橡胶砂动剪模量和阻尼比循环单剪试验研究

对7种不同配比的橡胶颗粒-砂混合物(简称橡胶砂)进行了循环单剪试验,得出了4种不同竖向固结压力p下不同配比橡胶砂的动剪模量和阻尼比的变化规律。研究表明:同一固结压力下,橡胶颗粒的增多使得应力-应变曲线明显降低,动剪模量衰减,阻尼比和隔震消能能力提高;同一配比下,橡胶砂的应力-应变曲线和动剪模量随固结压力的增大而增大,而阻尼比则随着固结压力的增大略有降低;橡胶颗粒含量的增加,会使得动剪模量归一化G_d /G_(d max)-y_d曲线衰减更早,更有利于橡胶砂的隔震应用;与已有研究的对比分析表明,该试验结果与已有文献的试验结果吻合良好,橡胶砂混合物的动剪模量和阻尼比受试验方法的影响不大。

复杂初始应力状态下松砂多向循环单剪特性

松砂极易液化,微小的应力状态变化也会影响其液化特性。基于多向循环单剪试验,采用松砂作为试验材料,开展不同静剪应力大小、方向和复杂剪切路径下的循环单剪试验,研究复杂初始应力状态下松砂循环单剪特性,得到以下主要结论:(1)随静剪应力比增大,试样剪应力峰值增大,第1个循环内孔隙水压力增量变大,试样更易液化;初始静剪应力大小对孔隙水压力的影响在剪切初期更显著。(2)随初始静剪应力和动剪应力主轴之间夹角增大,试样在X方向的剪应力峰值减小,试样孔隙水压力加速增长,在第1个循环以及最后1个循环内孔隙水压力增量变大,循环间差值增大,试样更易发生瞬时液化。(3)8字形剪切路径试样的应力-应变滞回圈面积最大,每个循环消耗能量最多,圆形剪切路径次之,直线剪切路径最小。复杂剪切路径会在剪切开始时诱发孔隙水压力的突然增加,加大各循环中孔隙水压力的增量,试样更易液化。(4)影响松砂液化因素的排序为:初始静剪应力与动剪应力夹角、剪切路径、初始静剪应力大小。

法向应力对接触面循环单剪力学特性的影响研究

法向应力对土与结构接触面循环单剪力学特性的影响研究具有重要意义。运用80 t大型三维接触面试验机,进行了不同法向应力下粗粒土与结构接触面单剪试验,分析了法向应力对接触面循环单剪力学特性的影响规律。试验结果表明,法向应力对接触面变形位移、滑动位移、切向应力、可逆性剪切体变和不可逆性剪切体变以及抗剪强度等接触面性能参量的数值有显著影响,但对参量间关系形式影响较小。法向应力越大,接触面变形位移在初始几个循环内越大,随循环剪切的进行,其减小速率越快,最终稳定值越小;切向刚度越大,切向应力稳定值也越大,初始几个循环内切向刚度系数越小;不可逆性剪切体变越大,可逆性剪切体变峰值和稳定值越小,相变位移和相变应力比越小;抗剪强度越大,其异向程度则先增大后减小。不同法向应力下,接触面循环抗剪强度与法向应力符合摩尔-库仑准则;切向应力比-切向位移关系、不可逆性剪切体变和剪切功密度关系均具有良好一致性,基本不受法向应力影响,可用双曲线模型描述,这将大大简化接触面本构描述。

一种新型动单剪仪的研发与试验验证

与动三轴仪和动扭剪仪相比较,动单剪仪具有加载条件更接近实际地震作用,且剪应力可以直接施加及剪应变可以直接量测等多方面的优点。然而,现有的动单剪仪仍存在剪应力-应变不均匀、边界条件不稳定、潜在剪切面和试样尺寸效应等技术问题。在比较分析现有动单剪仪加载机构和应力-应变条件的基础上,提出了一种新型立方体铰接机构动单剪仪的研制思路和加载原理。介绍了该仪器的压力室结构、加荷系统、量测系统和自动控制系统。利用有限差分程序模拟了3种不同单剪加载机构对土样剪应变分布的影响,验证了新型单剪仪设计使土样中剪应变分布更加均匀。针对2种原状黄土开展了一系列不同试验条件下的循环单剪试验。测试结果表明,该仪器的加载控制精准且量测信号可以较为真实有效地再现动荷载输入,且竖向应变、剪应变、剪应力和循环周次之间的关系曲线很好地揭示了原状黄土的震陷特性及其变化规律。

海积软粘土的单剪试验研究

开展了天津新港海积软粘土的一系列基于应变控制的单剪试验,研究了动剪切的频率、土样超固结比和剪切应变幅值对该土的等效动剪切模量影响,以及等效动剪切模量和阻尼比与动荷载作用时间的变化关系。试验结果表明:剪切频率越高或者土样的固结比越大,相同应变幅值对应的应力幅值和等效剪切模量越大,但是存在一个动荷载频率的阈值,低于此阈值,荷载频率对等效剪切模量的影响可以忽略;等效剪切模量随着循环振次增加而衰减,这种衰化主要发生在循环的初始阶段,超过一定的循环周次后,振动周次的影响逐渐减小;阻尼比受循环振次的影响较小。

橡胶-粉土混合土动力特性试验研究

【目的】为了解橡胶颗粒掺入粉土中对其动力特性的影响,对橡胶粉土混合土进行动力特性研究。【方法】将不同体积分数(0%、5%、10%、20%)的橡胶颗粒掺入粉土试样中,在不同竖向应力作用下,采用GDS动态循环单剪试验系统,对混合土的动剪切模量和阻尼比进行研究。【结果】混合土的动剪切模量随竖向应力的增大而增大,随橡胶颗粒体积分数和动剪应变的增大而减小;阻尼比随竖向应力的增大而减小,随动剪应变的增大而增大;橡胶颗粒体积分数对阻尼比的影响分为两个阶段,在动剪应变小于0.1%时,阻尼比随着橡胶颗粒体积分数的增大而增大,而在动剪应变大于0.1%时,阻尼比随着橡胶颗粒体积分数的增大而减小。【结论】本研究结果可为废旧轮胎橡胶颗粒在实际工程中的应用提供参考。

应变累积对黏土动剪模量和阻尼比影响的试验研究

通过对比试验,研究了分级循环加载试验中的应变积累现象,分析其对土动剪模量和阻尼比的影响,并指出:由于剪切应变的积累,分级循环加载试验得出的滞回曲线随着加载级数的增加,而沿着剪应变轴逐渐发生平移,但其形状特性并未发生变化。讨论了分级加载试验数据处理的方法,试验结果表明:先前的较小幅值荷载作用下产生的累积应变对后继较大幅值荷载下测得的动剪模量和阻尼比影响较小。最后,分析了分级循环加载试验方法的意义。

土工格室加筋对橡胶砂动剪模量影响的试验研究

对4种质量配合比(0%,20%,30%,100%)和4种竖向固结压力下的加筋与无筋橡胶砂,进行循环单剪试验,分析土工格室加筋对橡胶砂动剪模量的影响规律。研究结果表明:加筋与无筋橡胶砂的动剪模量均随着动剪应变幅值的增大而减小,随着橡胶含量的增大而降低,随着竖向固结压力的增加而升高,动剪模量曲线均随着固结压力的增大而趋于平缓、非线性特性减弱;土工格室加筋使得橡胶砂的动剪模量有所提高,但是随着剪应变幅值和固结压力的增大,加筋的影响降低;土工格室加筋使得橡胶砂的模量比衰减延迟,但其影响亦随固结压力的增大而减弱。

振动台试验模型地基土的设计与试验研究

本文在动力相似关系的分析基础之上,设计了一种以锯末为主要成分,用于地基-基础-上部结构动力相互作用振动台试验的模型土。用循环单剪仪对原型土和设计的模型土分别进行了试验,得出了2者的动剪切模量比Gd/Gdm ax和阻尼比λ随动剪应变γd变化的关系曲线,对两种土的动力特性进行了相似对比。试验结果表明,设计的模型土与原型土的动力特性具有较好的相似性。采用等效线性本构模型,给出了原型土和模型土的动力特性参数。对采用本文所设计的模型土进行振动台试验的动力相似问题进行了初步讨论。

基于阻尼的地震循环荷载作用下黏土非线性模型

提出一种基于阻尼比的黏土动应力应变模型,通过在滞回曲线中显示地引入代表阻尼比大小的形状系数,使得理论滞回曲线真实地反应土体的滞回阻尼性能。首先推导在等幅对称荷载下滞回曲线的理论方程。然后,为将该模型应用于随机地震荷载的情况,对扩展的曼辛不规则加卸载准则进行了改造,提出当沿小圈加载时,滞回曲线奔向曾经到达过的最大加卸载点。最后,介绍对一种粉质黏土进行的等幅循环荷载和不规则荷载作用下的循环单剪试验。试验结果表明,模型能够较好地模拟土在地震循环荷载作用下的滞回特性。

循环荷载下黏土应变积累积强化模型研究

循环加载历史是影响土的动力特性的一个重要因素。通过对一种原状粉质黏土进行高循环次数单剪试验,研究了黏土体应变随剪应变幅值及循环次数的变化规律,以及由于体应变的累积对黏土动力特性产生的影响。试验结果表明,黏土的体应变随着循环次数的增多和循环剪应变幅值的增大而增大,而土的动力特性则随着体应变的不断累积而出现强化现象,表现为动剪模量增加,阻尼比减小。对累积体应变与动剪模量、阻尼比之间的关系进行了研究,提出了相应的强化关系式。在常用的非线性模型基础上,通过引入动剪模量的强化系数和阻尼比的衰减系数,建立了一种能考虑循环应变历史影响的土动力模型。

土工格室加筋对橡胶砂动力特性影响的试验研究

橡胶砂作为轻质耗能填料在土木工程中应用越来越广泛,土工格室加筋可提高橡胶砂的抗剪强度和整体稳定性。针对关于橡胶砂或加筋橡胶砂动力特性的认知缺乏的现状,通过大尺寸循环单剪试验研究了橡胶砂分别在有无土工格室加筋情况下在水平循环荷载作用下的滞回特性。获得了加筋和非加筋橡胶砂的滞回曲线、动剪模量曲线和阻尼比曲线,并应用Stokeo–Darendeli模型对橡胶砂动力特性进行拟合,得到了加筋和非加筋橡胶砂的动力特性参数。基于对比分析,揭示了土工格室对橡胶砂动力特性影响的规律与机理。试验结果表明:(1)土工格室加筋能限制橡胶砂中剪切带的发展,使得橡胶砂在大应变下的滞回曲线反S形特征减弱、阻尼比增大;(2)由于网兜效应引起颗粒接触法向应力增大,土工格室加筋使橡胶砂动剪模量增大,且随着橡胶含量的增高而增大愈明显;(3)土工格室的加入降低了循环加载次数对橡胶砂动力特性的影响,并使得橡胶砂最大动剪模量随橡胶含量和竖向压力变化的速率减小。给出的土工格室加筋对橡胶砂动力特性影响的定量分析结果,可为后续研究和工程应用提供参考。

一种锯末-黏土混合地基土的动力特性试验研究

文章介绍了一种以锯末为主要成分,用于地基-基础-上部结构动力相互作用振动台模型试验的混合地基土。用循环单剪仪对混合地基土进行了动力特性试验,得出了动剪切模量比Gd/Gdmax和阻尼比λ随动剪应变γd变化的关系曲线,给出了该种混合地基土的动力特性参数。

加载频率对粘性土动力特性影响的试验研究

通过在不同的振动频率1 Hz、4 Hz、8 Hz、10 Hz情况下,研究了粘性土的应力应变曲线、动模量曲线和阻尼比曲线与振动频率的关系,讨论了振动频率对粘性土的动力特性的影响。结果表明:在这四种频率作用下,粘性土的动本构关系均服从双曲线模型;振动频率在应变较小时对土的动模量影响较小、在应变较大时影响较大;振动频率对于粘性土的阻尼比则具有较大的影响。

周期荷载作用下土动剪模量衰减特性研究

对重塑非饱和土样进行了固结压力为50kPa的循环单剪试验。考虑到土样在循环荷载下产生的塑性变形积累,引入物态参数累积体积应变εv来代表循环荷载的影响,对试验结果进行分析,得到了以εv为参数的动应力-应变函数,根据εv与循环次数N的关系,得出动剪模量在不同剪应变条件下随N的衰减关系。通过分析在不同剪应变下衰减趋势得出衰化系数d与剪应变的相关性不太明显,最后拟合出动剪模量归一化量GN/G1随循环次数N的衰减函数形式。

含水率对大应变下橡胶砂动剪模量和阻尼比的影响

橡胶砂作为轻质耗能填料在工程中应用广泛,其含水状态随应用领域及外界因素变化而不同。研究含水率变化对橡胶砂动剪模量和阻尼比的影响,对于其合理应用具有重要意义。利用大型循环单剪试验装置对6种含水率的橡胶砂在3种竖向压力下进行了循环剪切试验,得到了动剪应变幅值在1%~3%范围时,橡胶砂动剪模量和阻尼比随含水率变化的试验现象。结果表明:橡胶颗粒的加入使得纯砂的动剪模量随含水率的衰减受到抑制,当橡胶颗粒含量达到30%时,橡胶砂动剪模量随含水率的增大反而表现出增大的趋势;随着橡胶颗粒含量的增大,橡胶砂阻尼比随含水率的增大表现出衰减的趋势;虽然离散性较大,但含水率对橡胶砂动力特性的影响不可忽略,橡胶砂动剪模量受含水率影响的平均最大变化幅值可达20%,阻尼比受含水率影响的平均绝对变化值接近0.025;在动力特性随含水率的稳定性方面,橡胶颗粒质量含量为20%的橡胶砂表现相对较好。

地震荷载特征及其对砂土震陷影响试验研究

介绍美国最新一代动循环单剪系统的组成及其特点,分析原始真实地震荷载的输入方法,并对真实地震荷载的输入有效性进行验证。以美国Filter净砂为对象,选择冲击型与振动型地震波作为试验输入荷载,考虑砂土相对密度、上覆荷载,设计不同试验工况研究地震荷载特征及其对砂土震陷的影响,共计试验组数202组。试验结果表明:在同一砂土相对密度和上覆荷载条件下,振幅相同的振动型地震波引起的砂土震陷比冲击型地震波引起的砂土震陷大;砂土震陷主要由最大地震荷载峰值之前的各个较大峰值的地震波引起,其中最大峰值对应的地震波引起的砂土竖向应变最大;对于最大峰值之后的地震波,其峰值应达到该地震波最大峰值的80%左右才对砂土变形具有较明显的贡献作用;冲击型地震波最大峰值之后的各地震波对砂土变形影响不明显;对于振动型地震波,其最大峰值之前及最大峰值之后一定范围内的地震波作用共同决定着砂土变形的大小。

基于阻尼的边界面模型

阻尼比反映了土消耗能量的能力,土的动力本构模型真实地体现土的阻尼比具有必要性与重要性。在基于阻尼的滞回模型的基础上,通过在应力偏平面上引入相应的硬化准则,将其推广至弹塑性领域,建立了基于阻尼的边界面模型。给出了详细的推导过程,以及对相应的硬化准则的说明。理论预测结果与循环单剪试验结果的比较,说明了模型的可靠性。与基于曼辛准则的模型的比较,说明了其先进性,能够真实地反映阻尼比对土动力反应的影响。

固结压力相关的黏土动力特性模型研究及应用

对一种粉质黏土进行了不同固结压力下的循环单剪试验,得到了相应各固结压力下的动剪模量和阻尼比随动剪应变幅值非线性变化的Gd-γd曲线和D-γd曲线,并对其进行了归一化。试验结果表明,即使是归一化以后的动力特性曲线,仍然因固结压力不同而出现差异;固结压力越大,Gd/Gdmax-γd曲线衰减越慢,而D/Dmax-γd曲线增加也越缓。通过建立最大动剪模量、最大阻尼比和参考剪应变与固结压力之间的试验关系式,建议了一种实用的固结压力相关的黏土动力特性模型。最后,通过算例表明,场地土体动力特性随固结压力而变化的特征不但会影响场地地震反应的幅值,而且将影响其频谱特性,且场地覆盖层厚度越大,影响越强烈。

考虑阻尼修正的Pyke滞回模型研究

阻尼比反映了土体滞回耗能的特性,是土的重要动力特性参数。土的滞回本构模型能同时真实反映土的动剪模量衰减和阻尼比非线性变化特性,是保证场地及土–结构体系动力响应分析精确度的关键。针对经典的Pyke滞回本构模型,基于文献实测的动剪模量曲线和阻尼比曲线,研究了其对土体阻尼比的预测精确度,发现Pyke模型在大应变幅值时将显著高估土的阻尼比。针对此缺陷,结合前人提出的基于阻尼的滞回曲线方程和Pyke模型加卸载准则,提出了考虑阻尼修正的D-Pyke滞回模型。该模型假设双曲线形滞回曲线的饱满程度由形状系数确定,而后者则由当前加载曲线的滞回应变幅值所对应的实测阻尼比确定。滞回曲线的应变幅值与应力幅值之间通过骨架曲线相互关联,而应力幅值则由Pyke所建议的加卸载准则确定。通过针对粉质黏土的循环单剪试验结果,验证了D-Pyke模型相比于Pyke模型能够更为合理地同时模拟土的非线性动剪模量和阻尼比特性。模型同时继承了Pyke模型能更好地模拟土的循环加载棘轮效应、加卸载准则简单的优点,可为随机动力荷载作用下土体响应问题分析提供合理的本构行为模拟。