非飽和黃土動力線性累計損傷特性的試驗研究

1、1非飽和非飽和黃土動力線性累計損傷黃土動力線性累計損傷特性的試驗研究特性的試驗研究 邵生俊邵生俊 龍吉勇龍吉勇西安理工大學(xué)西安理工大學(xué)2007.112 1 緒緒 論論31.1、研究意義、研究意義 雖然雖然 Seed等人等人在這方面取得了卓有成效的研究成果。在這方面取得了卓有成效的研究成果。但是但是，他們的，他們的成果應(yīng)用于結(jié)構(gòu)性成果應(yīng)用于結(jié)構(gòu)性Q3黃土?xí)r需要進一步驗證。黃土?xí)r需要進一步驗證。同時同時，非飽和黃土具有顯著，非飽和黃土具有顯著的結(jié)構(gòu)性，動荷作用下變形發(fā)展直至破壞的過程也是結(jié)構(gòu)損傷發(fā)展的過程，的結(jié)構(gòu)性，動荷作用下變形發(fā)展直至破壞的過程也是結(jié)構(gòu)損傷發(fā)展的過程，考慮黃土的結(jié)構(gòu)性，開展動變

2、形特性的研究具有重要的理論與實際意義?？紤]黃土的結(jié)構(gòu)性，開展動變形特性的研究具有重要的理論與實際意義。010203040t/s/kPa邊坡的抗邊坡的抗震分析震分析大壩的抗大壩的抗震分析震分析基礎(chǔ)液化基礎(chǔ)液化評估等評估等隨機地震荷載隨機地震荷載等幅循環(huán)荷載等幅循環(huán)荷載t/sd/kPa41.2 研究現(xiàn)狀研究現(xiàn)狀 早在早在1975年年Seed等人在研究飽和砂土抗震液化時，等人在研究飽和砂土抗震液化時，就應(yīng)用線性累積損傷原理推得了等效循環(huán)次數(shù)的計算就應(yīng)用線性累積損傷原理推得了等效循環(huán)次數(shù)的計算公式：公式： iiirefeqiiirefeqnNNnNnNn權(quán)重系數(shù)權(quán)重系數(shù) 為了為了得到這個權(quán)重系數(shù)，得到

3、這個權(quán)重系數(shù)， Seed等人對飽和砂土等人對飽和砂土的液化曲線用了的液化曲線用了.5 2001年年Green等人在深入分析累積損傷原理的基等人在深入分析累積損傷原理的基礎(chǔ)上，提出了等效循環(huán)荷載的另一種計算方法，就是礎(chǔ)上，提出了等效循環(huán)荷載的另一種計算方法，就是使土體遭受實際地震所吸收的能量與使土體遭受實際地震所吸收的能量與neq次等幅循環(huán)應(yīng)次等幅循環(huán)應(yīng)力作用下吸收的能量相等。他給出了計算等效循環(huán)次力作用下吸收的能量相等。他給出了計算等效循環(huán)次數(shù)的計算公式：數(shù)的計算公式： )1(cyclerefiieqn 2 非飽和原狀黃土等效循環(huán)荷載非飽和原狀黃土等效循環(huán)荷載 的隨機振動分析的隨機振動分析 2

4、.1 線性累積損傷原理線性累積損傷原理 1945年年Miner根據(jù)材料吸收凈功的原理提出了疲勞線性累積損傷根據(jù)材料吸收凈功的原理提出了疲勞線性累積損傷的數(shù)學(xué)表達式的數(shù)學(xué)表達式 ： 對于非等幅的循環(huán)荷載，對于非等幅的循環(huán)荷載， 這個原理表示為這個原理表示為 ： 或者或者 材料在破壞時有：材料在破壞時有： 因此，因此， 此式即為線性疲勞累積損傷方程式，即此式即為線性疲勞累積損傷方程式，即Miner定律。定律。 6111WNnmmmNnNnNnWWW221121miiimiiNnW11niiW111niiiNn（等幅）7miiWD1由線性累積損傷原理得：由線性累積損傷原理得：miiiNnD1 若將變

5、幅往返荷載下構(gòu)件的損傷等效為幅值為若將變幅往返荷載下構(gòu)件的損傷等效為幅值為Sref、振次、振次為為neq的等幅循環(huán)荷載作用下的損傷時，的等幅循環(huán)荷載作用下的損傷時，neq的計算式很容易由的計算式很容易由上式得到：上式得到： DWNnNniiiiirefeqDNWNNnNnrefiirefiiirefeq參考應(yīng)力參考應(yīng)力破壞振次破壞振次荷載引起荷載引起的損傷的損傷2.2 線性累積損傷原理對原狀黃土的適用性分析線性累積損傷原理對原狀黃土的適用性分析 81)加荷時吸收的能量加荷時吸收的能量 和破壞時吸收的總能和破壞時吸收的總能 量量W與加荷的頻率無關(guān)與加荷的頻率無關(guān)2)破壞時吸收的總能量破壞時吸收的

6、總能量W與加荷的幅值無關(guān)與加荷的幅值無關(guān)3)損傷的累積與加載進程呈線性關(guān)系損傷的累積與加載進程呈線性關(guān)系 (1)對總能量的分析對總能量的分析 0100200300200300400500600d/kPaW/kJ含水量15%，圍壓100kPa含水量15%，圍壓200kPa含水量15%，圍壓300kPa0204060100200300400d/kPaW/kJ含水量18%，圍壓100kPa含水量18%，圍壓200kPa含水量18%，圍壓300kPa901020300100200300400d/kPaW/kJ含水量21%，圍壓100kPa含水量21%，圍壓200kPa含水量21%，圍壓300kPa05

7、101520250100200300d/kPaW/kJ含水量24%，圍壓100kPa含水量24%，圍壓200kPa含水量24%，圍壓50kPa100100200300050100150200250300350400d/kPaW/kJ含水量15%，圍壓100kPa含水量15%，圍壓200kPa含水量15%，圍壓300kPa含水量18%，圍壓100kPa含水量18%，圍壓200kPa含水量18%，圍壓300kPa含水量21%，圍壓100kPa含水量21%，圍壓200kPa含水量21%，圍壓300kPa含水量24%，圍壓100kPa含水量24%，圍壓200kPa含水量24%，圍壓50kPaw=15%

8、w=18%w=21%w=24% 1105010015001002003004003c/kPaW/kJw=15%w=18%w=21%w=24%05010015010152025w/%W/kJ圍壓=100kPa圍壓=200kPa圍壓=300kPa單位土樣耗能的平均單位土樣耗能的平均值與固結(jié)應(yīng)力的關(guān)系值與固結(jié)應(yīng)力的關(guān)系 單位土樣耗能的平均單位土樣耗能的平均值與含水量的關(guān)系值與含水量的關(guān)系 (2)對累積損傷的分析對累積損傷的分析 R2 = 0.878300.811.2020406080n/次D圍壓= 1 00kPa圍壓= 2 00kPa圍壓= 3 00kPaw=15%R2 = 0.8

9、03400.811.20100200300400n/次D圍壓= 1 00kPa圍壓= 2 00kPa圍壓= 3 00kPaw=18%12miiWD1R2 = 0.948600.811.2050100150200n/次D圍壓= 1 00kPa圍壓= 2 00kPa圍壓= 3 00kPaw=21%R2 = 0.871500.811.2020406080n/次D圍壓= 1 00kPa圍壓= 2 00kPa圍壓= 5 0kPaw=24%3 非飽和原狀黃土等效諧振荷載的能量分析非飽和原狀黃土等效諧振荷載的能量分析 13)1(1cyclerefmiie

10、qnijjjdjdjii11121010020030040050010100100010000100000lgNfd/kPa圍壓=100kPa,隨機荷載圍壓=100kPa,正弦荷載圍壓=200kPa，隨機荷載圍壓=200kPa,正弦荷載圍壓=300kPa，隨機荷載圍壓=300kPa,正弦荷載含水量=15%，kc=1.5050100150200250300350110100100010000lgNfd/kPa圍壓=200kPa,正弦荷載圍壓=200kPa,隨機荷載圍壓=300kPa,正弦荷載圍壓=300kPa,隨機荷載含水量=18%，kc=1.50100200300400110100100010

11、000lgNfd/kPa圍壓=100kPa,隨機荷載圍壓=100kPa,正弦荷載圍壓=200kPa，隨機荷載圍壓=200kPa,正弦荷載圍壓=300kPa，隨機荷載圍壓=300kPa,正弦荷載含水量=21%，kc=1.50501001502000.1101000100000lgNfd/kPa圍壓=50kPa,隨機荷載圍壓=50kPa,正弦荷載圍壓=100kPa,隨機荷載圍壓=100kPa,正弦荷載圍壓=200kPa,隨機荷載圍壓=200kPa,正弦荷載含水量=24%，kc=1.514 4 非飽和原狀黃土動力損傷變形特性研究非飽和原狀黃土動力損傷變形特性研究15 1dddEdddE2d2d（1）

12、動模量及阻尼比的損傷分析）動模量及阻尼比的損傷分析 0100002000030000400005000000.511.5DEd/kPa319314316圍壓=100kPa,kc=1.5,w=15%010000200003000040000500006000000.511.5DEd/kPa326328329圍壓=200kPa,kc=1.5,w=15%02000040000600008000010000012000000.511.5DEd/kPa377378380圍壓=300kPa,kc=1.5,w=15%010000200003000040000500006000000.511.5DEd/kPa

13、545556圍壓=100kPa,kc=1.5,w=18%1601000020000300004000050000600007000000.511.5DEd/kPa125138141142圍壓=200kPa,kc=1.5,w=18%02000040000600008000010000012000014000000.511.5DEd/kPa147148149165圍壓=300kPa,kc=1.5,w=18%動模量動模量00.400.511.5D319314316圍壓=100kPa,kc=1.5,w=15%000.511.5D326328329圍壓=200kPa,

14、kc=1.5,w=15%000.511.5D377378380圍壓=300kPa,kc=1.5,w=15%00.400.511.5D545556圍壓=100kPa,kc=1.5,w=18%17000.511.5D125138141142圍壓=200kPa,kc=1.5,w=18%000.511.5D147148149158165圍壓=300kPa,kc=1.5,w=18%阻尼比阻尼比（2）殘余變形模量的損傷分析）殘余變形模量的損傷分析 黃土的殘余變形及殘余變形模量的定義黃土的殘余變形及殘余變形模量的定義ddrrd2NNNi

15、19殘余變形模量殘余變形模量0200040006000800010000120001400000.511.5DEr/kPa319314316圍壓=100kPa,kc=1.5,w=15%150011000115001200012500100.511.5DEr/kPa326328329圍壓=200kPa,kc=1.5,w=15%0500010000150002000000.511.5DEr/kPa377378380圍壓=300kPa,kc=1.5,w=15%050010001500200000.511.5DEr/kPa545556圍壓=100kPa,kc=1.5,w=18%050010001500

16、200025003000350000.511.5DEr/kPa125138141142圍壓=200kPa,kc=1.5,w=18%0100020003000400000.511.5DEr/kPa147148149158165圍壓=300kPa,kc=1.5,w=18%20BAwWy = 28075443.20 x-4.60R2 = 0.990501001500102030w/%W/kJ圍壓=100kPay = 112370452.01 x-5.22R2 = 0.97020406080100051015202530w/%W/kJ圍壓=200kPay = 18305195.333 x-4.586R

17、2 = 0.9950204060800510152025w/%W/kJ圍壓=300kPa最小的相關(guān)系數(shù)為最小的相關(guān)系數(shù)為0.97破壞耗能的變化特性破壞耗能的變化特性 通過本文的研究，對非飽和原狀黃土動力特性的有了一些新認識和結(jié)論，通過本文的研究，對非飽和原狀黃土動力特性的有了一些新認識和結(jié)論，現(xiàn)將其總結(jié)如下：現(xiàn)將其總結(jié)如下： 5 結(jié)論結(jié)論破壞時吸收的總能量破壞時吸收的總能量W與加荷的幅值無關(guān)；與加荷的幅值無關(guān)；損傷的累積與加載進程呈線性關(guān)系損傷的累積與加載進程呈線性關(guān)系 它們對非飽和原狀黃土是成立的。在假定加荷時吸收的能量和破壞時吸收它們對非飽和原狀黃土是成立的。在假定加荷時吸收的能量和破壞時

18、吸收的總能量的總能量W與加荷的頻率無關(guān)的前提下，線性累積損傷原理對非飽和原狀黃土與加荷的頻率無關(guān)的前提下，線性累積損傷原理對非飽和原狀黃土也是適用的。也是適用的。 1、通過諧振荷載作用下非飽和原狀黃土的動三軸試驗結(jié)果，分析了線性、通過諧振荷載作用下非飽和原狀黃土的動三軸試驗結(jié)果，分析了線性累積損傷原理成立的兩個假定：累積損傷原理成立的兩個假定：22 5、在非飽和原狀黃土動力損傷變形特性的研究基礎(chǔ)上，將累積損傷與、在非飽和原狀黃土動力損傷變形特性的研究基礎(chǔ)上，將累積損傷與殘余變形模量之間的關(guān)系用于等效粘彈性模型，可以在原計算基礎(chǔ)上計殘余變形模量之間的關(guān)系用于等效粘彈性模型，可以在原計算基礎(chǔ)上計算出殘余變形。算出殘余變形。 2、利用、利用Green等人從耗能角度推出的等效諧振計算公式，對非飽和原狀黃土等人從耗能角度推出的等效諧振計算公式，對非飽和原狀黃土的等效循環(huán)荷載研究表明，這處理方法對非飽和原狀黃土等效循環(huán)荷載的計算的等效循環(huán)荷載研究表明，這處理方法對非飽和原狀黃土等效循環(huán)荷載的計算是可靠的。是可靠的。 3、動荷作用下非飽和原狀黃土的破壞主要是殘余變形增大引起的，動應(yīng)變引、動荷作用下非飽和原