分級加載作用下砂礫料滯回曲線形態(tài)特征試驗研究

王 景

（新疆水利水電勘測設計研究院，新疆烏魯木齊 830000）

1 引言

新疆地區(qū)砂礫石分布廣，開采成本低，綜合單價僅為堆石料的50%[1]， 因此被廣泛的應用于土石壩工程中。砂礫料的阻尼比是壩體動力計算的重要參數(shù)，是評價壩體抗震性能的重要依據(jù)。 動荷載作用下土體的動應力-動應變關系曲線為滯回曲線，其形態(tài)特征反映了土體的變形、剛度和能量消散等動力特性[2-3]。滯回曲線與骨干曲線共同構建了土體在循環(huán)動應力作用下本構模型，是動力參數(shù)分析計算和動力響應的重要依據(jù)。 目前，國內(nèi)外學者對土體的滯回曲線展開大量的研究。羅飛等[4-6]對黃土和黏土滯回曲線展開研究，定量描述兩種滯回曲線的特征；黃娟等[7-8]通過研究泥炭質(zhì)土的動力特性，定量分析其滯回曲線特征。 根據(jù)以往學者的研究發(fā)現(xiàn)，對于滯回曲線形態(tài)特征的研究大多以粒徑較小的土體作為研究對象，而對于大粒徑的砂礫料其滯回曲線的特征的研究相對較少，因此，本文結合新疆特有砂礫石壩料開展室內(nèi)大型動三軸試驗，根據(jù)滯回曲線的基本特征分析不同圍壓作用下砂礫料滯回曲線形態(tài)的變化，對砂礫料滯回曲線進行定量描述，探求砂礫料在分級加載模式下滯回曲線形態(tài)變化特性。

2 三軸試驗

2.1 試驗設備

本次試驗采用新疆農(nóng)業(yè)大學巖土工程實驗室的WYS-2000 大型多功能動靜三軸試驗機，如圖1所示。主要參數(shù)為：試樣尺寸φ300×700mm，最大軸向靜荷載為2000kN；最大靜圍壓5.0MPa；最大軸向動荷載為1000kN，最大動圍壓3MPa，軸向振動頻率0.1～10Hz，幅值±70mm～±1mm，試驗主機剛性大，自動化程度高，操作簡單，測量數(shù)據(jù)精度高。

圖1 WYS-2000 大型多功能動靜三軸試驗機

2.2 試驗土樣

本次試驗砂礫料為新疆NY 水庫工程壩料，最大粒徑為600mm， 為滿足室內(nèi)試驗儀器尺寸的要求，依據(jù)《土工試驗方法標準》（GB/T50123-2019）[9]通過等量替代法對現(xiàn)場原型級配進行縮尺， 縮尺后砂礫料最大粒徑為60mm，室內(nèi)試驗級配曲線如圖2 所示。 通過試驗測得試驗級配下砂礫料的最大干密度ρdmax 和最小干密度ρdmin，按相對密度0.85 控制砂礫料的制樣干密度，如表1 所示。

圖2 砂礫料室內(nèi)試驗級配曲線

表1 砂礫料試驗密度 （g/cm3）

2.3 試驗方法

根據(jù)試驗級配稱取每一級砂礫料， 加適量的水拌和均勻，平均分成七份，分七次倒入固定好橡皮膜的承膜筒內(nèi)并擊實，為達到設計制樣干密度，每層試料擊實后的厚度為100mm。 試樣成型后對其抽真空50min 后再進行固結， 當體變趨于穩(wěn)定時認為試樣固結完成，開始進行動力試驗。 本次試驗初始固結比Kc 為1.5 和2.0， 振動頻率為0.333Hz， 波形采用正弦波， 每級動應力下振動6次。 具體加載示意圖如圖3 所示，試驗方案如表2所示。

圖3 加載示意圖

表2 不同固結比作用下軸向動應力幅值

3 砂礫料滯回曲線形態(tài)特征

由于不同材料的應力應變關系存在差異，滯回曲線的形態(tài)特征也有所不同。 砂礫料屬于黏彈性材料， 不同初始加載位置所對應的滯回曲線形態(tài)也不相同。 由于儀器精度高，自動化程度高，本次試驗采集數(shù)據(jù)較多且連續(xù)， 可直接通過采集的數(shù)據(jù)繪制滯回曲線。不同初始加載位置（圖4 中1、2、3、4 位置）所對應的滯回曲線如圖5 所示。 由圖可知， 不同初始加載位置所對應的滯回曲線不閉合且形態(tài)不相同。 當從位置2 加載時，滯回曲線出現(xiàn)一個交叉點， 此時運用等效阻尼比計算方法得到的滯回曲線的面積誤差較大， 不利于后期阻尼比的計算。

圖4 全周期加載曲線

圖5 不同加載位置處的滯回曲線

4 結果與分析

為便于計算和比較分級加載作用下砂礫料滯回曲線的形態(tài)特征， 本次試驗選擇4 位置進行計算分析不同加載比作用下分級加載時滯回曲線特征參數(shù)的變化規(guī)律。

4.1 殘余應變量εp

砂礫料在循環(huán)荷載作用下產(chǎn)生殘余變形，滯回曲線終點與起點之間的差值即為動力循環(huán)荷載一個周期內(nèi)產(chǎn)生的殘余應變量εp。 εp的大小反映了滯回曲線的不閉合程度， 同時反映了材料殘余塑性應變大小，εp越大，不閉合程度越大，殘余塑性應變越大。 圖6 為不同動應力作用下滯回曲線，由圖可以看出不同動應力作用下砂礫料殘余塑性應變差異較大，εp隨著動應力的增大而增大。 由于本次試驗在不同圍壓下僅選用一個試樣進行分級加載， 分析殘余應變量試驗結果時采取累加的方法，結果如圖7 所示。 由圖7 可知，相同動應力水平條件下，固結比相同時，殘余應變量隨著圍壓的增大而減小，圍壓相同時，隨著固結比的增大殘余應變量不斷減小， 圍壓和固結比的提高使得骨料擠壓密實，材料的塑性應變削弱。

圖6 不同動應力作用下滯回曲線

圖7 不同圍壓和固結比作用下殘余應變量與動應力關系

4.2 滯回曲線長軸斜率k

滯回曲線向應變軸的整體傾斜程度反映了材料的彈性性能及剛度。 由文獻6 可知，滯回曲線的長軸與應變軸的夾角為θ，令k的大小反映了滯回曲線向應變軸的傾斜程度，k越大，滯回曲線向應變軸的傾斜程度越小，即材料的彈性性能越好，剛度越大；反之，滯回曲線向應變軸的傾斜程度越大，材料的彈性性能越弱，剛度越小。 通過本次試驗繪制滯回曲線長軸斜率與動應力的關系曲線如圖8 所示。 由圖可知，隨著動應力的增大，砂礫料長軸斜率不斷減小，滯回曲線向應變軸傾斜程度不斷增大， 材料的彈性性能不斷減弱。 動應力相同時，長軸斜率隨圍壓的增大而增大，隨固結比的增大而增大，即圍壓和固結比的增大提高砂礫料的密實度， 增強砂礫料顆粒間的摩擦和咬合度，有效提高砂礫料的彈性性能，提高材料剛度。

圖8 不同試驗條件下長軸斜率與動應力關系

4.3 滯回曲線面積

滯回曲線的面積表征了材料吸收動應變能的能力及抗震性能。 由于殘余應變的影響，滯回曲線不閉合，為計算滯回曲線的面積，根據(jù)已有研究[10]對本次試驗結果進行整理， 不同試驗條件下滯回曲線面積如圖9 所示。 由圖可知，隨著動應力的增大，各試驗條件下滯回曲線面積不斷增大。 圍壓和固結比對砂礫料滯回曲線的面積影響較大， 相同動應力作用下， 滯回曲線面積隨圍壓的增大而減小，隨固結比的增大而減小，即圍壓和固結比的增大提高砂礫料的密實度， 增強砂礫料顆粒間的摩擦和咬合，砂礫料的剛度提高，材料吸收的動應變能減少。

圖9 不同試驗條件下滯回曲線面積

5 結論

通過室內(nèi)動三軸試驗研究不同固結比作用下分級加載時砂礫料滯回曲線形態(tài)特征變化， 主要得出以下結論：

（1）砂礫料屬于黏彈性材料，不同初始加載位置所對應的砂礫料滯回曲線形態(tài)與土體的滯回曲線形態(tài)相似。

（2）相同動應力水平條件下，圍壓和固結比的增大，降低砂礫料的塑性應變，提高砂礫料的彈性性能，提高材料剛度。

（3） 圍壓和固結比對砂礫料滯回曲線的面積影響較大，相同動應力作用下，滯回曲線面積隨圍壓的增大而減小，隨固結比的增大而減小，即圍壓和固結比的增大提高砂礫料剛度提高， 材料吸收的動應變能減少。 □