土体原位连续动力特性测试设备研发与应用

• 作 者: 周羽哲
• 出 处: 西南交通大学
• 发表日期: 2020年03期
• 关键词: 地基土 原位试验 设备研发 动力特性 滞回曲线

在岩土工程勘察领域,土体的动模量、阻尼比、动刚度等动力特性是评估土体及其上部结构物在动荷载作用下响应的重要参数。通常土体动力特性由动三轴、共振柱等室内试验测得,其制样过程将不可避免的破坏土体原有结构,且存在尺寸效应。此外,土体动力特性亦可通过原为测试得到。国内外学者研制了多种原位土体动力测试手段,但多用于测试土体在冲击荷载下的响应或土体与结构物共同作用的宏观现象,均无法测试土体在连续动力荷载作用下的动力响应。为了解决现有原位动力测试方法无法对土体施加连续动力荷载的问题,本课题组自行设计并制造了一种土体原位连续动态测试设备。该设备通过在土体表面施加竖向的连续正弦荷载,测试土体在该荷载作用下的动力滞回曲线,通过滞回曲线长轴斜率可计算出土体的竖向动刚度,然后由输入能量与耗散能量的比值可计算出土体的阻尼比,最终基于弹性半空间理论计算出土体的动模量。在此基础上,本文对该试验设备样机分别进行了室内标定试验和在成都粘土场地的现场试验。结果表明:设备样机各部分运行良好,达到预期设计功能,输出的激振力满足设计指标;所开发的设备可完整的测得现场土体在连续动力荷载作用下的动力响应,测得的成都粘土滞回曲线其形态饱满,呈近似封闭状态的长梭型;在原位试验条件下土体的竖向动刚度、动模量随加载应力提高而降低,阻尼比随加载应力提高而增大,随着动应力增加到一定幅值后,出现板下土体累计变形突增现象,表明土体出现破坏;破坏过程中,随振次的增大,土体动刚度与动模量呈增大趋势,土体阻尼比呈下降趋势,认为土体发生了振密现象,板下土体结构发生了重新排列,最终形成了模量、刚度较高、阻尼较小的密实土体;将前六级加载N=100振次滞回曲线进行累计变形归零处理,使各级滞回曲线中心点位于坐标轴零点,并依次连接各滞回圈长轴顶点,得到在连续动力荷载作用下原位土体的骨干曲线,从骨干曲线可以看到原位土体在连续动力荷载下的应力变形关系存在明显的非线性,其形态类似于双曲线。