振動(dòng)頻率對(duì)飽和松砂動(dòng)力特性影響試驗(yàn)研究

豐土根,張禮明

(1.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京210098;2.河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所,江蘇南京210098)

0 引 言

地震是嚴(yán)重的自然災(zāi)害,我國(guó)是世界上地震災(zāi)害最嚴(yán)重的國(guó)家之一。在近幾年國(guó)內(nèi)發(fā)生的幾次強(qiáng)烈地震中,都有砂土的堤壩、土坡、地基的破壞實(shí)例[1-2]。地震的大多數(shù)砂土破壞發(fā)生在地震后數(shù)十秒甚至數(shù)小時(shí),其原因是地震作用時(shí)引起土層中的孔隙水壓力增長(zhǎng),導(dǎo)致有效應(yīng)力降低、承載能力下降,剩余強(qiáng)度甚至可降為零。目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)就地震荷載作用下土體動(dòng)力特性的研究取得了大量成果[3-4]。影響土的動(dòng)力特性的因素很多,振動(dòng)頻率就是影響飽和砂土動(dòng)力特性的重要因素。

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)不同地區(qū)砂土的動(dòng)力特性進(jìn)行研究,取得了相當(dāng)進(jìn)展。Peacock等[5]針對(duì)砂土進(jìn)行的研究結(jié)果顯示:若實(shí)驗(yàn)的振動(dòng)頻率控制在0.17 Hz～4.00 Hz范圍內(nèi),對(duì)單剪實(shí)驗(yàn)的砂土液化強(qiáng)度的影響規(guī)律性不強(qiáng);顧小蕓[6]進(jìn)行室內(nèi)動(dòng)三軸試驗(yàn)的研究發(fā)現(xiàn)頻率0.1 Hz變?yōu)?.0 Hz的周期荷載對(duì)砂土動(dòng)力特性的影響不大,而郭瑩等[7]則認(rèn)為液化強(qiáng)度隨著振動(dòng)頻率的增大而增大。張建民等[8]研究較粗粒徑的飽和標(biāo)準(zhǔn)砂發(fā)現(xiàn)當(dāng)振動(dòng)頻率 f=1 Hz～20 Hz時(shí)振動(dòng)頻率的大小對(duì)砂土液化沒(méi)有影響。

王星華等[9-10]采用北京新技術(shù)研究所研制的DDS-70微機(jī)控制動(dòng)三軸儀研究洞庭湖區(qū)砂土發(fā)現(xiàn)動(dòng)荷載的振動(dòng)頻率小于10 Hz時(shí),振動(dòng)頻率對(duì)砂土液化的極限強(qiáng)度影響不大,并將孔隙水壓力與應(yīng)變、應(yīng)力路徑相聯(lián)系,總結(jié)了各種因素對(duì)砂土液化中孔隙水壓力發(fā)展的影響。各種其它文獻(xiàn)[11-13]也不同程度的提出了這個(gè)影響因素的作用效應(yīng),并對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)。

上述針對(duì)砂土進(jìn)行研究的振動(dòng)頻率基本都在1.0 Hz以上,而對(duì)低于1.0 Hz的研究較少。本文采用北京新技術(shù)研究所研制的DDS-70微機(jī)控制動(dòng)三軸儀對(duì)相對(duì)密度為30%的飽和松砂,來(lái)探討振動(dòng)頻率為0.05 Hz、0.1 Hz、0.5 Hz、1.0 Hz、2.0 Hz時(shí)對(duì)飽和砂土的動(dòng)力特性的影響。

1 試驗(yàn)設(shè)備、材料及方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

本次試驗(yàn)設(shè)備為DDS-70微機(jī)控制電磁式振動(dòng)三軸試驗(yàn)系統(tǒng),可做砂土和粉土的液化試驗(yàn)和各種土的動(dòng)彈模、動(dòng)強(qiáng)度及阻尼特性試驗(yàn),配上電控閥,還可做循環(huán)荷載試驗(yàn)。此儀器適用直徑39.1 mm,高80 mm的圓柱體試樣,具有自動(dòng)采集數(shù)據(jù)和處理功能。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料采用福建標(biāo)準(zhǔn)砂,制備試樣尺寸為Φ39.1 mm×80 mm。其材料特性:顆粒比重為GS=2.643;最大與最小干密度分別為 ρdmax=1.74 g/cm3,ρdmin=1.43 g/cm3;最大與最小孔隙比分別為emax=0.848,emin=0.519;粒徑組成特性參數(shù)d50=0.34 mm,Cu=1.542,Cc=1.104。級(jí)配曲線如圖1所示。

1.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)中控制三向均等初始固結(jié)條件,周?chē)鷫毫Ζ?c=100 kPa。試樣在 σ3c下固結(jié)排水,當(dāng)試樣固結(jié)穩(wěn)定后關(guān)閉排水閥,然后施加循環(huán)應(yīng)力σd直至試樣液化破壞。方案設(shè)置見(jiàn)表1。

圖1 級(jí)配曲線

表1 試驗(yàn)方案設(shè)置

1.4 破壞標(biāo)準(zhǔn)

破壞標(biāo)準(zhǔn)分為孔壓破壞標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)變破壞標(biāo)準(zhǔn),本文取孔壓破壞標(biāo)準(zhǔn),把試樣孔壓接近固結(jié)壓力并不再上升時(shí)的孔壓作為破壞孔壓,其相對(duì)應(yīng)的振次為破壞振次Nf。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

采用較粗粒徑的飽和標(biāo)準(zhǔn)砂,相對(duì)密實(shí)度為30%,在振動(dòng)頻率為 0.05 Hz、0.1 Hz、0.5 Hz、1.0 Hz、2.0 Hz,固結(jié)壓力 σ3c=100 kPa,進(jìn)行了固結(jié)不排水振動(dòng)三軸試驗(yàn)。

2.1 振動(dòng)頻率對(duì)動(dòng)強(qiáng)度特性的影響

土的動(dòng)強(qiáng)度通常定義為一定振動(dòng)次數(shù)(或一定振動(dòng)應(yīng)力幅值)條件下使土體達(dá)到某一破壞標(biāo)準(zhǔn)所需的動(dòng)應(yīng)力幅值(或振動(dòng)次數(shù))[14]。不同振動(dòng)頻率下液化強(qiáng)度與破壞振次的關(guān)系如圖2所示。由試驗(yàn)結(jié)果可知:在相同圍壓且均壓固結(jié)條件下,飽和松砂的液化強(qiáng)度隨著振動(dòng)頻率的增加而增加。這與文獻(xiàn)[5]試驗(yàn)的振動(dòng)頻率控制在0.17 Hz～4.00 Hz范圍內(nèi),對(duì)單剪實(shí)驗(yàn)的砂土液化強(qiáng)度的影響規(guī)律性不強(qiáng)有差別 ,但與郭瑩等[7]在 0.05 Hz、0.10 Hz、1.00 Hz振動(dòng)頻率范圍內(nèi),飽和松砂的液化強(qiáng)度均隨著振動(dòng)頻率的增大而增大相類(lèi)似。各個(gè)振動(dòng)頻率下飽和松砂的動(dòng)強(qiáng)度均隨振動(dòng)次數(shù)的增大而減小。

圖2 破壞振次 Nf和動(dòng)剪應(yīng)力τd的關(guān)系曲線

相對(duì)密實(shí)度為30%的飽和松砂,在破壞振次分別為20次和30次、振動(dòng)頻率分別為0.05 Hz、0.1 Hz、0.5 Hz、1.0 Hz、2.0 Hz,以及在不同圍壓條件下均壓固結(jié)的液化強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 均壓固結(jié)下松砂的液化強(qiáng)度

2.2 振動(dòng)頻率對(duì)動(dòng)孔壓特性的影響

試驗(yàn)控制軸向動(dòng)應(yīng)力 σd=50.0 kPa,探討不同振動(dòng)頻率對(duì)動(dòng)孔壓變化規(guī)律的影響,得到不同振動(dòng)頻率下振次N和動(dòng)孔壓ud的關(guān)系如圖3所示。由圖3可知,在軸向動(dòng)應(yīng)力、圍壓一定且均壓固結(jié)條件下,頻率對(duì)飽和松砂循環(huán)峰值孔壓均具有顯著影響,達(dá)到同一峰值孔壓的水平,頻率越高,所需要的振次越多;對(duì)于不同頻率,動(dòng)孔壓最后時(shí)刻不再增大,保持平穩(wěn),以平穩(wěn)段開(kāi)始所對(duì)應(yīng)的振次N為破壞振次Nf,振動(dòng)頻率為0.05 Hz、0.1 Hz 、0.5 Hz、1.0 Hz、2.0 Hz的 Nf分別為 18、27、34、42、48 次。

2.3 振動(dòng)頻率對(duì)動(dòng)軸向應(yīng)變特性的影響

試驗(yàn)控制軸向動(dòng)應(yīng)力 σd=50.0 kPa,來(lái)探討不同振動(dòng)頻率對(duì)動(dòng)軸向應(yīng)變的變化規(guī)律的影響。得到不同振動(dòng)頻率下振次N和動(dòng)軸向應(yīng)變?chǔ)舲的關(guān)系如圖4所示,由圖4可知,在軸向動(dòng)應(yīng)力、圍壓一定且均壓固結(jié)條件下,頻率對(duì)飽和松砂動(dòng)軸向應(yīng)變有顯著影響。動(dòng)軸向應(yīng)變都是在某一振次Np下突變,當(dāng)振次N小于Np時(shí),應(yīng)變的發(fā)展很緩慢,但當(dāng)N大于Np時(shí),應(yīng)變的發(fā)展加快,直到破壞應(yīng)變。隨著振動(dòng)頻率f的增大,Np的數(shù)值也在增大,最終破壞的振次Nf也在增大。

圖3 振次N和動(dòng)孔壓ud的關(guān)系曲線

圖4 振次 N和動(dòng)軸向應(yīng)變?chǔ)舲的關(guān)系曲線

2.4 動(dòng)孔壓與動(dòng)軸向應(yīng)變之間的關(guān)系

圖5 為本文試驗(yàn)條件下動(dòng)孔壓與動(dòng)軸向應(yīng)變關(guān)系曲線。從圖5中可知,曲線開(kāi)始,隨著振次的增加,動(dòng)孔隙水壓力的增長(zhǎng)很快,動(dòng)軸向應(yīng)變的增長(zhǎng)緩慢,而在后期,動(dòng)軸向應(yīng)變的增長(zhǎng)很快,動(dòng)孔隙水壓力的增長(zhǎng)趨于平緩,基本不再增大,王星華等[9]稱(chēng)這種狀態(tài)為動(dòng)穩(wěn)態(tài)狀態(tài)。這說(shuō)明前后的軸向應(yīng)變引起的體應(yīng)變不同,開(kāi)始階段軸向應(yīng)變與體應(yīng)變緊密聯(lián)系,而后期軸向應(yīng)變主要是由于某一區(qū)域液化而產(chǎn)生的剪切破壞變形,此時(shí),試件的體應(yīng)變?cè)黾硬⒉欢?。這說(shuō)明動(dòng)孔隙水壓力與動(dòng)軸向應(yīng)變之間有著一定的關(guān)系,但變化發(fā)展的方向是不一致的。

由于動(dòng)孔隙水壓力增長(zhǎng)不到圍壓水平,基本在95 kPa后不再增長(zhǎng),以此不再上升的動(dòng)孔壓為破壞孔壓,破壞動(dòng)孔壓所對(duì)應(yīng)的動(dòng)軸向應(yīng)變?nèi)绫?所示。由表3可知,隨著振動(dòng)頻率的增大,飽和松砂達(dá)到破壞動(dòng)孔壓時(shí),所對(duì)應(yīng)的動(dòng)軸向應(yīng)變是逐漸變小的。

圖5 動(dòng)孔壓ud和動(dòng)軸向應(yīng)變?chǔ)舲的關(guān)系曲線

表3 破壞動(dòng)孔壓及對(duì)應(yīng)的動(dòng)軸向應(yīng)變

2.5 振動(dòng)時(shí)間與各動(dòng)力特性的關(guān)系

圖6為動(dòng)剪應(yīng)力 τd與試樣達(dá)到液化破壞時(shí)所需的時(shí)間tf的關(guān)系曲線,從圖6可以看出,在其它條件相同情況下,振動(dòng)頻率越高,達(dá)到液化所需要的振動(dòng)時(shí)間急劇減少,說(shuō)明低頻長(zhǎng)振動(dòng)時(shí)間和高頻短振動(dòng)時(shí)間都可以使砂土產(chǎn)生液化。

圖6 破壞時(shí)間 tf和動(dòng)剪應(yīng)力τd的關(guān)系曲線

圖7 和圖8分別是振動(dòng)時(shí)間 t與動(dòng)軸向應(yīng)變?chǔ)舲、動(dòng)孔壓ud的關(guān)系曲線。從圖中可以看出達(dá)到峰值孔壓或軸向應(yīng)變?yōu)?%時(shí),振動(dòng)頻率大的所需時(shí)間少,隨著振動(dòng)頻率的減小,所需的時(shí)間急劇增多。圖7的實(shí)際意義是,振動(dòng)持續(xù)時(shí)間一定時(shí),較高頻率比較低頻率的動(dòng)荷載作用下導(dǎo)致飽和砂土發(fā)生過(guò)量變形而破壞的可能性顯著增大。圖8的實(shí)際意義是動(dòng)荷載的振動(dòng)頻率較低時(shí),引起某一較大孔壓水平所需振動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng),則動(dòng)荷載所引起的孔壓還可能發(fā)生消散而有所降低,甚至對(duì)土體的破壞很小。如果動(dòng)荷載的振動(dòng)頻率較高,則孔隙水壓力發(fā)展迅速且不能及時(shí)消散,可能導(dǎo)致飽和砂土的動(dòng)強(qiáng)度急劇下降,最終導(dǎo)致土體動(dòng)力失穩(wěn)。所以在實(shí)際工程中,對(duì)于較高頻率的動(dòng)荷載引起的作用應(yīng)予以特別注意。

圖7 振動(dòng)時(shí)間 t和動(dòng)軸向應(yīng)變?chǔ)舲的關(guān)系曲線

圖8 振動(dòng)時(shí)間 t和動(dòng)孔壓ud的關(guān)系曲線

3 結(jié) 論

本文采用DDS-70微機(jī)控制電磁式振動(dòng)三軸儀,在均等固結(jié)條件下進(jìn)行了不同振動(dòng)頻率對(duì)飽和砂土動(dòng)力特性影響的循環(huán)三軸試驗(yàn),本次試驗(yàn)研究表明:

(1)在相同圍壓且均壓固結(jié)條件下,隨著振動(dòng)頻率的增加,飽和砂土的動(dòng)強(qiáng)度逐漸增大,而各個(gè)振動(dòng)頻率下飽和松砂的動(dòng)強(qiáng)度均隨振動(dòng)次數(shù)的增大而減小。

(2)在軸向動(dòng)應(yīng)力、圍壓一定且均壓固結(jié)條件下,動(dòng)孔壓隨著振動(dòng)頻率的增加,達(dá)到峰值動(dòng)孔壓所需的振次增多,各個(gè)振動(dòng)頻率達(dá)到峰值動(dòng)孔壓后隨著振動(dòng)次數(shù)的增加動(dòng)孔壓基本不再變化。

(3)在其他條件相同情況下,動(dòng)軸向應(yīng)變隨著振動(dòng)頻率的增加,達(dá)到5%的應(yīng)變所需的振次增多;動(dòng)軸向應(yīng)變與動(dòng)孔壓之間存在一定的關(guān)系,但各自的變化發(fā)展方向不是一致的。

(4)在其他條件相同情況下下,振動(dòng)頻率越高,達(dá)到液化所需要的振動(dòng)時(shí)間急劇減少,較高頻率比較低頻率的動(dòng)荷載作用更能迅速地使飽和砂土達(dá)到某一變形、孔壓和強(qiáng)度發(fā)揮水平,也使飽和砂土產(chǎn)生液化的可能性顯著增大。

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