1、人民黄河YELLOWRIVER第45卷S12023年6月Vol.45，Sup.1Jun.，2023黄河流域以及我国西南地区土石坝建设面临诸多难题，其中复杂的地质条件和地震活动对土石坝影响巨大。在土石坝勘察和设计阶段，开展土石坝动力响应与地震安全性评价尤为重要。堆石料和砂砾石料因具有良好的工程特性在土石坝工程中被广泛应用，开展堆石料和砂砾石料的动模量和阻尼比试验研究，可以为土石坝动力响应分析与抗震安全评价提供参数。目前，针对堆石料动模量和阻尼比的研究成果众多1-2。但针对砂砾石料动模量与阻尼比的试验研究相对较少，堆石料和砂砾石料对比研究少之又少。砂砾石料磨圆度较高且为非单一岩性，堆石料多为爆破料
2、且为单一岩性，两者颗粒形状和岩性不同，两种材料动力特性存在差异。利用大型多功能动静三轴仪对堆石料和砂砾石料进行动模量和阻尼比试验，探究这两种试料的动模量、阻尼比等参数指标与动应变、围压以及固结应力比的关系，并获得其动力模型参数值，以期为实际工程应用提供参考。1理论基础目前已提出的流动本构模型主要包括Hardin-Drnevich模型、Ramberg-Osgood土动力非线性模型以及双直线模型等。其中Hardin-Drnevich模型概念清晰明确，能够反映土体在地震加速度作用下的剪应力和剪应变变化规律，在实际工程分析计算中得到了广泛应用。沈珠江等3对Hardin-Drnevich模型进行了修正，
3、并引入了归一化概念，在一定程度上消除了围压对动剪切模量比和阻尼比的影响，在土体动力分析计算中更为便捷。因此以修正Hardin-Drnevich模型为理论基础，对堆石料和砂砾石料的动模量和阻尼比特性进行研究。2试验方法（1）试验设备。试验所用动静三轴试验机轴向最大静荷载为 2 000 kN，轴向最大动荷载为1 000 kN，两者精确度均为1%。最大围压为5.0 MPa，轴向最大位移为250 mm，两者精确度均为0.1%。最大体变量为20 L，精确度为1 mL。动态频率为0.0110 Hz。（2）试样制备。试验所用材料为某面板砂砾石坝过渡区的爆破堆石过渡料和砂砾石过渡料，其中爆破堆石过渡料来自灰岩
4、块（堆）石料场，砂砾石过渡料来自天然砂石料场。受试验室设备最大试样尺寸限制，试验材料最大允许粒径为60 mm，因此对试料超粒径部分进行级配缩尺，堆石料和砂砾石料均采用等量替代法进行级配缩尺，两种试验材料不同粒径颗粒含量见表1。（3）试验方案。试样尺寸为30 cm75 cm，在试样制备过程中，首先按制样干密度称重配料，并将试料分5层，每层15cm，利用振捣器击实达到预定制样干密度。待试样成形后，依次完成安装压力室、抽气、饱和等操作，其中试样饱和采用抽真空法和水头法，两种方法均采用自下而上进水方式。待试样饱和后，对试样施加预定围压和轴向荷载固结。待固结完成后，进行动模量和阻尼比试验。保持围压不变，
5、设置振动波形为正弦波，激振频率为0.33 Hz，每级振动 3 周，将荷载分 9 级从小到大依次施加，仪器设备即刻自动采集动应力、应变等数据。堆石料、砂砾石料制样干密度均为2.26 g/cm3，两种材料1.5、2.5固结应力比下的围压均为400、800、1 500、2 500 kPa。3试验结果与分析（1）动应力d和动应变d关系。根据试验结果获得每一级荷载下动应力d和动应变d，并计算动弹性模量Ed，其中Ed=d/d。动弹性模量倒数1/Ed与动应变d可近似采用直线拟合，Kc=1.5时，两者关系见图1。同一种材料的动弹性模量随着动应变的增大而减小，随着围压和固结应力比Kc的增大而增大。在各级围压和固
6、结应力比下，砂砾石料的动弹性模量整体上稍大于堆石料的。（2）动剪切模量Gd和动剪切应变d的关系。Gd和d可由上述动弹性模量Ed与动应变d计算得到，Gd和d的关系为d=d（1+）（1）基于大型动三轴试验的筑坝料动模量和阻尼比研究于洋，常玉鹏，马凌云，何静斌，崔家铭（中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 700100）摘要：采用大型多功能动静三轴仪，对某面板砂砾石坝过渡区爆破堆石料和砂砾石料开展了动模量和阻尼比试验，研究了堆石料、砂砾石料在循环荷载下的动力特性。以修正Hardin-Drnevich模型为理论基础，得到了堆石料和砂砾石料的动本构模型参数，并探究了围压以及固结应力比对这两
7、种试验材料的动模量、最大动剪切模量、动剪切模量比和阻尼比的影响。结果表明：堆石料和砂砾石料的动模量均随着动应变的增大而减小，随着围压和固结应力比的增大而增大；两种材料的最大动剪切模量均随着有效球应力的增大而增大。关键词：动模量；阻尼比；修正Hardin-Drnevich模型；最大动剪切模量；动剪切模量比；归一化动剪应变中图分类号：TV641文献标志码：Adoi：10.3969/j.issn.1000-1379.2023.S1.049收稿日期：2022-11-05作者简介：于洋（1990），男，山东济宁人，工程师，硕士，主要从事岩土试验研究工作E-mail：试料堆石料砂砾石料6040 mm17.
8、0815.914020 mm23.7225.272010 mm16.6023.81105 mm16.6015.515 mm26.0019.50表1筑坝材料不同粒径颗粒含量%图1Ed与d的关系（b）砂砾石料（a）堆石料 96人 民 黄 河2023年S1Gd=Ed2（1+）（2）1/Gd=+d（3）式中：为泊松比，取0.33；、为拟合参数。堆石料和砂砾石料的动剪切模量倒数1/Gd与动剪切应变d同样可以近似采用直线拟合，Kc=1.5时，两者关系见图2。同一种试验材料的动剪切模量随着动剪应变的增大而减小，随着围压和固结应力比的增大而增大。在相对应的各级围压和固结应力比Kc下，砂砾石料的动剪切模量整体上
9、稍大于堆石料的。（3）最大动剪切模量Gdmax与有效球应力m的关系。由式（3）可知，当参数 等于0时，1/为Gd的最大值，即最大动剪切模量Gdmax。最大动剪切模量Gdmax与有效球应力m的关系3为GdmaxPa=k2（mPa）n（4）式中：Pa为大气压；k2、n为公式拟合参数。堆石料和砂砾石料在不同固结应力比下的最大动剪切模量Gdmax与有效球应力m的关系表明，堆石料和砂砾石料的Gdmax与m之间均具有良好的相关性。（4）动剪切模量比Gd/Gdmax与动剪切应变的关系。目前的研究成果表明，动剪切模量比Gd/Gdmax与动剪切应变d之间存在以下关系：GdGdmax=11+k1（5）=d（mPa
10、）1-n（6）式中：为归一化动剪应变；k1为拟合参数。两种材料在同一固结应力比状态下，各级围压下的试验数据围绕拟合曲线散乱分布在狭小范围内，表明Gd/Gdmax与之间具有良好的相关性且受围压作用影响较小。对比两种材料在两种固结应力比状态下各级围压分布情况发现，0.01%，固结应力比增大时，Gd/Gdmax随着的增大衰减速率增大；砂砾石料表现为均匀散乱分布的特征，表明其Gd/Gdmax随着的增大衰减速率基本不受固结应力比影响。（5）阻尼比与归一化动剪应变的关系。在筑坝料的动力特性研究中，一般采用经验公式确定阻尼比，假定阻尼比与归一化动剪应变满足经验公式：=max（k11+k1）（7）式中：max
11、为最大阻尼比，为随增大而趋近于平缓时的值。两种材料在同一固结应力比状态下，各级围压基本沿拟合曲线呈条带状分布，表明该经验公式适合描述与之间的变化规律且受围压影响较小。归一化动剪应变在某一范围时，两种材料的阻尼比均不同程度受固结应力比影响，表现出固结应力比越大，阻尼比越小的特征；当归一化动剪应变足够大，阻尼比趋于平缓时，试验材料处于破坏的极限状态，固结应力比对两种试验材料的最大阻尼比max的影响可以忽略不计。固结应力比越大，施加在试样上的动荷载越大，产生的动剪应变越大，颗粒骨架被迅速压密，导致其阻尼比减小。（6）动本构模型参数。堆石料和砂砾石料的动本构模型参数，见表2。在同一固结应力比下，砂砾石
12、料的参数k2和k1大于堆石料，相反参数n和最大阻尼比max小于堆石料，表明砂砾石料相较于堆石料具有良好的抗震特性。4结语对堆石料和和砂砾石料进行了大型动三轴试验，研究了这两种试验材料的动模量和阻尼比特性，得到了以下结论：动模量随着动应变的增大而减小，随着围压和固结应力比的增大而增大，相同条件下，砂砾石料的动模量稍大于堆石料的；堆石料和砂砾石料均表现出最大动剪切模量随有效球应力增大而增大的特点；修正Hardin-Drnevich模型可以很好地描述两种试验材料的动剪切模量比和阻尼比随归一化动剪应变的变化规律；归一化动剪应变有效地消除了围压对动剪切模量比和阻尼比变化规律的影响，但在一定程度上无法完全
13、消除固结应力比对两者的影响；计算得到了试验堆石料和砂砾石料的动本构模型参数，相同固结比条件下砂砾石料的参数k2、k1大于堆石料的，参数n、最大阻尼比max小于堆石料的。参考文献：1 凌华，傅华，蔡正银，等.坝料动力变形特性试验研究 J.岩土工程学报，2009，31（12）：1920-1924.2 房恩泽.堆石料的模量阻尼试验研究 J.水利与建筑工程学报，2015，13（2）：173-176.3 沈珠江，徐刚.堆石料的动力变形特性 J.水利水运科学研究，1996，6（2）：143-150.【责任编辑吕艳梅】（a）堆石料（Kc=1.5）（b）砂砾石料（Kc=1.5）图2Gd与d的关系表2动本构模型参数试料堆石料砂砾石料Kc1.52.51.52.5K22 645.92 839.52 774.52 882.4n0.2 6980.3 7590.2 6310.3 312K125.524.234.730.4max0.220.220.200.20 97
