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交通、风力发电及动力机器等基础在运营过程中对土基长期作用动荷载,研究土基在这类荷载作用下的动力特性及基础沉降具有十分重要的意义。长期动荷载作用下,地基沉降变形的预测研究,已引起国内外学者的重视。这种荷载引起的土体应变水平通常超出土材料的理想弹性应变范畴,因此土体的动力特性会随着时间的推移而发生变化。
基础沉降与土剪切模量密切相关,研究土动力特性在长期动荷载作用下的变化规律可进一步为预测动力基础的沉降提供科学依据,但目前关于这方面的专项研究相对较少,且结论不尽一致。
以往对干砂动力特性受荷载历史影响的研究认为:(1)当先期振动幅值小于体积应变阀值时,砂土最大剪切模量随先期循环次数的增长率很小;而当大于该阀值时,明显增大,最大增长率可达300%。并认为,模量增长与土的密实化作用无关(其试验砂样的初始密度为86%),而与土粒之间的磨损作用密切相关。而一些学者认为该模量增长与砂土初始密度有关,密砂的模量增长率较小,而松砂的增长率较大,经历一定循环次数后模量基本恒定。(2)一些学者对细、中砂的研究中指出了先期振动对最大剪切模量的增长作用不明显。
以往研究中,通常存在以下几个方面的问题:(1)由于共振柱试验捕获某特定条件下的共振频率需经历数百次甚至上千次的振动,采用共振模式施加先期荷载无法研究低循环次数对剪切模量的影响。(2)若土样刚度受到先期振动的影响(增长或衰减),预设的振动频率不再是共振频率,故而预应变幅值并非恒定。(3)当采用扭剪试验仪或动三轴仪时,因受仪器荷载频率限制,所施加的先期低频动荷载特性与某些工况下的高频动荷载特性明显不同,如交通荷载和动力机器荷载等。(4)采用低频动荷载研究极大循环次数对土动力特性的影响时,因非常耗时而不便于实际操作。
自1936年日本工程师Ishimoto和Iida发明了共振柱试验仪以来,共振柱试验已广泛运用于常规土的剪切模量和阻尼比的测定。起初,共振柱仅适用于较简单边界条件的测试,随着对复杂边界条件测试需求的提高,该仪器功能已得到大大改进,如施加不均等围压,提高应变水平,极高围压下的测试,增加扭剪试验功能等。
动力系统质量极惯性矩是指安装在试样顶部的各部件质量极惯性矩之和,是共振柱试验分析试样剪切模量的必备参数。理论上,由各部件的质量和几何形态决定,但因其形态的不规则性,无法通过计算获得,通常采用实验标定。传统标定法是通过对三根抗扭刚度中等的抗磁性金属标定杆及两～三块标定砝码进行一系列共振试验确定,取其平均值作为仪器的质量极惯性矩。它基本满足常规土样的试验分析,但分析刚性材料(如软质岩、冻土及强化处理的砂土等)的剪切模量时,导致结果显著偏低。
通常认为共振柱试验是测定土质材料小应变剪切模量的最可靠方法。然而,当土质材料的剪应变水平超过其弹塑性应变范畴之后,共振柱试验不再适用于剪切模量的测试。且采用低循环次数试验技术测定中一高应变土动力特性更符合实际地震荷载的特性。因此,1994年Kim和Stokoe在Stokoe共振柱的基础上增加了扭剪试验功能,进一步提高了这类设备测试土样的应变水平,从而实现了共振柱与扭剪试验对同一土样动力学参数的测定,从而获得从小应变到大应变的完整的剪切模量衰减曲线和阻尼曲线。
然而,关于联合扭剪Stokoe共振柱的扭剪试验成果及其扭矩系数标定方法的相关文献报道不多。虽然一些学者对干砂和饱和砂土进行了共振柱、扭剪和弯曲元试验的对比研究,但并提及扭矩系数的标定问题。笔者从英国GDS公司的用户指南上了解到,扭矩系数是通过对一个剪切模量已知、抗扭刚度中等的铝质标定棒进行标定而得,分析试样的剪切模量均使用统一的扭矩系数,并未考虑试样抗扭刚度对扭矩系数的影响。笔者曾按照GDs推荐方法,对两根不同直径(不同刚度)的标定棒进行标定试验,发现两组标定的扭矩系数存在明显的不一致性。
为提高试验精度,对八个铝质标定杆进行了一系列共振柱标定试验,系统研究了测定的共振柱动力系统质量极惯性矩随试样刚度增大而减小的假象,通过对测定的共振频率修正,从而实现对刚性材料的剪切模量准确测定。此外,就共振柱扭剪试验的扭矩系数不恒定问题进行了深入研究,分析了扭剪频率、输入电压及试样抗扭刚度等因素对标定结果的影响,探讨这些因素对标定结果影响的本质。寻求一种可靠的标定法,解决传统标定法应用过程中造成较大试验误差的问题。
为对比分析荷载历史对砂土动力特性的影响,对柏林砂新鲜试样进行了大量的共振柱试验,分析了剪应变幅值、围压、孔隙比、含水量、围压静置时间、应力历史,制样方法等因素对砂土剪切模量与阻尼比的影响。提出了一种基于孔隙比和围压的最大剪切模量经验公式,并对砂土归一化模量和阻尼比的应变依赖特性分别提出了相应的评价模型。此外,笔者通过对砂土的弯曲元试验,对比分析了该法与共振柱法测定砂土最大剪切模量时存在的问题,并建立了两者测定的最大剪切模量之间经验关系。
针对以往对荷载历史对砂土动力特性影响研究中存在的问题,笔者采用共振柱的预应力控制模式的预荷载方法,对试样施加任意频率的非共振先期荷载,实现低循环次数对土剪切模量和阻尼比影响的共振柱试验研究。此外,这种方法能提供恒定先期扭剪荷载,解决了以往研究中采用共振模式而不能确保预应变幅值恒定的问题。通过对大量砂土试样的共振柱试验研究,系统分析了荷载历史对砂土动力特性的影响。进一步探索砂土在长期动荷载下的动力特性,为工程实践应用及建立动力学模型提供依据和理论基础。
共振柱动力系统质量极惯性矩的标定试验研究表明:(1)由于共振柱共振时动力系统发生屈服,从而表现出质量极惯性矩随试件的抗扭刚度和共振频率增大而增大的现象。(2)采用厂家推荐的传统标定法,分析刚性试件的剪切模量时,结果明显偏低,最大偏低率达20%以上,而分析柔性试件时,结果偏高。(3)基于系统屈服考虑的新标定法,在分析刚性试件剪切模量时,能将厂家推荐的传统方法产生的测试误差由20%以上降低至2%以内。
共振柱扭剪标定试验表明:(1)固定一自由型联合扭剪Stokoe共振柱因电磁动力系统设计上的固有缺陷,在进行扭剪试验过程中,扭矩系数随扭剪频率和输入电压的增大而微弱减小,随试样抗扭刚度的增大显著增长。(2)基于试样抗扭刚度的扭矩系数标定法,很好地克服了动力系统的固有缺陷问题,将使用传统标定法引起的偏差范围从-19%至14%控制在2%以内。
通过对柏林砂的共振柱试验研究表明:(1)剪切模量随围压的增大而增大,随孔隙比的增大而减小,随应变水平的增大而减小;归一化剪切模量一应变衰减曲线随围压的增大向上偏移,但受砂土密实度影响非常微弱。阻尼比曲线随围压的增大而向下偏移,但不受砂土密实度影响。(2)含水量对砂土剪切模量亦有显著影响,对某一密度砂土试样,存在一个最优含水量,当低于该最优含水量时,剪切模量随含水量的增大而增大,大于最后含水量时,随之减小。归一化剪切模量应变衰减曲线几乎不受含水量的影响,而湿样的阻尼比略低于干样。(3)在减压路径中测定柏林砂最大剪切模量略小于增压路径中测定的模量值,这是由于经历高围压作用后的砂土颗粒配位数的定向化的结果。(4)弯曲元与共振柱试验对比分析表明,存在一个临界值刚度值,小于该临界值时,弯曲元试验的模量值大于共振柱试验的模量值;大于该临界模量时,前者小于后者,且两者差值均随土样刚度增大而增大,两者关系可通过简单的线性函数描述。
在研究荷载历史对砂土动力特性影响问题上,由于试样经历先期振动后,尺寸变小,密度增大,不能采用初始尺寸和密度进行剪切模量的分析。常规共振柱试验使用干样,直接监测试样的径向尺寸变化较难。因此,笔者在完成大量干砂试样试验后,重新测量试样尺寸,建立了轴向应变与径向应变的经验关系。通过本文提出的经验公式预测的径向应变最大误差仅为0.39%,满足美国材料与测试学会(ASTM)标准中对试样尺寸测量误差不大于0.5%的精度要求。完成一定循环次数时,试样的轴向沉降量由置于转动盘上的LVDT传感器监测,进而计算出试样相应的直径和高度,并计算出此时的试样密度,用于剪切模量的分析,从而克服以往同类研究中不考虑试样尺寸变化而引起分析结果的误差。
荷载历史对砂土动力特性影响的试验研究发现:(1)当循环次数低于某一阀值时,砂土的剪切模量或刚度随循环次数增大而减小,对中等密度砂,该衰减量在达阀值循环次数时可达20%以上,当大干该阀值后,随循环次数增大而逐渐增大,这不同于以往认为剪切模量随先期循环次数增大而始终增大的结论;(2)剪切模量随循环次数衰减程度与砂土密实度密切相关,砂土密度越大衰减程度越小,反之,衰减程度越大。(3)当干砂试样在经历较高围压下的先期振动后,尽管试样已明显振密,但在减压路径中测定的最大剪切模量明显小于未经历先期振动前相同围压下测定的模量值,且最大剪切模量随围压的变化关系不再是新鲜试样的指数函数关系而是线性关系;而在经历较低围压下的先期震动后,增大围压路径中测定最大剪切模量大于新鲜试样同等围压下的最大剪切模量,且最大剪切模量与围压的关系仍遵循指数函数关系。(4)含水量对砂土剪切模量随循环次数的变化关系和在经历先期振动后减压对最大剪切模量的影响有着显著的影响,最大剪切模量—先期循环次数关系曲线的位置随含水量的增大向下偏移,在达最优含水量时达最低位置,之后,曲线位置向上偏移。而在以往同类研究中,均未涉及含水量对荷载历史对砂土动力特性的影响。(5)制样方法与预荷载施加模式对最大剪切模量与先期循环次数的变化关系无定性关系上的影响,这进一步证实本研究所发现规律的客观性。(6)经历较小循环次数的先期振动后,归一化剪切模量明显大于新鲜试样的对应值,而阻尼比明显减小;但随着循环次数的增大,归一化剪切模量逐渐减小,阻尼比则随之增大。当循环次数突破某一阀值后,归一化剪切模量和阻尼比分别小于和大于未经历先期振动前的对应值。(7)砂土剪切模量随先期循环次数的变化关系是土粒磨损作用、结构密实化、及土颗粒竖向定化或颗粒配位数定向化的共同结果。土粒磨损作用和结构密实化是砂土剪切模量增大的根本原因,而土颗粒竖向定化或颗粒配位数定向化是其衰减的本质。