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不同冲击频率与中主应力下细砂力学响应研究

2012-08-09刘锦伟李彰明

长江科学院院报 2012年8期
关键词:细砂主应力轴向

刘锦伟,李彰明

(广东工业大学岩土工程研究所,广州510006)

不同冲击频率与中主应力下细砂力学响应研究

刘锦伟,李彰明

(广东工业大学岩土工程研究所,广州510006)

使用SPAX—2000改进型真三轴试验系统对饱和细砂进行循环冲击动力固结试验,研究不同固结条件、不同冲击荷载作用频率与不同中主应力作用下细砂应力-应变关系等力学响应;并结合三轴剪切试验,分析对比了不同条件下冲击荷载作用后试样强度的变化特征。试验结果表明:中主应力增大,试样在冲击荷载的作用下更容易趋于密实,抗剪强度得到较大的提高;频率降低,在中主应力较小时动力固结后试样抗剪强度有明显的提高,而在中主应力较大时试样抗剪强度没有太大变化;表明了中主应力和冲击荷载频率是影响试样动力固结效果的重要因素。

真三轴试验;循环冲击荷载;中主应力;细砂;力学响应规律

1 研究背景

利用冲击荷载来进行砂土地基或上覆砂土的软土地基处理已经是常见的一种加固方法[1],冲击荷载下砂土的力学性状一直是国内外研究的热点。室内试验以其有效控制边界条件,精确地量测土体的应力、应变等参数,可较方便模拟土体实际的受力特性。饱和砂性土在冲击荷载下的沉降情况已有相关试验研究[2],砂性土的宏细观强夯加固机制也进行了试验研究[3]。还有学者做了饱和砂土动力特性的动三轴试验研究工作[4]。然而,模拟地基冲击加固的真三轴循环冲击荷载下的试验研究却鲜有报道。

本试验使用SPAX—2000改进型真三轴试验系统对饱和细砂进行循环冲击动力固结试验。动三轴试验分别采用不同的固结条件、冲击荷载作用频率,研究在此过程中细砂的应力-应变关系等力学响应。

2 试验方法

2.1 试验设备

试验采用由美国GCTS公司制造的、完全由计算机控制并采集数据的SPAX—2000改进型真三轴试验系统,该仪器可选择采用应力或应变控制模式,同时可输入各种波形(如方形波、正弦波和自定义波形等)进行试验。

2.2 冲击荷载模拟

夯击时,强大的冲击能量在地基中产生强烈的振动,并以波动形式向四周传播。对于夯锤与地表接触动应力的分析,国内外学者已经做了很多研究[1,5,6]。研究表明,尽管在冲击荷载作用期间表面接触应力会出现一定的波动和起伏,但总的趋势表现出是脉冲荷载的形式,即大致可分为加荷和卸荷2个阶段[4]。试验冲击荷载的加载过程采用自定义脉冲荷载的波形,如图1所示。为了模拟实际情况,冲击时关闭排水阀门,以便较好模拟夯击时冲击荷载的作用。

图1 冲击荷载作用形式Fig.1 Form of im pact load

2.3 试验土料及其物性指标

试验采用的砂样为福建标准砂,并对砂样进行过筛。选取砂样的粒径范围为0.1~0.25 mm之间,按照《土的工程分类标准GB/T50145—2007》砂样定名为细砂。砂样的最小干密度ρdmin=1.347 g/cm3,最大干密度ρdmax=1.795 g/cm3,砂样的相对密度ds=2.445,初始孔隙比e0=0.511。

2.4 试验步骤

(1)装样:采用控制干密度ρd=1.617 g/cm3的方法,称取所需的砂样,并分3等份在水中煮沸,冷却后采用分层湿捣将试样制成50 mm×50 mm× 120 mm的长方体。

(2)反压饱和:采用SPAX—2000改进型真三轴系统自身的反压饱和系统,并通过设置反压饱和程序来进行反压饱和,并使饱和度B值到达0.98以上,结束饱和程序。

(3)静动力固结模拟:按照试验方案进行相应的模拟静动力固结。本次试验选择每个试样循环冲击4次,2次冲击的间隔时间为2 min。冲击时关闭排水阀门,冲击间隔打开排水阀门。

(4)剪切:静动力固结完毕后,采用0.5%的轴向应变速率进行固结排水的三轴剪切试验。

3 试验结果分析

采用1,5,10 Hz 3种不同频率以及100,150,200 kPa 3种不同中主应力进行循环冲击试验,以寻求相应力学响应规律。冲击试验方案见表1,以下为试验结果及分析。

表1 冲击试验方案Table 1 Schemes of the impact test

3.1 固结条件的影响

图2是相同频率、不同中主应力条件下冲击固结阶段轴向应力-轴向应变关系,从图中可以得到:频率为1 Hz时,不同中主应力的试样在第一次冲击时轴向应力都达到了预设值。频率为5 Hz、中主应力为150,200 kPa时,第一次冲击时轴向应力基本达到预设值,而中主应力为100 kPa时,第一次冲击时轴向应力为280 kPa,只达到了预设值的80%。频率为10 Hz时,当中主应力为200 kPa时,第一次冲击时轴向应力达到预设值,而中主应力为150 kPa时,第一次冲击时轴向应力为280 kPa,只达到了预设值的80%。中主应力为100 kPa时,第一次冲击时轴向应力为260 kPa,只达到了预设值的60%。随着击数增加,冲击时轴向应力值也逐次提高,说明冲击固结后试样变得更加密实。

轴向应变量变化规律表现为:在相同中主应力条件下,每次试验过程中第一次冲击下轴向应变量为最大,轴向应变量随着冲击次数的增加而减少。随着冲击数增加,试样越来越密实,轴向应变量越来越小。不同中主应力、相同次序的冲击作用下,轴向应变增量随着中主应力的增大而减小。

不同中主应力下累积轴向应变量也随中主应力的增大而减小。中主应力对试样的侧向变形有着类似环箍作用,进而制约试样轴向变形。中主应力越大,在相同的轴向冲击作用下,轴向应变量越小。

3.2 冲击频率的影响

图3是相同中主应力下冲击固结阶段轴向应力-应变关系。从图中可见:中主应力为200 kPa时,不同频率下的第一次冲击时轴向应力达到预设值。中主应力为150 kPa时,频率为1 Hz,第一次冲击时轴向应力达到预设值。频率为5 Hz时,第一次冲击时轴向应力为290 kPa,只达到了预设值的90%。频率为10 Hz时,第一次冲击时轴向应力为280 kPa,只达到了预设值的80%。中主应力为100 kPa时,频率为1 Hz,第一次冲击时轴向应力达到预设值,而频率为5 Hz时,第一次冲击时轴向应力为280 kPa,只达到了预设值的80%。频率为10 Hz时,第一次冲击时轴向应力为260 kPa,只达到了预设值的60%。但随着冲击次数增加,轴向应力值也都在提高,说明冲击固结后使得试样变得更加密实。

图3 相同中主应力下冲击固结阶段轴向应力-轴向应变关系Fig.3 Relations between axial stress and axial strain under the same intermediate principal stress during consolidation

中主应力为100,150 kPa时,在不同频率、相同次序的冲击作用下,轴向应变随着冲击作用频率的增大而减小。不同频率下的累积轴向应变量也随频率增大而减小。频率高的情况下冲击荷载作用的时间较短,因而轴向应变量较小。

3.3 剪切结果分析

图4表示相同频率、不同中主应力条件下剪切阶段的轴向应力-轴向应变关系。从图中可见,试样剪切试验轴向应力-轴向应变曲线随中主应力的增大而升高,表现为抗剪强度的增大。

图5表示相同中主应力、不同频率条件下剪切阶段轴向应力-轴向应变关系。当中主应力为100 kPa时,剪切试验的轴向应力-轴向应变曲线为平缓曲线。当中主应力为150,200 kPa时,剪切试验曲线表现为应变软化。

图4 相同频率下剪切阶段轴向应力-轴向应变关系Fig.4 Relations between axial stress and axial strain under impact of the same frequency during shear stage

图5 不同中主应力下剪切阶段轴向应力-轴向应变关系Fig.5 Relations between axial stress and axial strain under different intermediate principal stresses during shear stage

将图4、图5与对应的冲击固结过程轴向应力-轴向应变关系图2、图3进行对比分析,从中可以发现,若冲击荷载作用最后一击的轴向应力值没有达到预设值,并且轴向应变量较大,此时试样还较为松散,在压缩剪切试验时轴向应力-轴向应变曲线就较为平缓;若冲击荷载作用最后一击的轴向应力值达到预设值,并且轴向应变量较小,此时试样已经较为密实,在压缩剪切试验时轴向应力-轴向应变曲线就呈现出应变软化。

4 结 论

采用1,5,10 Hz 3种不同频率以及100,150,200 kPa 3种不同中主应力进行循环冲击试验,其力学响应主要规律如下。

(1)中主应力影响:①冲击固结阶段,中主应力越大,对试样的类似环箍作用越大,轴向冲击应力随着中主应力就越大;轴向应变增量随着中主应力的增大而减小;②剪切阶段,随中主应力增大,试样剪切试验中轴向应力-轴向应变曲线峰值段抬高,表现出抗剪强度的增大;剪切阶段的轴向应力-应变关系曲线表现应变软化更加明显,应力峰值更大。

(2)频率影响:①冲击固结阶段,频率越低,冲击荷载作用时间越长,在中主应力较小时,轴向应力和轴向应变都随着频率的降低而增大;在中主应力较大时,轴向应力达到设定值,轴向应变较小;②剪切阶段,中主应力较小时,频率的降低使得动力固结试样抗剪强度明显提高;而中主应力较大时,剪切强度无明显改变。由此也可见,试样动力固结时频率选择应与侧向约束设定综合考虑。

[1] 李彰明.软土地基加固的理论、设计与施工[M].北京:中国电力出版社,2006.(LI Zhang-ming.Theory,Design and Construction of Soft Soil Reinforcement[M].Beijing:The Electric Power Press of China,2006.(in Chinese))

[2] 张均锋,盂祥跃,谈庆明,等.冲击荷载下饱和砂土砂面沉降的实验研究[J].岩石力学与工程学报,2001,20(4):519-523.(ZHANG Jun-feng,MENG Xiangyue,TAN Qing-ming,et al.Laboratory Study on the Settlement of Sand Surface of Saturated Sand under Impact Loading[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2001,20(4):519-523.(in Chinese))

[3] 贾敏才,王 磊,周 健.砂性土宏细观强夯加固机制的试验研究[J].岩石力学与工程学报,2009,28(增1):3282-3290.(JIA Min-cai,WANG Lei,ZHOU Jian.Experimental Research on Macro-meso Consolidation Mechanism of Sandy Soil with Dynamic Compaction[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2009,28(Sup.1):3282-3290.(in Chinese))

[4] 王艳丽,胡 勇.饱和砂土动力特性的动三轴试验研究[J].地下空间与工程学报,2010,6(2):295-299.(WANG Yan-Li,HU Yong.Dynamic Triaxial Testing Study on Dynamic Characteristics of Saturated Sand[J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering,2010,6(2):295-299.(in Chinese))

[5] 孔令伟,袁建新.强夯的边界接触应力与沉降特性研究[J].岩土工程学报,1998,21(2):86-92.(KONG Ling-wei,YUAN Jian-xin.Study on Surface Contact Stress and Settlement Properties During Dynamic Consolidation[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,1998,21(2):86-92.(in Chinese))

[6] 李彰明,林军华.静动力排水固结法淤泥软基处理振动试验研究[J].岩土力学,2008,29(9):2378-2382.(LI Zhang-ming,LIN Jun-hua.In-situ Tests and Analysis on Vibration Influences During Mud Ground Improvement with Static-Dynamic Drainage Consolidation[J].Rock and Soil Mechanics,2008,29(9):2378-2382.(in Chinese))

(编辑:曾小汉)

M echanical Responses of Fine Sand under Different Im pact Loading Frequencies and Intermediate Principal Stresses

LIU Jin-wei,LIZhang-ming
(Institute of Geotechnical Engineering,Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006,China)

We carried out cyclic impact and consolidation testswith different intermediate principal stresses on saturated fine sand by using improved SPAX-2000 true triaxial testing system,and investigated themechanical responses of the sand such as stress-strain relations and strength variation of specimen after the impact loading under different conditions.Results showed that:when intermediate principal stress increased,the specimen under impact loading was easily tend to be dense,and shear strength was largely improved;when the frequency of impact load

was lower and the intermediate principal stress smaller,shear strength of the specimen increased significantly,while when the second principal stresswas larger,shear strength of the specimen rarely varied.The results indicate that intermediate principal stress and frequency of impact load are important factors affecting the dynamic consolidation.

true triaxial test;cyclic impact load;intermediate principal stress;fine sand;law ofmechanical response

TU411.7

A

1001-5485(2012)08-0089-04

10.3969/j.issn.1001-5485.2012.08.017 2012,29(8):89-92,99

2011-05-22

国家自然科学基金资助项目(51178122)

刘锦伟(1985-),男,湖北天门人,硕士研究生,从事地基与基础工程的研究,(电话)15918793687(电子信箱)liujinwei20101103@163.com。

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