利用动扭剪试验研究黄土动力特性并初步探讨其结构损伤
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摘要
黄土是一种结构性土,在我国分布广泛,主要分布在地震集中的西部地区。对黄土动力特性以及结构性的研究已经成为21世纪的主要课题之一。本文以宁夏回族自治区西吉市党家岔一滑坡为研究对象,选取了5个频率和3个围压,在动扭剪条件下,研究黄土的动力特性,以及初步探讨黄土结构性损伤规律。
通过整理试验数据,分析了固结围压和频率对黄土的动应力-应变关系、动剪切模量、动强度影响,并对黄土的结构损伤特性进行了简单的探讨。结果表明：黄土的应力应变关系符合Hardin-drnevich双曲线模型。并且在较小的动剪应变范围内符合的更好。而且在相同的频率条件下,围压越高,产生相同的动剪应变所需的动剪应力越大,动剪切模量也越大；固结围压越高,黄土的动强度也越高。而频率对黄土动应力应变的关系和动剪切模量的影响,在围压为100kPa和200kPa时表现出相反的规律性。总之,围压和频率对黄土的动力特性的影响,归根结底是通过改变黄土的内部结构而达到的,这个过程伴随着黄土的结构损伤以及次生结构的形成。因此,在本文的最后,笔者又对黄土在动扭剪应力条件下的结构损伤特性进行了初步的探讨。主要探讨了该滑坡后壁黄土在破坏时的垂直损伤变量,及其在不同频率与围压下垂直损伤变量所变现出来的一些规律。
Loess is a kind of structural soil, which mainly distributed in west China, where the earthquakes happen frequently. The research on dynamic characteristics and structure of loess has become one of the main topics of 21st century. In this paper, we studied the dynamic characteristics, and discussed the law of structural of loess, which located in Dangjiacha, Xiji county, Ningxia province, under dynamic torsional shear. We selected 5 frequency and 3 consolidation pressure in this test.
By sorting test data, we have analyzed the effect of the frequency and consolidation pressure on dynamic stress-strain relations, dynamic shear modulus, and dynamic strength of loess. We also discussed the law of structure damage of loess. The test result show that:the stress-strain relationship accord with Hardin-drnevich hyperbolic model, especially in smaller dynamic shear strain range. And, the higher the consolidation pressure, the greater dynamic shear stress are needed, the bigger the dynamic shear modulus, and the higher the dynamic strength, if producing the same dynamic shear strain under the same frequency conditions. When the consolidation pressures are 100kPa and 200kPa, the influence of the frequency on the dynamic stress-strain relationship and dynamic shear modulus shows the opposite regularity.
Generally speaking, the influence of the frequency and consolidation pressure on the dynamic characteristics of the loess ascribe to the changing of the structure of loess, which accompany with the damaging of the structure and the forming of the secondary structure of the loess. It mainly discussed the vertical damage variable of the loess which is taken from the landslide back-wall, and the rules of the damage variable in different frequency and consolidation pressure.
通过整理试验数据,分析了固结围压和频率对黄土的动应力-应变关系、动剪切模量、动强度影响,并对黄土的结构损伤特性进行了简单的探讨。结果表明：黄土的应力应变关系符合Hardin-drnevich双曲线模型。并且在较小的动剪应变范围内符合的更好。而且在相同的频率条件下,围压越高,产生相同的动剪应变所需的动剪应力越大,动剪切模量也越大；固结围压越高,黄土的动强度也越高。而频率对黄土动应力应变的关系和动剪切模量的影响,在围压为100kPa和200kPa时表现出相反的规律性。总之,围压和频率对黄土的动力特性的影响,归根结底是通过改变黄土的内部结构而达到的,这个过程伴随着黄土的结构损伤以及次生结构的形成。因此,在本文的最后,笔者又对黄土在动扭剪应力条件下的结构损伤特性进行了初步的探讨。主要探讨了该滑坡后壁黄土在破坏时的垂直损伤变量,及其在不同频率与围压下垂直损伤变量所变现出来的一些规律。
Loess is a kind of structural soil, which mainly distributed in west China, where the earthquakes happen frequently. The research on dynamic characteristics and structure of loess has become one of the main topics of 21st century. In this paper, we studied the dynamic characteristics, and discussed the law of structural of loess, which located in Dangjiacha, Xiji county, Ningxia province, under dynamic torsional shear. We selected 5 frequency and 3 consolidation pressure in this test.
By sorting test data, we have analyzed the effect of the frequency and consolidation pressure on dynamic stress-strain relations, dynamic shear modulus, and dynamic strength of loess. We also discussed the law of structure damage of loess. The test result show that:the stress-strain relationship accord with Hardin-drnevich hyperbolic model, especially in smaller dynamic shear strain range. And, the higher the consolidation pressure, the greater dynamic shear stress are needed, the bigger the dynamic shear modulus, and the higher the dynamic strength, if producing the same dynamic shear strain under the same frequency conditions. When the consolidation pressures are 100kPa and 200kPa, the influence of the frequency on the dynamic stress-strain relationship and dynamic shear modulus shows the opposite regularity.
Generally speaking, the influence of the frequency and consolidation pressure on the dynamic characteristics of the loess ascribe to the changing of the structure of loess, which accompany with the damaging of the structure and the forming of the secondary structure of the loess. It mainly discussed the vertical damage variable of the loess which is taken from the landslide back-wall, and the rules of the damage variable in different frequency and consolidation pressure.
引文
[1]王兰民.黄土动力学.北京：地震出版社,2003.10
[2]李宁,程国栋,谢定义.西部大开发中的岩土力学问题.岩土工程学报,2001.5,Vol.23,No.3：268-272
[3]孙建中.黄土学.香港：香港考古学会出版,2005.6
[4]周健、白冰、徐建平.土动力学理论与计算.2002.01
[5]石玉成.黄土地区地震动参数特征及其工程应用研究[D].兰州大学博士学位论文,2003.05
[6]栗润德.太原东山黄土动力特性试验研究[D].太原理工大学硕士论文,2004.04
[7]孙静.岩土动剪切模量阻尼试验及应用研究[D].中国地震局工程力学研究所博士学位论文,2004.06
[8]胡仲有.不同地区黄土的动力特性及其结构性研究.西北农林科技大学硕士学位论文.2008.04
[9]王建荣,张振中,王俊等.振动频率对原状黄土动本构关系的影响.西北地震学报,1999.9,Vol.21,No.3：310-314
[10]袁丽侠.宁夏西吉低角高速远程黄土滑坡及其形成机理分析.防灾减灾工程学报,2006.5,Vol.26,No.2：219-223
[11]卢育霞.宁夏西吉县境地震滑坡的地貌特征及其减灾开发对策探讨.西北地震学报,2007.3,Vol.29,No.1：79-83
[12]何青峰.延安Q2黄土的力学及流变特性研究.长安大学博士学位论文,2008.4
[13]李瑞.非饱和黄土的次生各向异性及结构性试验研究.西北农林科技大学硕士学位论文.2008.04
[14]赵锡宏,孙红,罗冠威著.损伤土力学.上海：同济大学出版社,2000.07
[15]刘东升.黄土与环境[M].北京：科学出版社,1985
[16]刘祖典.陕西关中黄土变性和参数的探讨[J].岩土工程学报,1985,6(3)：24-31
[17]刘东生等.黄土的物质成分和结构[M].北京：科学出版社,1985
[18]高国瑞.黄土微结构分类与湿陷性[M].中国科学,1980(12)：1203-1208
[19]王永焱,林在贯.中国黄土的结构特征及物理力学性质[M].北京：科学出版社,1990
[20]齐吉琳,谢定义等.土结构性的研究方法及现状[J].西北地震学报,2001,23(1)：99-103]
[21]谢定义.试论我国黄土力学研究中的若干新趋向[M].岩土工程学报,2001,23(1)：3-13
[22]Pecsi M.Interpretation of structure in loess research[C].International symposium on loess research.Xi'an,1987:85-106
[23]Kabilamany K,Ishihara.K.Cyclic behavior of sand by the multiple shear mechanism model.Soil Dynamics and Earthquake Engineering,1991,10(2):24-83
[24]沈珠江.土体结构性的数学模型——21世纪土力学的核心问题[J].岩土工程学报,1996,1(81)： 95-97
[25]雷祥义.中国黄土的孔隙类型与湿陷性[J].中国科学(B辑),1993(7)
[26]张宗枯.我国黄土显微结构研究[J].地质学报,1964,44(3)
[27]米海珍,李如梦等.含水量对兰州黄土剪切强度特性的影响[J].甘肃科学学报,2006,18(1)：78-81
[28]施建勇,赵维炳等.土体变形规律研究进展[J].水利水电科技进展,1998,18(1)：24-26
[29]李广信.高等土力学[M].北京：清华大学出版社,2004
[30]沈珠江.理论土力学[M].北京：中国水利水电出版社,1996
[31]徐秉业,刘信声.应用弹塑性力学(第1版)[M].北京：清华大学出版社,1995
[32]刘祖典.黄土力学与工程[M].西安：陕西科学技术出版社,1996
[33]高国瑞.黄土显微结构分析及其在工程勘察中的应用[J].工程勘察,1980(6)：25-28
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[35]沈珠江,黄土损伤力学模型探索[J].第七届土力学与基础工程学术会议论文集,1994：145-149
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[38]田堪良.黄土的结构性及其动力特性的研究[D].杨凌：西北农林科技大学,2003.
[39]谢定义.土动力学[M].西安：西安交通大学出版社,1988.
[40]王杰贤.动力地基与基础[M].北京：科学出版社,2001.
[41]骆亚生,田堪良.非饱和黄土的动剪模量与阻尼比[J].水利学报,2005,36(7) 830口834.
[42]孙静,袁晓铭.土的动模量和阻尼比研究述评[J].世界地震工程,2003,19(1)88口95.
[43]李作勤.扭转三轴试验综述[J].岩土力学,1994,15(1)：80口93.
[44]李启鹞,程显尧,蔡东艳.地震荷载下的黄土动力特性[J].西安冶金建筑学院学报,1985,17(3)：9-37.
[45]骆亚生,谢定义,李永红.原状黄土的动三轴试验研究与探讨[A].湿陷性黄土研究与工程[C].北京：中国建筑工业出版社,2000.116-122.
[46]朱克廉,周新赞,蔡东艳.黄土动模量和阻尼比的试验研究[J].西安冶金建筑学院学报,1991,23(2)：151-157.
[47]骆亚生,谢定义,李永红.原状黄土的动三轴试验研究与探讨[A].湿陷性黄土研究与工程[C].北京：中国建筑工业出版社,2000.116-122.
[48]王兰民,张振中.随机地震荷载作用下黄土动强度的试验方法[J].西北地震学报,1991,13(3)：50-55.
[49]骆亚生,谢定义,邵生俊等.复杂应力状态下的土结构性参数[J].岩石力学与工程学报,2004.23(24)：4248～4251.
[50]谢定义.动荷载下土的强度特性[J].水利学报,1987(12)：36～40.
[51]曾春华.关于土在重复荷载下动态特性的综述[J].土木工程学报,1988,21(2)：70～80.
[2]李宁,程国栋,谢定义.西部大开发中的岩土力学问题.岩土工程学报,2001.5,Vol.23,No.3：268-272
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[13]李瑞.非饱和黄土的次生各向异性及结构性试验研究.西北农林科技大学硕士学位论文.2008.04
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