非饱和黄土动力线性累计损伤特性的试验研究完美课课件.ppt

1、1非饱和非饱和黄土动力线性累计损伤黄土动力线性累计损伤特性的试验研究特性的试验研究 邵生俊邵生俊 龙吉勇龙吉勇西安理工大学西安理工大学2007.112 1 绪绪 论论31.1、研究意义、研究意义 虽然虽然 Seed等人等人在这方面取得了卓有成效的研究成果。在这方面取得了卓有成效的研究成果。但是但是，他们的，他们的成果应用于结构性成果应用于结构性Q3黄土时需要进一步验证。黄土时需要进一步验证。同时同时，非饱和黄土具有显著，非饱和黄土具有显著的结构性，动荷作用下变形发展直至破坏的过程也是结构损伤发展的过程，的结构性，动荷作用下变形发展直至破坏的过程也是结构损伤发展的过程，考虑黄土的结构性，开展动变

2、形特性的研究具有重要的理论与实际意义。考虑黄土的结构性，开展动变形特性的研究具有重要的理论与实际意义。010203040t/s/kPa边坡的抗边坡的抗震分析震分析大坝的抗大坝的抗震分析震分析基础液化基础液化评估等评估等随机地震荷载随机地震荷载等幅循环荷载等幅循环荷载t/sd/kPa41.2 研究现状研究现状 早在早在1975年年Seed等人在研究饱和砂土抗震液化时，等人在研究饱和砂土抗震液化时，就应用线性累积损伤原理推得了等效循环次数的计算就应用线性累积损伤原理推得了等效循环次数的计算公式：公式：iiirefeqiiirefeqnNNnNnNn权重系数权重系数 为了得到这个权重系数，为了得到这

3、个权重系数，Seed等人对饱和砂土等人对饱和砂土的液化曲线用了的液化曲线用了.5 2001年年Green等人在深入分析累积损伤原理的基等人在深入分析累积损伤原理的基础上，提出了等效循环荷载的另一种计算方法，就是础上，提出了等效循环荷载的另一种计算方法，就是使土体遭受实际地震所吸收的能量与使土体遭受实际地震所吸收的能量与neq次等幅循环应次等幅循环应力作用下吸收的能量相等。他给出了计算等效循环次力作用下吸收的能量相等。他给出了计算等效循环次数的计算公式：数的计算公式：)1(cyclerefiieqn 2 非饱和原状黄土等效循环荷载非饱和原状黄土等效循环荷载 的随机振动分析的随机振动分析 2.1

4、线性累积损伤原理线性累积损伤原理 1945年年Miner根据材料吸收净功的原理提出了疲劳线性累积损伤根据材料吸收净功的原理提出了疲劳线性累积损伤的数学表达式的数学表达式：对于非等幅的循环荷载，对于非等幅的循环荷载，这个原理表示为这个原理表示为：或者或者 材料在破坏时有：材料在破坏时有：因此，因此，此式即为线性疲劳累积损伤方程式，即此式即为线性疲劳累积损伤方程式，即Miner定律。定律。6111WNnmmmNnNnNnWWW221121miiimiiNnW11niiW111niiiNn（等幅）7miiWD1由线性累积损伤原理得：由线性累积损伤原理得：miiiNnD1 若将变幅往返荷载下构件的损伤

5、等效为幅值为若将变幅往返荷载下构件的损伤等效为幅值为Sref、振次、振次为为neq的等幅循环荷载作用下的损伤时，的等幅循环荷载作用下的损伤时，neq的计算式很容易由的计算式很容易由上式得到：上式得到：DWNnNniiiiirefeqDNWNNnNnrefiirefiiirefeq参考应力参考应力破坏振次破坏振次荷载引起荷载引起的损伤的损伤2.2 线性累积损伤原理对原状黄土的适用性分析线性累积损伤原理对原状黄土的适用性分析 81)加荷时吸收的能量加荷时吸收的能量 和破坏时吸收的总能和破坏时吸收的总能 量量W与加荷的频率无关与加荷的频率无关2)破坏时吸收的总能量破坏时吸收的总能量W与加荷的幅值无与

6、加荷的幅值无关关3)损伤的累积与加载进程呈线性关系损伤的累积与加载进程呈线性关系 (1)对总能量的分析对总能量的分析 0100200300200300400500600d/kPaW/kJ含水量15%，围压100kPa含水量15%，围压200kPa含水量15%，围压300kPa0204060100200300400d/kPaW/kJ含水量18%，围压100kPa含水量18%，围压200kPa含水量18%，围压300kPa901020300100200300400d/kPaW/kJ含水量21%，围压100kPa含水量21%，围压200kPa含水量21%，围压300kPa05101520250100

7、200300d/kPaW/kJ含水量24%，围压100kPa含水量24%，围压200kPa含水量24%，围压50kPa100100200300050100150200250300350400d/kPaW/kJ含水量15%，围压100kPa含水量15%，围压200kPa含水量15%，围压300kPa含水量18%，围压100kPa含水量18%，围压200kPa含水量18%，围压300kPa含水量21%，围压100kPa含水量21%，围压200kPa含水量21%，围压300kPa含水量24%，围压100kPa含水量24%，围压200kPa含水量24%，围压50kPaw=15%w=18%w=21%w=

8、24%1105010015001002003004003c/kPaW/kJw=15%w=18%w=21%w=24%05010015010152025w/%W/kJ围压=100kPa围压=200kPa围压=300kPa单位土样耗能的平均单位土样耗能的平均值与固结应力的关系值与固结应力的关系 单位土样耗能的平均单位土样耗能的平均值与含水量的关系值与含水量的关系(2)对累积损伤的分析对累积损伤的分析 R2=0.878300.20.40.60.811.2020406080n/次D围压=1 00kPa围压=2 00kPa围压=3 00kPaw=15%R2=0.803400.20.40.60.811.20

9、100200300400n/次D围压=1 00kPa围压=2 00kPa围压=3 00kPaw=18%12miiWD1R2=0.948600.20.40.60.811.2050100150200n/次D围压=1 00kPa围压=2 00kPa围压=3 00kPaw=21%R2=0.871500.20.40.60.811.2020406080n/次D围压=1 00kPa围压=2 00kPa围压=5 0kPaw=24%3 非饱和原状黄土等效谐振荷载的能量分析非饱和原状黄土等效谐振荷载的能量分析 13)1(1cyclerefmiieqnijjjdjdjii1112101002003004005001

10、0100100010000100000lgNfd/kPa围压=100kPa,随机荷载围压=100kPa,正弦荷载围压=200kPa，随机荷载围压=200kPa,正弦荷载围压=300kPa，随机荷载围压=300kPa,正弦荷载含水量=15%，kc=1.5050100150200250300350110100100010000lgNfd/kPa围压=200kPa,正弦荷载围压=200kPa,随机荷载围压=300kPa,正弦荷载围压=300kPa,随机荷载含水量=18%，kc=1.50100200300400110100100010000lgNfd/kPa围压=100kPa,随机荷载围压=100kP

11、a,正弦荷载围压=200kPa，随机荷载围压=200kPa,正弦荷载围压=300kPa，随机荷载围压=300kPa,正弦荷载含水量=21%，kc=1.50501001502000.1101000100000lgNfd/kPa围压=50kPa,随机荷载围压=50kPa,正弦荷载围压=100kPa,随机荷载围压=100kPa,正弦荷载围压=200kPa,随机荷载围压=200kPa,正弦荷载含水量=24%，kc=1.514 4 非饱和原状黄土动力损伤变形特性研究非饱和原状黄土动力损伤变形特性研究15 1dddEdddE2d2d（1）动模量及阻尼比的损伤分析）动模量及阻尼比的损伤分析 01000020

12、00030000400005000000.511.5DEd/kPa319314316围压=100kPa,kc=1.5,w=15%010000200003000040000500006000000.511.5DEd/kPa326328329围压=200kPa,kc=1.5,w=15%02000040000600008000010000012000000.511.5DEd/kPa377378380围压=300kPa,kc=1.5,w=15%010000200003000040000500006000000.511.5DEd/kPa545556围压=100kPa,kc=1.5,w=18%160100

13、0020000300004000050000600007000000.511.5DEd/kPa125138141142围压=200kPa,kc=1.5,w=18%02000040000600008000010000012000014000000.511.5DEd/kPa147148149165围压=300kPa,kc=1.5,w=18%动模量动模量当含水量一定时，固结压力对它的影响较小；此式即为线性疲劳累积损伤方程式，即Miner定律。破坏耗能与动应力的关系3、动荷作用下非饱和原状黄土的破坏主要是残余变形增大引起的，动应变引起的损伤是很小的。为了得到这个权重系数，Seed等人对饱和砂土的液化曲

14、线用了4步处理法.当含水量一定时，固结压力对它的影响较小；同时，非饱和黄土具有显著的结构性，动荷作用下变形发展直至破坏的过程也是结构损伤发展的过程，考虑黄土的结构性，开展动变形特性的研究具有重要的理论与实际意义。对材料的本构模型要求较高在假定加荷时吸收的能量和破坏时吸收的总能量W与加荷的频率无关的前提下，线性累积损伤原理对非饱和原状黄土也是适用的。1945年Miner根据材料吸收净功的原理提出了疲劳线性累积损伤的数学表达式：(2)对累积损伤的分析或者损伤的累积与加载进程呈线性关系为了得到这个权重系数，Seed等人对饱和砂土的液化曲线用了4步处理法.或者(1)对总能量的分析2 非饱和原状黄土等效

15、循环荷载的随机振动分析早在1975年Seed等人在研究饱和砂土抗震液化时，就应用线性累积损伤原理推得了等效循环次数的计算公式：损伤的累积与加载进程呈线性关系但是，他们的成果应用于结构性Q3黄土时需要进一步验证。00.10.20.30.400.511.5D319314316围压=100kPa,kc=1.5,w=15%00.10.20.300.511.5D326328329围压=200kPa,kc=1.5,w=15%00.10.20.300.511.5D377378380围压=300kPa,kc=1.5,w=15%00.10.20.30.400.511.5D545556围压=100kPa,kc=1

16、.5,w=18%1700.10.20.300.511.5D125138141142围压=200kPa,kc=1.5,w=18%00.10.20.300.511.5D147148149158165围压=300kPa,kc=1.5,w=18%阻尼比阻尼比（2）残余变形模量的损伤分析）残余变形模量的损伤分析 黄土的残余变形及残余变形模量的定义黄土的残余变形及残余变形模量的定义ddrrd2NNNi19残余变形模量残余变形模量0200040006000800010000120001400000.511.5DEr/kPa319314316围压=100kPa,kc=1.5,w=15%150011000115

17、001200012500100.511.5DEr/kPa326328329围压=200kPa,kc=1.5,w=15%0500010000150002000000.511.5DEr/kPa377378380围压=300kPa,kc=1.5,w=15%050010001500200000.511.5DEr/kPa545556围压=100kPa,kc=1.5,w=18%050010001500200025003000350000.511.5DEr/kPa125138141142围压=200kPa,kc=1.5,w=18%0100020003000400000.511.5DEr/kPa1471481

18、49158165围压=300kPa,kc=1.5,w=18%20BAwWy=28075443.20 x-4.60R2=0.990501001500102030w/%W/kJ围压=100kPay=112370452.01 x-5.22R2=0.97020406080100051015202530w/%W/kJ围压=200kPay=18305195.333 x-4.586R2=0.9950204060800510152025w/%W/kJ围压=300kPa最小的相关系数为最小的相关系数为0.97破坏耗能的变化特性破坏耗能的变化特性 通过本文的研究，对非饱和原状黄土动力特性的有了一些新认识和结论，通

19、过本文的研究，对非饱和原状黄土动力特性的有了一些新认识和结论，现将其总结如下：现将其总结如下：5 结论结论破坏时吸收的总能量破坏时吸收的总能量W与加荷的幅值无关；与加荷的幅值无关；损伤的累积与加载进程呈线性关系损伤的累积与加载进程呈线性关系 它们对非饱和原状黄土是成立的。在假定加荷时吸收的能量和破坏时吸收它们对非饱和原状黄土是成立的。在假定加荷时吸收的能量和破坏时吸收的总能量的总能量W与加荷的频率无关的前提下，线性累积损伤原理对非饱和原状黄土与加荷的频率无关的前提下，线性累积损伤原理对非饱和原状黄土也是适用的。也是适用的。1、通过谐振荷载作用下非饱和原状黄土的动三轴试验结果，分析了线性、通过谐

20、振荷载作用下非饱和原状黄土的动三轴试验结果，分析了线性累积损伤原理成立的两个假定：累积损伤原理成立的两个假定：22 5、在非饱和原状黄土动力损伤变形特性的研究基础上，将累积损伤与、在非饱和原状黄土动力损伤变形特性的研究基础上，将累积损伤与残余变形模量之间的关系用于等效粘弹性模型，可以在原计算基础上计残余变形模量之间的关系用于等效粘弹性模型，可以在原计算基础上计算出残余变形。算出残余变形。2、利用、利用Green等人从耗能角度推出的等效谐振计算公式，对非饱和原状黄土等人从耗能角度推出的等效谐振计算公式，对非饱和原状黄土的等效循环荷载研究表明，这处理方法对非饱和原状黄土等效循环荷载的计算的等效循环

21、荷载研究表明，这处理方法对非饱和原状黄土等效循环荷载的计算是可靠的。是可靠的。3、动荷作用下非饱和原状黄土的破坏主要是残余变形增大引起的，动应变引、动荷作用下非饱和原状黄土的破坏主要是残余变形增大引起的，动应变引起的损伤是很小的。在损伤累积过程中，动模量和阻尼比变化较小，其变化规起的损伤是很小的。在损伤累积过程中，动模量和阻尼比变化较小，其变化规律受起始含水量和固结应力条件控制。律受起始含水量和固结应力条件控制。4、非饱和原状黄土单位土体的破坏耗能与土的初始状态（应力和含水）有关，、非饱和原状黄土单位土体的破坏耗能与土的初始状态（应力和含水）有关，与动应力幅值无关。当含水量一定时，固结压力对它

22、的影响较小；当固结压力与动应力幅值无关。当含水量一定时，固结压力对它的影响较小；当固结压力一定时，含水量对它的影响较大。一定时，含水量对它的影响较大。4 非饱和原状黄土动力损伤变形特性研究由线性累积损伤原理得：(2)对累积损伤的分析(2)对累积损伤的分析3、动荷作用下非饱和原状黄土的破坏主要是残余变形增大引起的，动应变引起的损伤是很小的。2)破坏时吸收的总能量W与加荷的幅值无关(2)对累积损伤的分析在假定加荷时吸收的能量和破坏时吸收的总能量W与加荷的频率无关的前提下，线性累积损伤原理对非饱和原状黄土也是适用的。损伤的累积与加载进程呈线性关系由线性累积损伤原理得：它们对非饱和原状黄土是成立的。或

23、者为了得到这个权重系数，Seed等人对饱和砂土的液化曲线用了4步处理法.由线性累积损伤原理得：3、动荷作用下非饱和原状黄土的破坏主要是残余变形增大引起的，动应变引起的损伤是很小的。损伤的累积与加载进程呈线性关系2 非饱和原状黄土等效循环荷载 的随机振动分析在假定加荷时吸收的能量和破坏时吸收的总能量W与加荷的频率无关的前提下，线性累积损伤原理对非饱和原状黄土也是适用的。在假定加荷时吸收的能量和破坏时吸收的总能量W与加荷的频率无关的前提下，线性累积损伤原理对非饱和原状黄土也是适用的。为了得到这个权重系数，Seed等人对饱和砂土的液化曲线用了4步处理法.当含水量一定时，固结压力对它的影响较小；损伤的

24、累积与加载进程呈线性关系损伤的累积与加载进程呈线性关系4 非饱和原状黄土动力损伤变形特性研究同时，非饱和黄土具有显著的结构性，动荷作用下变形发展直至破坏的过程也是结构损伤发展的过程，考虑黄土的结构性，开展动变形特性的研究具有重要的理论与实际意义。4非饱和原状黄土动力损伤变形特性研究但是，他们的成果应用于结构性Q3黄土时需要进一步验证。（1）动模量及阻尼比的损伤分析在假定加荷时吸收的能量和破坏时吸收的总能量W与加荷的频率无关的前提下，线性累积损伤原理对非饱和原状黄土也是适用的。在假定加荷时吸收的能量和破坏时吸收的总能量W与加荷的频率无关的前提下，线性累积损伤原理对非饱和原状黄土也是适用的。2)破

25、坏时吸收的总能量W与加荷的幅值无关对材料的本构模型要求较高3、动荷作用下非饱和原状黄土的破坏主要是残余变形增大引起的，动应变引起的损伤是很小的。此式即为线性疲劳累积损伤方程式，即Miner定律。黄土的残余变形及残余变形模量的定义同时，非饱和黄土具有显著的结构性，动荷作用下变形发展直至破坏的过程也是结构损伤发展的过程，考虑黄土的结构性，开展动变形特性的研究具有重要的理论与实际意义。(2)对累积损伤的分析(2)对累积损伤的分析4 非饱和原状黄土动力损伤变形特性研究黄土的残余变形及残余变形模量的定义(1)对总能量的分析破坏耗能与动应力的关系(2)对累积损伤的分析损伤的累积与加载进程呈线性关系2 线性

26、累积损伤原理对原状黄土的适用性分析3、动荷作用下非饱和原状黄土的破坏主要是残余变形增大引起的，动应变引起的损伤是很小的。由线性累积损伤原理得：(2)对累积损伤的分析（2）残余变形模量的损伤分析损伤的累积与加载进程呈线性关系若将变幅往返荷载下构件的损伤等效为幅值为Sref、振次为neq的等幅循环荷载作用下的损伤时，neq的计算式很容易由上式得到：对材料的本构模型要求较高1945年Miner根据材料吸收净功的原理提出了疲劳线性累积损伤的数学表达式：3、动荷作用下非饱和原状黄土的破坏主要是残余变形增大引起的，动应变引起的损伤是很小的。4、非饱和原状黄土单位土体的破坏耗能与土的初始状态（应力和含水）有

27、关，与动应力幅值无关。（1）动模量及阻尼比的损伤分析2 非饱和原状黄土等效循环荷载的随机振动分析若将变幅往返荷载下构件的损伤等效为幅值为Sref、振次为neq的等幅循环荷载作用下的损伤时，neq的计算式很容易由上式得到：若将变幅往返荷载下构件的损伤等效为幅值为Sref、振次为neq的等幅循环荷载作用下的损伤时，neq的计算式很容易由上式得到：当含水量一定时，固结压力对它的影响较小；在假定加荷时吸收的能量和破坏时吸收的总能量W与加荷的频率无关的前提下，线性累积损伤原理对非饱和原状黄土也是适用的。当含水量一定时，固结压力对它的影响较小；若将变幅往返荷载下构件的损伤等效为幅值为Sref、振次为neq

28、的等幅循环荷载作用下的损伤时，neq的计算式很容易由上式得到：或者损伤的累积与加载进程呈线性关系为了得到这个权重系数，Seed等人对饱和砂土的液化曲线用了4步处理法.破坏耗能与动应力的关系早在1975年Seed等人在研究饱和砂土抗震液化时，就应用线性累积损伤原理推得了等效循环次数的计算公式：在假定加荷时吸收的能量和破坏时吸收的总能量W与加荷的频率无关的前提下，线性累积损伤原理对非饱和原状黄土也是适用的。由线性累积损伤原理得：当含水量一定时，固结压力对它的影响较小；1)加荷时吸收的能量 和破坏时吸收的总能 量W与加荷的频率无关2 非饱和原状黄土等效循环荷载 的随机振动分析1 绪 论同时，非饱和黄

29、土具有显著的结构性，动荷作用下变形发展直至破坏的过程也是结构损伤发展的过程，考虑黄土的结构性，开展动变形特性的研究具有重要的理论与实际意义。破坏耗能与动应力的关系(2)对累积损伤的分析为了得到这个权重系数，Seed等人对饱和砂土的液化曲线用了4步处理法.若将变幅往返荷载下构件的损伤等效为幅值为Sref、振次为neq的等幅循环荷载作用下的损伤时，neq的计算式很容易由上式得到：对材料的本构模型要求较高对材料的本构模型要求较高4 非饱和原状黄土动力损伤变形特性研究2001年Green等人在深入分析累积损伤原理的基础上，提出了等效循环荷载的另一种计算方法，就是使土体遭受实际地震所吸收的能量与neq次

30、等幅循环应力作用下吸收的能量相等。在假定加荷时吸收的能量和破坏时吸收的总能量W与加荷的频率无关的前提下，线性累积损伤原理对非饱和原状黄土也是适用的。损伤的累积与加载进程呈线性关系为了得到这个权重系数，Seed等人对饱和砂土的液化曲线用了4步处理法.(2)对累积损伤的分析4非饱和原状黄土动力损伤变形特性研究(2)对累积损伤的分析2 非饱和原状黄土等效循环荷载 的随机振动分析2)破坏时吸收的总能量W与加荷的幅值无关2 线性累积损伤原理对原状黄土的适用性分析早在1975年Seed等人在研究饱和砂土抗震液化时，就应用线性累积损伤原理推得了等效循环次数的计算公式：3、动荷作用下非饱和原状黄土的破坏主要是残余变形增大引起的，动应变引起的损伤是很小的。损伤的累积与加载进程呈线性关系单位土样耗能的平均值与固结应力的关系1945年Miner根据材料吸收净功的原理提出了疲劳线性累积损伤的数学表达式：3、动荷作用下非饱和原状黄土的破坏主要是残余变形增大引起的，动应变引起的损伤是很小的。23