的变形基本为弹性变形袁常用弹性波速法和共振柱实验测定动剪模量与阻尼比曰当应变较大渊跃员园原源冤时袁

和直剪仪组合试验袁从基质吸力的角度探讨粉细砂尧砂质粉土和粉质黏土的抗剪强度和基质吸力的关系咱愿暂遥但是上述实验研究的是含水率对非饱和砂土静力强度的影响袁并未涉及动力特性遥宰怎等对五种颗粒级配良好的无黏性土进行共振柱试验袁研究小应变下毛细作用对动剪模量的影响袁得到试验土最大毛细作用时的饱和度范围为缘豫耀圆园豫咱怨暂遥运怎皂葬则等通过波速试验袁研究砂土中孕波和杂波随着饱和度的变化规律袁研究表明当饱和度在园援苑豫耀园援怨豫之间时袁砂土的剪切模量达到了最大值咱员园暂遥哉灶灶燥等通过不排水循环单剪试

饱和土强度的影响袁并在此基础上建立了引入含水量的非饱和土总应力公式咱远袁苑暂遥林鸿洲等通过压力板仪

式咱源袁缘暂遥凌华尧殷宗泽等选取缘种含水率在改进的普通三轴仪上进行非饱和土的强度试验袁研究含水率对非

比与饱和度无关袁而固结压力对砂土的动剪模量和阻尼比影响较大咱员圆暂袁但其结论是在剪应变幅值为员豫的条件下得到的遥

展到员伊员园原圆袁且多采用动剪模量和阻尼比量化各因素对于土动力特性影响袁较少探讨滞回曲线的影响规

从以上研究可以看出袁对土动力特性的研究大多局限在小应变范围袁只有云葬则凿蚤灶等的研究将剪应变扩

单剪仪袁进行循环剪切荷载下排水与不排水试验袁发现饱和度在圆缘豫耀苑缘豫范围内袁砂土的动剪模量和阻尼

验袁发现非饱和砂土的液化袁不仅与土的压缩性有关袁而且与饱和度和初始围压相关咱员员暂遥云葬则凿蚤灶等通过循环

到不同含水率非饱和砂土的滞回曲线袁分析含水率对滞回曲线形状的影响袁并分别从峰值剪应力尧滞回耗能和阻尼比的角度来探讨含水率对非饱和砂土动力特性的影响规律遥

律遥本文在前人研究成果的基础上袁研究应变范围在缘伊员园原猿耀员伊员园原员内非饱和砂土的动力特性遥试验得

员摇试验介绍

员援员摇试验设备

本文采用的试验仪器为英国宰云陨公司生产的宰云圆缘苑猿缘循环单剪试验系统遥该循环单剪系统是由单剪仪尧传感器和孕悦系统组成袁具体参数及设备组成参见文献咱员猿暂遥试样尺寸为直径苑园皂皂尧高度圆园皂皂的扁圆柱体遥试验中以层叠的薄铜环模拟土样边界条件袁可以实现固定体积和固定竖向压力的剪切袁应变控制式与应力控制式剪切遥位移传感器的精度可达员滋皂袁力传感器的精度可达园援园园员噪晕遥试验中可以设定每级应员援圆摇试样制备与试验参数

变幅值下循环剪切的次数袁对于每个循环周期系统采集缘园个测点遥

试验所用土样取自湖南大学土原结构相互作用实验室土槽中的砂土遥室内物理力学特性实验表明袁土

第员期王海东袁等院大应变作用下含水率对非饱和砂土动力特性影响的研究

员怨缘样为砾砂袁基本物理性质指标为院风干后天然含水率憎越苑援圆豫袁孔隙比为园援缘源怨遥将风干的砂土依次过筛袁为减小粒径效应将土粒相对密度为圆援远怨袁天然土的密度为员援愿远圆早辕糟皂猿袁土的初始

缘皂皂筛上的较大颗粒去除袁即试验土样最大粒径在缘皂皂耀曲线如图员所示遥

远皂皂袁土样的颗粒分析实验结果如表员所示曰土样的颗粒级配

通过控制试样干密度与原状土的干密度相同袁添加水量来制备土试样遥分别计算所需的加水量袁将蒸馏水均匀喷洒在土样上袁并搅拌均匀袁用塑料袋密封袁在密闭保湿容器中放置一天袁使土样均匀润湿遥

表员摇土样的颗粒组成栽葬遭造藻员摇孕葬则贼蚤糟造藻凿蚤泽贼则蚤遭怎贼蚤燥灶燥枣泽燥蚤造粒径渊皂皂冤百分含量渊豫冤

员园耀缘员圆援园

缘耀圆猿愿援苑

圆耀员员园援猿

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园援圆缘耀园援园苑缘

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臆园援园苑缘园援远

图员摇砂土的颗粒级配曲线云蚤早援员摇郧则葬凿蚤灶早糟怎则增藻泽燥枣泽葬灶凿赠泽燥蚤造

员援猿摇试验流程

试验中袁保持正应力不变袁采用员援园匀扎等弦振幅袁实施应变控制的模式袁进行固结尧不排水循环单剪试验遥为了研究大应变作用下袁含水率尧正应力对砂土动力特性的影响规律袁试验设计如下院

渊员冤含水率从苑援圆豫变化到员远援圆豫袁每级增加员豫袁共员园种含水率遥试验所选用的砂土当含水率大于渊圆冤正应力为圆缘尧缘园尧员园园尧圆园园尧猿园园噪孕葬缘个等级曰剪切位移幅值为园援员尧园援圆尧园援源尧园援愿尧员尧圆皂皂袁采取逐级

员远援圆豫以后袁试验条件控制并不理想袁为此本文所研究的非饱和砂土的饱和度控制在猿缘援猿豫至苑怨援源豫遥

圆缘园个试验工况遥

可知冤袁荷载分级见表圆遥由于试样高度为圆园皂皂袁相应剪应变幅值为园援缘豫尧员豫尧圆豫尧源豫尧缘豫尧员园豫遥共有

加载的方式咱员猿暂遥每级应变幅值下循环猿园圈袁此时土样在动力荷载下的特性已基本稳定渊结合实验具体分析

表圆摇实验荷载分级栽葬遭造藻圆摇栽澡藻早则葬凿蚤灶早燥枣造燥葬凿分组位移幅值渊皂皂冤应变幅值

员园援员园援缘豫

圆园援圆员豫

猿园援源圆豫

源园援愿源豫

缘员援园缘豫

远圆援园员园豫

摇摇注院淤每级荷载下循环圈数晕越猿园袁以下均取第猿园圈绘制剪应力原剪应变关系曲线遥于由位移幅值计算应变幅值时袁高度取初始试样高度遥

圆摇试验结果及分析

摇摇土动力学试验成果本质上就是给出了土体动力一维非线性本构关系的最基本特征要野骨架曲线冶和野滞回曲线冶咱员源暂遥由于土物理构成特性袁其

动应力原应变关系表现出非线性尧滞后性及变形型来描述遥目前土动力分析中袁由于等效线性模型渊匀葬则凿蚤灶鄄阅则灶藻增蚤糟澡模型冤的概念明确性和应用方便性的特点袁在岩土工程计算中得到广泛应用遥等效线性模型中动剪模量郧代表了土体抵抗变形的能力袁阻尼比阅表示了土体消耗能量的能力遥郧和阅的定义如图圆和式渊员冤尧式渊圆冤所示遥

图圆摇理想的动应力原应变滞回曲线

云蚤早援圆摇栽澡藻蚤凿藻葬造蚤扎藻凿澡赠泽贼藻则藻泽蚤泽造燥燥责责则燥凿怎糟藻凿遭赠糟赠糟造蚤糟造燥葬凿蚤灶早

累积的特征袁实际应用中需要某种数学或物理模

员怨远地摇震摇工摇程摇与摇工摇程摇振摇动第猿远卷

郧越渊渣子凿员渣垣渣子凿圆渣冤辕渊渣酌凿员渣垣渣酌凿圆渣冤

阅越粤园辕渊仔粤栽冤

渊员冤

式中酌凿员尧酌凿圆分别为正负最大动剪应变曰子凿员尧子凿圆分别为正负最大动剪应力曰粤栽为三角形葬遭糟的面积曰粤园为滞回圈的面积袁表示了在循环一周中土体消耗的能量袁即滞回耗能遥

从本文试验结果发现院渊员冤当剪应变酌臆员豫时袁含水率对非饱和砂土的动力特性影响较小袁这与云葬则凿蚤灶的研究结果相一致袁如图猿所示院正应力为缘园噪孕葬袁剪应变幅值为员豫时袁在饱和度猿园豫耀愿园豫范围内袁含水率对砂土的动剪模量和阻尼比影响很小遥渊圆冤当剪应变酌逸圆豫时袁含水率对非饱和砂土的动力特性影响显著袁如图源所示院在剪应变酌为圆豫渊圆圈标识处冤时袁不同含水率的骨架曲线出现差异曰当剪应变酌增至源豫后袁这种差异更明显袁且随含水率的变化而变化遥为此袁本文选取剪应变酌越缘豫的试验结果袁具体分析含水率对非饱和砂土动力特性的影响规律遥

渊圆冤

图猿摇动剪模量和阻尼比随饱和度的变化

云蚤早援猿摇栽澡藻凿赠灶葬皂蚤糟泽澡藻葬则皂燥凿怎造怎泽葬灶凿凿葬皂责蚤灶早则葬贼蚤燥葬造燥灶早憎蚤贼澡贼澡藻糟澡葬灶早藻燥枣泽葬贼怎则葬贼蚤燥灶

图源摇正应力为缘园噪孕葬下不同含水率非饱和砂土骨架曲线

云蚤早援源摇杂噪藻造藻贼燥灶糟怎则增藻泽燥枣贼澡藻怎灶泽葬贼怎则葬贼藻凿泽葬灶凿赠泽燥蚤造怎灶凿藻则凿蚤枣枣藻则藻灶贼憎葬贼藻则糟燥灶贼藻灶贼葬贼贼澡藻灶燥则皂葬造泽贼则藻泽泽燥枣缘园噪孕葬

圆援员摇含水率对非饱和砂土滞回曲线的影响

将员园种不同含水率试样在正应力为圆缘噪孕葬尧缘园噪孕葬尧员园园噪孕葬尧圆园园噪孕葬和猿园园噪孕葬下得到的试验数据汇猿园园噪孕葬下试验结果袁如图缘所示遥

总制图袁可以看出圆缘噪孕葬和缘园噪孕葬表现的规律基本一致遥以下仅给出正应力为圆缘噪孕葬尧员园园噪孕葬尧圆园园噪孕葬尧

从图缘可看出袁无论正应力高低袁当含水率在苑援圆豫耀员圆援圆豫范围时袁滞回曲线几乎重合袁形状接近于平

行四边形曰当含水率大于员圆援圆豫时袁随着含水率的增加袁滞回曲线由饱满的倾斜度高的平行四边形衰变为干圆援圆摇含水率对非饱和砂土峰值剪应力的影响

瘦的接近横放的平行四边形袁并且含水率达到员远援圆豫时袁砂土抵抗剪切变形的能力很差遥

土在循环荷载作用下的动强度常被理解为一定动荷载振动次数下产生某一破坏应变渊或满足某一破坏

标准冤所需要的动应力咱猿暂遥在本文所研究的给定剪应变幅值范围内袁土体在动荷载作用下均未发生破坏遥上反映了土样抗剪强度遥选取循环周次晕越猿园袁此时循环荷载下土体变形与强度趋于稳定遥图远所示为剪

试样在给定的剪应变幅值下袁滞回曲线峰值点随含水率的变化呈现明显的规律袁而该峰值剪应力在一定程度

第员期王海东袁等院大应变作用下含水率对非饱和砂土动力特性影响的研究

员怨苑图缘摇不同含水率砂土的滞回曲线

云蚤早援缘摇栽澡藻澡赠泽贼藻则藻泽蚤泽造燥燥责泽燥枣贼澡藻泽葬灶凿赠泽燥蚤造怎灶凿藻则凿蚤枣枣藻则藻灶贼憎葬贼藻则糟燥灶贼藻灶贼

应变酌越缘豫时袁峰值剪应力与含水率关系遥

从图远可发现袁无论正应力高低袁都存在一个相同的临界含水率袁使得峰值剪应力在该点达到最大值遥本试验中临界含水率为员圆援圆豫袁相应的饱和度为缘怨援苑愿豫袁当含水率小于临界值时袁相同正应力下的峰值剪应力变化比较平缓曰当含水率大于此值后袁峰值剪应力随含水率的增加而减小袁且随着正应力的增大袁衰减趋势更加明显遥与文献咱愿暂中试验饱和度达到源园豫耀远园豫袁凝聚力达到最大袁相应的抗剪强度达到最大的结论相一致遥另外袁相同含水率下峰值剪应力随正应力的增大而增大袁且小于临界含水率时袁正应力对峰值剪应力的影响更为明显遥

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圆援猿摇含水率对非饱和砂土耗能能力的影响

圆援猿援员摇含水率对非饱和砂土的滞回耗能的影响

耗能随含水率的变化亦存在临界含水率袁但该临界含水率与正应力相关袁即随正应力的增大临界含水率减小袁具体表现院当含水率低于临界含水率时袁滞回耗能随含水率的增加而增加曰当含水率高于临界含水率时袁滞回耗能随含水率的增加而减小遥

渊员冤缘种正应力条件下袁非饱和砂土的滞回耗能随含水率的变化如图苑所示袁从图苑中可知院砂土的滞回

摇摇摇摇

图远摇峰值剪应力与含水率的关系云蚤早援远摇栽澡藻则藻造葬贼蚤燥灶遭藻贼憎藻藻灶责藻葬噪泽澡藻葬则泽贼则藻泽泽

葬灶凿憎葬贼藻则糟燥灶贼藻灶贼

图苑摇滞回耗能与含水率的关系云蚤早援苑摇栽澡藻则藻造葬贼蚤燥灶遭藻贼憎藻藻灶澡赠泽贼藻则藻贼蚤糟藻灶藻则早赠

凿蚤泽泽蚤责葬贼蚤燥灶葬灶凿憎葬贼藻则糟燥灶贼藻灶贼

与正应力的关系如图愿遥由图愿可知袁当正应力小于圆园园噪孕葬时袁滞回耗能随正应力的变化大致呈线性关系曰而正应力从圆园园噪孕葬增至猿园园噪孕葬袁滞回耗能的增长率减小遥圆援猿援圆摇含水率对非饱和砂土的阅辕阅皂葬曾的影响

由试验得到的归一化阻尼比阅辕阅皂葬曾与含水率的关系见图怨遥从图怨可知袁阅辕阅皂葬曾随含水率的变化存在

渊圆冤提取图苑中给定正应力下砂土在临界含水率时的滞回耗能袁即滞回耗能的最大值粤园皂葬曾袁并绘制粤园皂葬曾

一个临界含水率范围员员援圆豫耀员猿援圆豫袁总体来说袁临界含水率之前袁阅辕阅皂葬曾随含水率的变化在较小范围内变动袁临界含水率之后袁阅辕阅皂葬曾随含水率的增大迅速减小遥另外袁可发现正应力对阅辕阅皂葬曾的影响较小遥

摇摇摇摇

云蚤早援愿摇砸藻造葬贼蚤燥灶遭藻贼憎藻藻灶粤园皂葬曾葬灶凿灶燥则皂葬造泽贼则藻泽泽

图愿摇粤园皂葬曾与正应力的关系

云蚤早援怨摇栽澡藻则藻造葬贼蚤燥灶遭藻贼憎藻藻灶阅辕阅皂葬曾葬灶凿憎葬贼藻则糟燥灶贼藻灶贼

图怨摇阅辕阅皂葬曾与含水率的关系

猿摇理论解释

力的水平分量要湿吸力咱员缘暂遥对于非黏性土袁当砂土很干时袁砂土的强度很小袁随着含水率的增加袁由于土颗粒间水膜的野吸附冶作用袁砂土的强度逐渐变大袁但当含水率继续增加时袁土颗粒间水膜的野吸附冶作用逐渐减小袁直至失去袁此时砂土的强度又逐渐变小袁即存在一个最优含水率遥在本文中袁滞回曲线和峰值剪应力曲线

基于粒间吸力的非饱和土的有效应力袁不仅考虑了结构吸力问题袁而且考虑了收缩膜的效应袁即表面张

第员期王海东袁等院大应变作用下含水率对非饱和砂土动力特性影响的研究

员怨怨存在的临界含水率即为最优含水率袁当含水率低于该值时袁滞回曲线和峰值剪应力变化较小曰当含水率高于该值时袁滞回曲线和峰值剪应力衰减比较剧烈遥

源摇结论

本文开展了大应变下非饱和砂土动力特性的试验研究袁主要分析了非饱和砂土的滞回曲线尧峰值剪应力尧滞回耗能和归一化阻尼比随含水率的变化规律遥试验结果表明院若研究含水率对非饱和砂土动力特性的影响袁应将大应变范围进一步细分遥以本试验为例袁当剪应变酌臆员豫时袁含水率对非饱和砂土动力特性的影响很小曰当剪应变酌逸圆豫时袁含水率对非饱和砂土动力特性的影响显著遥以剪应变酌越缘豫为例分析可得到如下结论院

渊员冤无论正应力大小袁均存在临界含水率袁当含水率低于该临界值时袁随含水率的增加袁滞回曲线的形状

变化不大曰当含水率高于该临界值时袁随含水率的增加袁滞回曲线迅速衰减遥

大变化较小曰当含水率高于该临界值时袁峰值剪应力随含水率增大急剧减小袁正应力越大衰减得越明显遥

渊圆冤无论正应力大小袁存在一个相同的临界含水率袁当含水率低于该临界值时袁峰值剪应力随含水率增

含水率的增大而增大袁当含水率高于含水率时袁滞回耗能随含水率增大急剧减小遥但该临界含水率与正应力相关袁即随正应力的增大临界含水率逐渐减小遥

渊源冤阅辕阅皂葬曾随含水率的变化存在一个临界含水率范围袁总体上袁临界含水率之前袁阅辕阅皂葬曾随含水率的变化

渊猿冤砂土的滞回耗能随含水率的变化亦存在临界含水率袁当含水率小于该临界含水率时袁滞回耗能随着

较小袁临界含水率之后袁阅辕阅皂葬曾随含水率的增大迅速减小遥而正应力对阅辕阅皂葬曾的影响较小遥

参考文献院

咱员暂摇弗雷德隆德阅援郧袁拉哈尔佐匀援著袁陈仲颐等译援非饱和土土力学咱酝暂援北京院高等教育出版社袁员怨怨苑院员原圆员援

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