相对密实度对钢-砂界面循环剪切弱化影响研究_陈健伟.pdf
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1、第 卷第期 青 岛 理 工 大 学 学 报 相对密实度对钢砂界面循环剪切弱化影响研究陈健伟,刘俊伟,国振,陈建强,寇媛媛,姜正璟,巩光磊(青岛理工大学 土木工程学院,青岛 ;浙江大学 建筑工程学院,杭州 ;青岛海德工程集团股份有限公司,青岛 )摘要:砂土的相对密实度对界面循环弱化具有重要影响。通过自主研发的大型界面环剪仪,开展了种不同相对密实度砂土与钢板界面的循环剪切试验,研究相对密实度对循环弱化的影响。结果表明:相对密实度越大,相同循环下剪应力极值越大,法向应力越大,法向位移越小,最终剪缩量越小,砂土剪胀越明显,循环剪切的弱化作用越小,弱化到稳定状态需要的循环次数越多。关键词:界面剪切;循环
2、弱化;室内试验;钢砂界面;相对密实度中图分类号:文献标志码:文章编号:()收稿日期:基金项目:山东省优秀青年基金资助项目()作者简介:陈健伟(),男,山东泰安人。硕士,研究方向为岩土工程。:。通信作者:刘俊伟(),男,山东青州人。博士,教授,主要从事岩土工程方面的研究。:。,(,;,;,):,:;近年来风能已成为可再生能源供应的重要力量,我国水深小于 范围内海上风机基础形式绝青 岛理工大学学报第 卷大多数为单桩。随着海洋开发力度加大,深水区应用单桩基础成本过高,吸力式桶形基础成为更优的选择。吸力式多桶基础在风、浪、流产生的倾覆荷载作用下以轴向循环受荷为主,我国滨海地区多为砂土,因此进行钢砂界面
3、循环弱化的研究具有重要意义。针对钢砂界面的剪切弱化特性,国内外学者进行了一系列的研究。赵文等通过可视化直剪容器进行了不同相对密实度砾砂混凝土管界面直剪试验,揭示了相对密实度对界面剪切力学特性的影响。王超众开展了不同相对密实度尾砂塑料土工格栅界面剪切试验,研究了界面强度特性以及剪胀剪缩特性。梁越等 在盒式剪切仪中进行了钢土界面直剪和往复剪切试验,探究了不同泥岩干密度对界面强度的影响。上述研究通过界面剪切试验探究了砂土相对密实度对界面强度的影响,但相对密实度对钢砂界面循环弱化的影响机制还有待深入分析。本文利用自主研发的大型界面环剪仪,开展了不同相对密实度条件下钢砂界面循环剪切试验,探讨相对密实度对
4、界面力学特性循环弱化的影响,分析界面循环弱化机制。图大型界面环剪仪表砂土物理参数物理参数数值相对密度 最大孔隙比 最小孔隙比 粒径范围 试验概况试验装置环剪仪由应力加载系统、界面剪切系统、剪切传动系统、数据控制与采集系统个部分组成,如图所示。剪切方式为下界面剪切,剪切外环为钢化玻璃。数据控制与采集系统可调整剪切模式及参数并记录剪切应力、法向应力和法向位移等参数。砂土循环剪切试验采用的石英砂选自福建标准砂,物理参数如表所示。为排除其他因素对试验结果的影响,只选用 粒径砂土。由于干砂与饱和砂土在排水状态时的剪切特性极为相似,因此选用干砂进行试验。钢界面环剪仪底环采用钢界面,钢环内径为 ,外径为 ,
5、界面粗糙度控制为()。材质选用美国钢铁学会标准 号钢,抗拉强度为 ,弹性模量为 。试验方案采用等刚度边界条件研究砂土相对密实度对界面力学特性循环弱化的影响。循环剪切幅值设置为,剪切速度为 ,循环次数 次。考虑 深度处土体应力,初始法向应力设定为 ,法向刚度为 。在剪切外环的内表面粘贴透明刻度尺贴纸,采用砂雨法以不同高度和移速控制砂土相对密实度。共进行组试验,根据相对密实度砂土分为松散砂()、中密砂()、密实砂()。由于装样后剪切开始前应力加载系统会对砂样有一定程度的压实,因此将 砂土近似认为密实状态。具体试验方案如表所示。表试验方案试验编号剪切幅值界面粗糙度法向应力 相对密实度 第期陈健伟,等
6、:相对密实度对钢砂界面循环剪切弱化影响研究试验结果与分析剪切应力剪切位移关系曲线图为钢砂界面的剪切应力剪切位移关系曲线。为清晰展现钢砂界面循环剪切弱化规律,仅选取循环次数,次的试验数据作为分析对象。由图()可知,当 时,第次循环结束时剪应力即衰减到稳定状态。第,次循环正位移幅值处的剪应力极值分别为 ,剪应力弱化主要发生在第次循环,经历 次循环后弱化速率下降到 。由图()可知,当 时,第次循环剪切过程剪应力才衰减到稳定状态。第,次循环正位移幅值处的剪应力极值分别为 ,剪应力弱化主要发生在前次循环,经历 次循环后弱化速率下降到 。由图()可知,当 时,第次循环的滞回曲线比较饱满,从第 次循环,滞回
7、环由“梭形”向“平行四边形”转变。第,次 循 环 正 位 移 幅 值 处 的 剪 应 力 极 值 分 别 为 ,剪应力在前 次循环不断发生弱化,且随循环次数增加弱化速率不 断减小,经 历 次 循环后 弱 化 速率 下降到 。不同相对密实度砂土都在每次循环的正位移幅值处达到剪应力极值,第次循环之后滞回曲线基本处于闭合状态,其最终形状向“平行四边形”演变。随着循环次数的增加剪应力不断弱化,弱化速率不断减小。随着相对密实度的增加,前次循环中相同循环下剪应力极值增大,剪应力的弱化程度降低,循环剪切的弱化作用减小,第次循环的剪应力衰减速率减小。松散砂的剪应力弱化主要发生在第次循环,中密砂主要发生在前次循
8、环,密实砂在前 次循环剪应力不断弱化。砂土越密实,剪应力剪切位移曲线越饱满,“梭形”滞回环所占的比例越高。循环剪切作用破坏砂土的原有骨架结构,砂颗粒位置调整与磨损、破碎过程同时进行,直到形成适应循环剪切过程的稳固结构。松散砂在循环剪切前未形成稳定的骨架结构,砂颗粒主要以层状方式排布,砂样孔隙率很大。剪切开始后,砂颗粒位置剧烈调整,大孔隙率让颗粒调整更加迅速,骨架结构更易形成,经历次循环剪应力即衰减到稳定状态。对于中密砂来说,砂样的骨架结构在剪切前具有一定的稳定性,砂颗粒上、下交错分布,颗粒间具有较强的咬合力和嵌锁作用,初始骨架可以承受一定的剪切应力,砂颗粒调整需要更多的剪切过程,同时中密砂的孔
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