基于耗损比能的饱和粉土振动孔压增长试验研究

赵 慧，张 会(金肯职业技术学院， 江苏 南京 211156)

基于耗损比能的饱和粉土振动孔压增长试验研究

赵 慧，张 会
(金肯职业技术学院， 江苏 南京 211156)

粉土属于在振动荷载作用下易于液化的土类，粉土液化问题值得重视。云南属于我国地震多发地区之一，随着该地区高速公路、铁路等工程的建设，云南粉土的动力特性研究显得尤为重要。通过动三轴试验，以循环荷载作用下累积耗损比能为指标，对饱和粉土耗损比能及振动孔隙水压力的增长规律进行研究。结果表明：随着循环振次的增加，累积耗损比能增长明显，单次耗损比能大体呈现增长态势但存在个别波动现象；云南饱和粉土振动孔压比的增长与累积耗损比能之间有密切关系，其关系受初始应力条件的影响；云南饱和粉土振动孔隙水压力的发展与初始应力归一化无量纲比能之间具有显著的回归关系。

云南粉土；能量法；损耗比能；振动孔压；初始应力

随着抗震工程、高速公路铁路工程、海洋工程及核动力工程的发展和兴建，土的动力特性研究及地基、土体的动态反应分析等方面都有了很大的进展。土动力学中的能量分析法已成为一个新的分支。能量为体积量和标量。因而，在分析研究复杂土动力问题方面，能量法较应力法方便，能克服应力法遇到的某些困难。

国外，较多学者从能量角度研究砂土的动力特性试验研究及场地地震液化的能量判别模式。如文献[1-2]分别通过振动扭剪试验和循环三轴试验，基于能量法对砂土的液化特性和对基于损耗能量的单参数孔压模型的适用性进行了研究。国内，何广讷[3]自1979年开始探讨土动力学中的能量法及其应用，证明单周振动损耗能量的大小，即相当于该周振动所形成的滞回环面积，并提出了饱和砂土振动孔隙水压力与耗损比能的关系式。文献[4-5]分别基于能量法对在不同动应力路径下粉土强度特性的差异性问题和基于累积损耗能量的饱和粉土液化特性问题进行了试验研究。大量已有的基于能量分析法的试验研究结果表明，土的累积耗损能量与土的动力特性有着紧密关系。

粉土属于在振动荷载作用下易于液化的土类，粉土液化问题值得重视。目前，粉土液化特性等方面的相关研究逐渐增多[6-15]，但基于能量法的饱和粉土动力特性研究仍不多。

本文在云南饱和粉土的动三轴试验基础上，探讨循环荷载作用下饱和粉土累积耗损比能及振动孔隙水压力的增长规律，为解决该地区建筑物或构筑物地基动力失稳问题提供一些试验参考。

1 试验设备、步骤

1.1 试验设备

本文动强度(液化)试验采用北京新技术应用研究所研制的DDS-70型动三轴试验系统进行，试样尺寸为φ39.1×H80。

1.2 试样制备

试样为云南扰动粉土，干密度ρd=1.64 g/cm3，液限ωL=21.2%，塑限ωP=15.0%，塑性指数IP为6，其颗粒组成见表1。

表1 云南粉土的颗粒组成

按《土工试验规程》[16](SL237-017-1999)(附条文说明)中4.1.3规定，用击实法制备试样。

1.3 试样安装

严格按照DDS-70 动三轴试验系统使用说明书及《土工试验规程》[16](SL237-017-1999)(附条文说明)4.3.2中的规定安装试样。

1.4 试样饱和与固结

针对粉土易扰动的特性，史三元等[17]人对粉土三轴试验进行了反压饱和方法研究，取得理想饱和效果。采用反压饱和方法进行试样饱和，具体操作步骤参见《土工试验规程》[16](附条文说明)(SL237-017-1999)4.2.4规定。

操作步骤：压力室进水——加围压——测试样饱和度——加轴压——固结排水。测试样饱和度时以显示器上显示的孔压值和围压值之比值为参考，该比值即为当前的饱和度。认为试样已饱和，可进行下一程序。试样固结方案如表2所示。

表2 试验固结方案

1.5 加动应力

当确认试验准备正确无误，即可施加动应力进行振动试验。当振动试验按设置的程序运行完后数据自动保存为*.DAT文件，内容包括试验类型、最大采集点、频率、每级周次、试样原始高度(mm)、试样平均直径(mm)、轴向力(N)、轴向位移(mm)、孔压(kPa)、围压(kPa)、时间(s)等。

2 试验数据处理

利用试验系统进行动强度计算，计算结果保存为*.DTR文件，数据内容包括周次、页数、应变、修正的面积(mm2)、动应力(kPa)、孔压(kPa)、动剪应力(kPa)。

根据*.DAT和*.DTR文件数据，利用Excel或Origin进一步处理数据，并绘制相关曲线，如下文所示。

3 试验数据分析

3.1 试验数据曲线分析

通过计算机自动采集数据，绘制轴向应力、轴向应变、孔压时程线、滞回环。图1为固结比为1.0、围压为100 kPa的典型粉土试样应力应变滞回环。由图1可看出，轴向应力与应变关系滞回环随着循环振次的增加逐渐向横轴倾斜，弹性能逐渐减弱，其刚度越来越小，最终液化破坏或达到应变破坏标准而发生应变破坏。

图1 轴向应力-应变滞回环

3.2 基于耗损比能的饱和粉土振动孔压增长分析

3.2.1 耗损比能的计算

第一种方法，借助计算机得出滞回环面积，进而得到各振次的耗损比能及累积耗损比能。

第二种方法，利用何广讷[3]提出的振动能量估测经验公式(如式(1))估测单振次耗损比能。首先根据试验中某一组典型数据(固结比1.0，初始应力100 kPa)，确定参数A=1.899、B=1.3719，则得到该云南饱和粉土单振次耗损比能Ed估测公式可写为式(2)。

(1)

(2)

式中：Ed为单周振动荷载下土的耗损比能，kJ/m3；εd为轴向应变幅值，%；σd为轴向应力幅值，kPa；A、B为由试验确定的试验参数。

利用式(2)进行单次振动耗损比能估算，并与计算机结果进行对比，图2为某一典型试样耗损比能的对比情况。结果表明，在应变幅值εd为0%～5%之间时，两者结果基本一致，应变幅值εd为5%以上时，何广讷公式估测结果较计算机结果大些，可认为基本相符。须指出，后文分析是基于耗损比能估测的第一种方法进行的。

图3及表3为借助计算机对典型试样的耗损比能进行估测的结果。结果显示，随着循环振次的增加，累积耗损比能增长明显，而单次耗损比能则大体呈现增长态势但存在个别波动现象。

图2 耗损比能结果对比

图3 单次及累积耗损比能与循环振次的关系

3.2.2 振动孔压与累积耗损比能的关系

文献[3]中对福建标准砂进行动力试验研究发现振动孔隙水压力和无量纲耗损比能的关系满足一下的回归方程，如式(3)，亦可表示为式(4)。

(3)

(4)

(5)

式中：α、β为试验回归参数；ud为振动孔隙水压力，kPa；σ0为初始固结应力，kPa；Ed为单周振动荷载下土的耗损比能，kJ/m3；EN1为初始应力归一化无量纲耗损比能，kJ/m3；Kc为初始固结比；ζ为由试验确定的参数，取3。

根据统计学理论，式(3)或式(4)成立的条件需满足式(6)[3]。

(6)

(7)

(8)

(9)

图4(a)、图4(b)显示，云南饱和粉土的振动孔压比的增长与耗损比能亦存在密切关系，其关系受初始应力条件的影响。图4(a)结果表明，当初始固结应力σ0一定时，固结比Kc越大，该饱和粉土振动孔压的发展水平越低，仅Kc为1.0时，土样破坏时孔压比接近1；Kc为1.5，孔压比为0.8；Kc为2.0时，孔压比仅为0.45。图4(b)结果显示，当固结比Kc一定时，σ0越大孔压的发展水平越低，不同σ0下孔压比相对于累积耗损比能的增长趋势有所差异。σ0=100 kPa的条件下，孔压比为0～0.6时，其与累积耗损比能呈现线性增长关系，孔压比达到0.6后，孔压比增速变缓，最终趋于1；σ0=200 kPa的条件下，孔压增长亦呈现前期较快后期较慢的现象，破坏时孔压比为0.8～0.9之间；σ0=300 kPa的条件下，孔压比与累积耗损比能之间的关系基本呈直线关系，破坏时孔压比为0.75左右。

经数据处理分析发现，将该粉土的累积耗损比能∑Ed按式(5)进行归一化后，得到如图5(a)所示结果。若将该结果绘制于双对数坐标平面内，则这些试验点分布于一线型带状区域内，如图5(b)所示。结果显示，云南饱和粉土动三轴试验中振动孔隙水压力的发展与耗损比能之间的关系与何广讷式(3)或式(4)关系相似。而对于云南饱和粉土，式(3)或式(4)的回归关系是否成立，尚须验证式(6)是否成立。

图4 ∑Ed与ud/σ0的关系

基于云南饱和粉土35组共1100个动三轴试验数据点进行统计分析得

若取显著水平α′=0.01，则有

tα′/2(n-2)≈2.581<35.987

故满足式(6)。因此，云南饱和粉土振动孔隙水压力的发展与初始应力归一化无量纲比能之间的关系仍可用式(3)或式(4)表示。

4 结 语

本文在云南饱和粉土的动三轴试验基础上，以循环荷载作用下累积耗损比能为指标，探讨饱和粉土耗损比能及振动孔隙水压力的增长规律，主要结论如下：

(1) 随着循环振次的加，累积耗损比能增长明显，而单次耗损比能大体呈现增长态势但存在个别波动现象。

(2) 云南饱和粉土振动孔压比的增长与耗损比能之间有密切关系，其关系受初始应力条件的影响。云南饱和粉土振动孔隙水压力的发展与初始应力归一化无量纲比能之间的关系仍可用式(3)或式(4)表示，其间具有显著的回归关系。

图5EN1与ud/σ0的关系

(3) 随着干密度、黏粒含量的变化，云南饱和粉土振动孔隙水压力的发展与初始应力归一化无量纲比能之间的关系是否仍可用式(3)或式(4)表示，这有待进一步研究和讨论。

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Experimental Study of Dynamic Pore Water Pressure of Saturated Silt Based on Dissipated Energy

ZHAO Hui, ZHANG Hui

(JinkenCollegeofTechnology,Nanjing,Jiangsu211156,China)

Silt is a type of soil prone to liquefaction under vibration load. Silt liquefaction problem is an important issue. Yunnan Province is one of earthquake-prone areas in China. With the construction of highways and railways, study of the dynamic characteristics of Yunnan silt is particularly important. Based on dynamic triaxial tests in the laboratory, the dynamic pore water pressure of saturated silt was studied with the cumulative dissipated energy under cyclic loading as an index. The results show that an increase in cyclic vibration leads to a significant increase in cumulative dissipated energy and an increase in weekly energy dissipation with individual fluctuations. The dynamic pore water pressure of saturated silt in Yunnan Province has a close relationship with the cumulative dissipated energy, and the relationship is affected by the initiative stress. There is a significant regression relationship between the dynamic pore water pressure of saturated silt in Yunnan Province and the dimensionless ratio energy normalized by the initial stress.

Yunnan silt; energy analysis method; dissipated energy; dynamic pore water pressure; initial stress

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.06.027

2016-08-21

江苏高校品牌专业建设工程一期项目资助项目(PPZY2015C213)；江苏省高等职业院校高级访问工程师计划资助项目资助(2015FG022)；江苏省金肯职业技术学院科研项目(2014KY02)

赵 慧(1981—)，女(壮族)，广西大新人，讲师，硕士，主要从事土动力特性、工程防灾减灾研究及建筑工程领域的教学工作。 E-mail:hzhao81@163.com

TU411.8

A

1672—1144(2016)06—0137—05