堆石料的模量阻尼试验研究

房恩泽（大连理工大学建设工程学部 ，辽宁大连116024）

堆石料的模量阻尼试验研究

房恩泽
（大连理工大学建设工程学部 ，辽宁大连116024）

为了研究堆石料的模量阻尼特性 ，采用大连理工大学研制的微机控制电液伺服式粗粒土静动力剪切仪，对古水水电站灰岩堆石料进行模量阻尼试验研究 ，研究了不同围压、不同剪应变对堆石料模量阻尼特性的影响。试验结果表明 ，在剪应变增加的情况下 ，堆石料的动力剪切模量会减小，阻尼比随剪应变变化的规律则与之相反 ；围压的增加引起堆石料的最大动剪切模量的增加 ；围压的增大会引起动力剪切模量随之而增大，而阻尼比则随之减小 ；堆石料的动力应变关系可以用等效线性模型描述 。

动力剪切仪；堆石料；动剪切模量；阻尼比

目前国内外许多学者关于堆石料的动力特性做了大量的试验。沈珠江［1］等通过大型电液伺服粗粒土静动两用三轴试验机对新疆吉林台面板堆石坝主要的筑坝材料进行了动力试验研究；Matsumoto［2］等利用大型循环扭剪仪，对堆石料的动力剪切模量和阻尼比进行了试验研究；孔宪京等［3］对大量堆石料进行了动力剪切模量与阻尼比试验研究；于玉贞［4］为了研究某面板堆石坝堆石料的动力特性进行了大量的试验研究。

以上大多数研究多是应用动力三轴仪进行的。然而，大量的研究表明动力三轴仪仍有一些缺陷，引起土体破坏的地震波主要是剪切波，而在动力三轴仪上其试样承受的是竖向动力荷载，与土体在地震荷载作用下的真实受力状态并不相同。另外动三轴仪试验只能求的动弹性模量，为求得动剪切模量，需假定动泊松比为定值［5］。因此大连理工大学研制了微机控制电液伺服式粗粒土静动力剪切仪，本机并不需要假设动泊松比为定值，可直接求得动剪切模量，能比较真实的模拟土体在地震荷载作用下真实的应力状态［6］。

本文运用大连理工大学研制了微机控制电液伺服式粗粒土静动力剪切仪对灰岩堆石料进行模量阻尼试验研究，克服了动三轴仪的一些缺陷［7］，得到堆石料模量比、阻尼比随围压和剪应变的变化关系曲线，以及一些动力计算参数，为实际工程提供一些参考。

1 理论基础

等效线性模型理论比较明确，对土体在动力荷载作用下的剪应力和剪应变的关系描述的比较合理，因此等效线性模型在国内外对于土体的动力分析中应用非常广泛［8］。

由于等效线性模型的这些优点，因此本试验研究采用其为理论基础，对堆石料在动力荷载作用下的模量阻尼特性进行试验研究。该模型［9］主要包括基于假定骨干曲线为双曲线的1/Gd～γd的线性关系；最大剪切模量（Gd）max与平均有效应力 σm在对数坐标下的线性关系 ；Gd/（Gd）max与 γd及λ与γd的关系。

2 试验方法

2.1 试验设备

试验所采用的设备是大连理工大学研制微机控制电液伺服式粗粒土静动力剪切仪（图1），竖向最大静荷载为1 000 kN，水平最大静力荷载为500 kN，水平最大设计动荷载为250 kN，环向设计最大动围压力为3 MPa，试样尺寸采用φ30 cm×30 cm，水平作动器频率为0.1 Hz～3 Hz，水平最大振幅为15 mm。

2.2 试验材料

本次试验所用料为古水水电站灰岩堆石料。试验用料的最大粒径为60 mm，本试验的级配是在设计级配的基础上首先运用相似级配法，然后再将超径部分等量替代缩尺而成。

表1堆石级配表

2.3 制样方法

试验步骤参考《土工试验规程》［10］（SL237-1999）。试样直径30 cm，高度30 cm。为了达到控制干密度，将试样分3层，每层堆石料的质量相等，高度为10 cm，每层堆石料的级配均为试验级配，每层料加入适量的水搅拌，搅拌均匀后装入成型筒内，然后将每层料用击实器击实至所需干密度；完成制样后，将成型筒拆除，放下压力室盖，拧紧螺丝后，将小车推入机架内；试样采用底部通入无气水，使无气水自下而上充满试样，待出水管水流平稳后，认为饱和完成；试样饱和完成后，为了达到试验预定的固结比，分别施加竖向荷载和围压。

2.4 试验方案

试验采用应变控，振动频率取0.33 Hz，对堆石料采用表2中的围压、固结比进行动力剪切模量阻尼试验。

表2试验方案

3 试验结果与分析

由于试验采用应变控，所以试样在每一级剪应变下的动力剪切模量Gd可以通过这一级的剪应变下的剪应力τd与剪应变γd相除求得，将这些剪应变γd和与之相对应的Gd绘制在半对数坐标下，得到图2。由图2可知，在剪应变 γd增加的情况下，堆石料的动力剪切模量 Gd会随之减小，并且在围压增加的情况下，动力剪切模量Gd会随之增加［11］，但是在高围压下这种增加的趋势不是很明显。

图2 堆石料Gd～γd关系

将堆石料试验所得的动力剪切模量Gd与剪应变γd按照公式（1）进行整理，将整理结果绘制在图3上。

当 γd趋进于0时，截距的倒数1/a即代表最大动弹性模量（Gd），斜率的倒数1/b即代表τ［12］。

maxmax

由图3可看出，随着围压的增大直线截距随之减小，即最大剪切模量（Gd）max随着围压的增大而增大，但在高围压下这种增加的趋势不是很明显。假设最大动弹性模量（Gd）max与平均有效应力 σm可以用式（2）进行拟合［13］:

式中:Pa为大气压力；对于三轴试验，σm=（σ1+ 2σ3）/3；k和n为两个动力弹性模量计算参数。如图4所示，最大动弹性模量（Gd）max与平均有效应力 σm在全对数坐标下成直线关系。

图3 堆石料1/Gd～γd关系

图4 堆石料（Gd）max～σm关系

图5为堆石料 Gd/（Gd）max～γd的关系图 ，图6 为λ～γd的关系图。如图5所示，用（Gd）max把Gd归一化，Gd/（Gd）max～γd明显更加集中，离散程度降低了很多，且Gd/（Gd）max随着剪应变γd的增加而减小。将试验获得的阻尼比 λ与剪应变γd绘制在图6上，见图6，在剪应变γd增加的情况下，阻尼比 λ会增加，并且在围压增大的情况下，阻尼比 λ会降低［14］。

图5 堆石料 Gd/（Gd）max～ γd关系

图6 堆石料λ～γd关系

为了检验本试验成果的合理性，需要将试验获得的模量比 Gd/（Gd）max、阻尼比 λ试验数据与国内外已经用于实际工程中的大量试验数据进行对比，陈崇茂等人给出了模量比Gd/（Gd）max和阻尼比λ随动剪应变 γd变化的统计公式［15］。这些公式是根据国内外大量已经用于实际工程的试验数据提出的，比较有代表性，并且陈崇茂还给出了这些试验数据的均值曲线和上下一倍方差线，上下两倍方差线，比较适合检验本次试验成果的合理性。

将图5，图6中的模量比Gd/（Gd）max和阻尼比λ数据放入陈崇茂根据大量国内外堆石料模量阻尼数据拟合出的均值曲线与上下1倍均方差线和上下2倍均方差线组成的区域中，如图7，图8所示，用大型动力单剪仪获得的模量比Gd/（Gd）max和阻尼比λ数据，大致都位于陈崇茂的曲线范围内，这证明用该仪器进行试验获得的数据比较符合实际情况。

图8 堆石料λ～γd关系

4 结 论

对堆石料进行模量阻尼试验，得到以下结论:

（1）堆石料的动力剪切模量会随着剪应变的增加而减小，阻尼比则相应增加。

（2）堆石料的动力剪切模量会随着围压的增大而增大，但在高围压下，这种增大的趋势不会很明显，而阻尼比则会随着围压的的增大而减小。

（3）利用大型动力单剪仪获得的动剪切模量比和阻尼比试验数据大致上和大量已经用于实际工程的模量比及阻尼数据相仿。

［1］ 沈珠江，徐 刚.堆石料的动力变形特性［J］.水利水运科学研究，1996，（2）:143-150.

［2］ Matsumoto N，Yasuda N，Kinoshita Y.Dynamic deformation characteristics of compacted rockfills by cyclic torsional simple shear tests［J］.NIST Special Publication，1990，796:209-220.

［3］ 孔宪京，娄树莲，邹德高，等.筑坝堆石料的等效剪切模量与等效阻尼比［J］.水利学报，2001，32（8）:20-25.

［4］ 于玉贞，刘治龙，孙 逊，等.面板堆石坝筑坝材料动力特性试验研究［J］.岩土力学，2009，30（4）:909-914.

［5］ 南京水利科学研究院土工研究所 .土工试验技术手册［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［6］ 李万明，何广讷，王海清.常体积振动单剪仪的研制与试用［J］.水利学报，1986，（4）:63-67.

［7］ 申 权，李明俊，蒋文明，等.动三轴试验测试土阻尼的影响因素与不足［J］.江西科学，2013，31（1）:84-90.

［8］ 吴世明，等.土动力学［M］.北京:中国建筑工业出版社，2000.

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［10］ 南京水利水电科学研究院.Sl237-1999.土工试验规程［S］.北京:中国水利水电出版社，1999.

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［13］ 田景元，李国英.Hardin土动模型的应用与讨论［J］.水利水运工程学报，2009，（1）:22-28.

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Study on Dynamic Shear Modulus Damping of Rock Fill Materials of Gushui Dam

FANG En-ze
（Faculty of Infrastructure Engineering，Dalian University of Technology，Dalian，Liaoning 116024，China）

Dynamic shear tests on rock fill materials of Gushui Hydropower Station were performed to study their characteristics of modulus damping.The computer-controlled electro-hydraulic servo static and dynamic shear instrument developed by the staff of Dalian University of Technology was adopted to conduct the modulus damping experiments of the limestone rock fill in Gushui Hydropower Station.The impact of different confining pressure and shear strain on the modulus damping characteristics of the rock fill were studied.The experimental results indicate that the dynamic shear modulus of rock fill material decreases with the increasing of the shear strain，while the damping of rock fill material increases with the shear strain.As the confining pressure increases，values of maximum dynamic shear modulus grow while the damping modulus decreases. The dynamic stress-strain relationship can be described by the nonlinear viscoelastic dynamic constitutive models.

static and dynamic shear instrument；rock fill materials；dynamic shear modulus；damping ratio

TV42+2

A

1672—1144（2015）02—0173—04

10.3969/j.issn.1672-1144.2015.02.036

2014-11-15

2014-12-21

房恩泽（1990—），男，黑龙江省鹤岗市人，硕士研究生 ，研究方向为堆石料动力特性研究。E-mail:fangenze90@126.com