CN103149338B - 一种用盒土结构测试与应变能计算相结合获得土阻尼比的方法 - Google Patents
一种用盒土结构测试与应变能计算相结合获得土阻尼比的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种用盒土结构测试与应变能计算相结合获得土阻尼比的方法。其特征是利用塑料盒土结构建立一种简易、有效的测定土的阻尼比的方法，即构想用盒土结构借助动态热机械分析仪（DMA）实验测试其盒土结构及空盒的阻尼损耗因子，并利用有限元软件理论计算其土与盒各自的应变能，从而反推求出土的阻尼比，得到一种新的简便的土阻尼测试方法和变参数系统研究土阻尼规律的实验手段，尤其是还可得到在不同低温下冻土的阻尼特性规律，从而可为地震及建筑地基的阻尼分析提供有效数据。
Description
技术领域
本发明涉及一种简易、有效的测定土的阻尼比的方法，尤其涉及一种用盒土结构测试与应变能计算相结合获得土阻尼比的方法。
背景技术
阻尼作为一切物体固有的动力特性，用来描述物体在振动过程中能量的损耗，阻尼的存在，使得物体的动能不可逆地逐渐转换为其他形式的能量，因此它是影响物体动力反应的重要因素之一。在结构地震反应问题中，弹性体系的材料阻尼一般都很小，阻尼比的值常在10%以下，且多为5%左右，因此，在地震衰减分析计算中，常把土层作为一种弹性体，土阻尼比的经验值常取0.05，显然，土的阻尼比的值不是一个定值，它会随着相关参数的变化而变化；此外，土的种类很多，如砂土、粘土、粉土、粉质粘土、黄土、冻土等不同种类的土的阻尼比也存在差异。因此，土阻尼比变化规律的研究一直是大家所密切关心的重大课题。
传统的测试土阻尼比的仪器主要采用动三轴仪和共振柱仪。共振柱试验的原理是在一个圆柱形试样上进行振动，通过激振系统，使试样发生振动，通过调节激振频率，使试样发生共振，从而确定弹性波在试样中传播的速度，计算出试样的阻尼比等相关参数。共振柱主要测试小应变（10-6至10-4）条件下试样的阻尼比。动三轴仪实验是在静力三轴试验的基础上发展而来的，通过对试样施加模拟的动主应力，测试试样在承受动荷载作用时的动态反应。这种反应是多方面的，最基本和最主要的是动应力(或动主应力)与相应的动应变的关系，动应力与相应的孔隙水压力的变化关系。根据应力、应变和孔隙水压力这三种指标的相对关系，可以推求出土样的阻尼比等相关参数。动三轴仪主要测试大应变（10-4到10-2）条件下试样的阻尼比。
尽管传统的土工试验在测试土体阻尼做了些工作，但是其测试过程复杂，测试成本较高，测试结果较离散且粗糙，温度、湿度、密度、激振频率等参数的调控受限，所以，在岩土工程中，急需一种简便的、有效的、低成本的测试方法用来测试土体的阻尼比和变参数系统研究土阻尼规律的实验手段。
发明内容
本发明的目的是提供一种用盒土结构测试与应变能计算相结合获得土阻尼比的方法，此方法具有简易、有效、低成本等优点。
本发明的一种用盒土结构测试与应变能计算相结合获得土阻尼比的方法，其特征是用塑料盒土结构借助动态热机械分析仪（DMA）实验测试其盒土结构及空盒的阻尼损耗因子，并利用有限元软件理论计算其土与盒各自的应变能，从而反推求出土的阻尼比，得到一种新的简便的土阻尼测试方法和变参数系统研究土阻尼规律的实验手段。
此方法实施分3步：
1. 用动态热机械分析仪（型号DMA-Q800）分别测试空盒的损耗因子和装满被测土的盒土结构的损耗因子。
2. 用有限元分析软件（ANSYS）模拟盒土的仪器测试条件，并计算出土的应变能、盒的应变能和总应变能。
3. 根据结构能量耗散守恒关系反推计算得到土的阻尼比。
其特征在于所用装土小盒为透明的聚丙烯（PP）塑料薄片（厚度0.1mm～0.5mm）制成，上盖盒恰好把装土的下盒从外部套盖住并用透明胶带纸沿下周固定粘上，空盒在振动载荷下的应变能与所装土的应变能同数量级，土的密度和湿度可人为变化。
所述的借助动态热机械分析仪（DMA）实验测试其盒土结构及空盒的阻尼损耗因子，主要是利用DMA的振动加载频率调控、悬臂梁夹持、高温及低温的温度调节与控制和阻尼值的温频曲线测定等功能测定土阻尼比及其参数影响规律。
该方法适合于砂土、粘土、粉土、粉质粘土、黄土、冻土等不同种类土的阻尼比的测定，也可用于河沙的阻尼比测定，解决了具有分散颗粒特征的土的阻尼精确测试难题，同时也为仅能测试整块固体阻尼特性的动态热机械分析仪开拓了应用范围。
本发明的技术效果是：到一种新的简便的土阻尼测试方法和变参数系统研究土阻尼规律的实验手段，尤其是还可得到在不同低温下冻土的阻尼特性规律，从而可为地震及建筑地基的阻尼分析提供有效数据。
附图说明
图1 DMA测试空盒的阻尼损耗因子。
图2 DMA测试盒-土的阻尼损耗因子。
图3 空盒、土、盒土的阻尼参数变化图。
具体实施例
试验盒子采用的是透明的聚丙烯（PP）塑料，盒子的外尺寸40mm×15mm×5mm，其他参数见表1所示：
表1 土和盒子的参数
| 名称 | E(pa) | v | 密度(kg/m3) |
| 土 | 2.50E+07 | 0.35 | 1450 |
| 盒 | 1.32E+09 | 0.4 | 900 |
扰动土采用的是广东韶关芙炼地区的粉质粘土，含水率为23.91%，干密度为1.61，在松散状态下，土的密度为1450kg/m3。土的弹性模量和泊松比的确定比较复杂，为了简便起见，我们采用文献中的数据。在仪器测试时，把粉质粘土装满盒并压实，压实后土的密度为1775kg/m3。
采用的仪器是美国TA公司生产的DMA-Q800。DMA-Q800常用来测试塑料、橡胶等阻尼材料的损耗因子。试验采用单悬臂模式，试件尺寸40mm×15mm×5mm（长×宽×高），仪器采用应变扫描模式，固定频率，振幅从小到大变化，温度为室温，测试振幅范围0.1um~1000um，在此范围内选择若干个振幅进行测试。
应变能计算采用ANSYS有限元软件，对其实际结构进行建模，采用soild45单元建模。边界条件为一端固定，另一端施加一个简谐位移荷载。
首先，用仪器DMA-Q800测试塑料空盒试件，固定频率0.1hz，进行振幅扫描，得到空盒的阻尼损耗因子，如图1所示；然后，把土装盒，压实，记录下密度，再用仪器测试，在同样的测试条件下，得到盒土复合结构的阻尼损耗因子，如图2所示；最后通过ANSYS软件计算得到相应的应变能，根据式（1）、（2）即可计算得到土的阻尼比。
计算结果如图3所示，土的阻尼比λ在0.08-0.3之间，其值与传统的动三轴试验测试方法得到值在同样大小的区间内。并且，λ随着剪应变γ增加而增大的趋势，也符合传统测试方法的规律。
对于由一种弹性材料（盒）和另一种粘弹性材料（土）组成的复合盒土结构，根据结构能量耗散守恒关系，盒土结构阻尼损耗因子可写成如下形式：
(1)
土阻尼比λ与损耗因子二者之间的关系为：
（2）
式(1)中，表示盒土复合结构的阻尼损耗因子；表示塑料空盒的阻尼损耗因子；表示盒内所装土的阻尼损耗因子；为复合结构的总应变能；为塑料空盒的应变能；为盒内所装土的应变能。式（1）中，、、通过ANSYS软件计算得到，、则通过DMA-Q800仪器测试得到，由以上参数即可推导得出土的阻尼损耗因子，再通过式（2）换算，最后得到土的阻尼比λ的值。
Claims (4)
1.一种用盒土结构测试与应变能计算相结合获得土阻尼比的方法，其特征是用塑料盒土结构借助动态热机械分析仪（DMA）实验测试其盒土结构及空盒的阻尼损耗因子，并利用有限元分析软件（ANSYS）模拟盒土的DMA仪器测试条件理论计算出土的应变能、盒的应变能和盒土的总应变能，从而反推求出土的阻尼比，得到一种新的简便的土阻尼测试方法和变参数系统研究土阻尼规律的实验手段。
2.根据权利要求1所述的一种用盒土结构测试与应变能计算相结合获得土阻尼比的方法，其特征在于所用装土小盒为透明的聚丙烯（PP）塑料薄片制成，薄片厚度0.1mm～0.5mm，上盖盒恰好把装土的下盒从外部套盖住并用透明胶带纸沿下周固定粘上，空盒在振动载荷下的应变能与所装土的应变能同数量级，土的密度和湿度可人为变化。
3.根据权利要求1所述的一种用盒土结构测试与应变能计算相结合获得土阻尼比的方法，其特征在于所述的借助动态热机械分析仪（DMA）实验测试其盒土结构及空盒的阻尼损耗因子，主要是利用DMA的振动加载频率调控、悬臂梁夹持、高温及低温的温度调节与控制和阻尼值的温频曲线测定土阻尼比及其参数影响规律。
4.根据权利要求1所述的一种用盒土结构测试与应变能计算相结合获得土阻尼比的方法，其特征在于该方法适合于砂土、粘土、粉土、粉质粘土、黄土、冻土的阻尼比的测定，也可用于河沙的阻尼比测定。
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