CN108548737A - 一种确定循环动荷载下泥化夹层累积应变模型的方法 - Google Patents

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徐晓
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Abstract

本发明公开了一种确定循环动荷载下泥化夹层累积应变模型的方法，该方法包括步骤一：泥化夹层试样分组：根据现场采取的泥化夹层样，按照若干种不同基本物理性质指标因素的若干种因素水平，和若干种不同赋存环境因素的若干种因素水平，进行排列组合，将泥化夹层试样分为若干组；步骤二：泥化夹层动三轴试验：将所述步骤一中的若干组泥化夹层试样按照土工室内试验规程分别进行动三轴试验，并记录每一组泥化夹层试样的试验数据；步骤三：试验数据分析：根据所述步骤二中的每一组泥化夹层试样的试验数据，获得各组泥化夹层累积应变模型。本发明弥补了目前对泥化夹层动力累积变形试验方法的空白。

Description

一种确定循环动荷载下泥化夹层累积应变模型的方法
技术领域
本发明涉及泥化夹层工程特性研究领域，具体涉及一种确定循环动荷载下泥化夹层累积应变模型的方法。
背景技术
泥化夹层是层状岩体常见的特殊软弱结构面，是工程岩体抗滑稳定的控制因素。根据已有资料显示，在国内外的大中型水电工程项目中，有九十多座坝基或坝肩岩体内均发育有泥化夹层带，有至少三十座大坝在设计和施工过程中需考虑泥化夹层带的影响。因泥化夹层带的存在，云南澜沧江漫湾水电站左岸边坡失稳的治理工程耗资1.2亿元，工期延误一年之久，总损失超过10亿元；李家峡、葛洲坝、小浪底、向家坝等工程的坝基边坡稳定与处理都成为了工程设计和施工中的重大难题。除此之外，还有很多含泥化夹层的坝基边坡工程曾出现严重的工程事故。如：1963年意大利阿尔卑斯山区的Vaiont水库近坝地段滑坡，导致拱坝失效，造成坝下游近3000人的死亡；加拿大Frank滑坡、英国南威尔士采区滑坡、欧洲的德国东部Sedlitz矿山滑坡等；以及2002年发生在四川金顶集团峨眉水泥厂的“3.15滑坡”造成8人死亡等。
但近年来，针对泥化夹层工程性质的研究主要集中在现场原位试验、室内直剪试验、含泥化夹层边坡稳定性试验等方面，且绝大多数研究都聚焦在泥化夹层的静力特性上，仅有的几篇有关泥化夹层动力响应特性研究的文献也都是基于黄河小浪底工程的泥化夹层原状岩芯试样的动力试验结果。截至目前，还没有研究循环动荷载作用下泥化夹层本身累积应变模型的方法面世，更没有针对不同赋存环境条件下发育性质不同的泥化夹层累积变形规律及其影响因素的研究面世。因此，目前亟需一种确定不同赋存环境条件下发育性质不同的泥化夹层在循环动荷载作用下的累积应变模型的方法。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种确定循环动荷载下泥化夹层累积应变模型的方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案包括但不仅包括以下步骤：
步骤一：泥化夹层试样分组：根据现场采取的泥化夹层样，按照若干种不同基本物理性质指标因素的若干种因素水平，和若干种不同赋存环境因素的若干种因素水平，进行排列组合，将泥化夹层试样分为若干组。
进一步，泥化夹层是一种特殊类型土，其成因机制与普通土不同，工程性质也与普通土之间存在较大差异，进行泥化夹层分组时需要先进行泥化夹层的岩矿鉴定和物质成分分析；除干湿状态、应力状态、荷载条件等因素外，主要矿物成分、化学成分、颗粒级配、赋存环境等因素都应考虑在内。
步骤二：泥化夹层动三轴试验：将所述步骤一中的若干组泥化夹层试样按照土工室内试验规程分别进行动三轴试验，并记录每一组泥化夹层试样的试验数据。
进一步，所述步骤二中泥化夹层动三轴试验包括以下步骤：
(1)在动三轴试验机上装好泥化夹层试样并按照试验规程进行固结；(2)根据实际模拟试验条件选择或设定相应的控制开关和参数；(3)施加逐级增长的动荷载，根据实际工程所在地的地震烈度确定每一级动荷载循环周次并保持一致；
进一步，所述逐级增长的动荷载，每一级的动荷载增幅与最终施加的动荷载幅值首先与试验泥化夹层试样自身的发育性质有关，其次与试验设定的赋存环境条件有关，需要根据实际的试验情况进行调整。
步骤三：试验数据分析：根据所述步骤二中的每一组泥化夹层试样的试验数据，获得各组泥化夹层累积应变模型。
进一步，所述步骤三中获得各组泥化夹层累积应变模型包括以下步骤：
(1)分别在普通直角坐标系或半对数坐标系中画出每一组泥化夹层试样的累积应变与循环周次关系曲线；(2)利用专业数据拟合软件处理得到适合所有组泥化夹层试样累积应变与循环周次关系曲线模型的经验公式，并选择符合工程实际的最优项；建立循环动荷载下泥化夹层累积应变模型；(3)验证泥化夹层累积应变模型的合理性及其对各种类型泥化夹层的适用性。
进一步，所述步骤三中的试验数据分析还可以是针对泥化夹层动应力-动应变本构关系的分析，包括以下步骤：
同一坐标系下，绘制同一围压条件下泥化夹层动应力与动应变的关系曲线，即循环动荷载作用下泥化夹层的动应力-动应变本构关系；根据泥化夹层的动应力-动应变本构关系可以推得泥化夹层的动力参数；其中用累积应变表示泥化夹层的动应变。
进一步，所述步骤三中的数据分析也包括泥化夹层累积应变影响因素的机制分析，步骤如下：
(1)采用正交试验分析方法分析泥化夹层累积应变的因素效应；用所述正交试验分析结果中某一列因素某一水平对应的泥化夹层累积应变之和的平均值表示该因素水平对泥化夹层累积应变的影响；(2)用所述正交试验分析结果中的极差分析结果表示各因素对泥化夹层累积应变的贡献率；贡献率越大，泥化夹层累积应变对该影响因素的敏感度越高；(3)定义所述正交试验分析结果中某一因素某一水平对应的泥化夹层累积应变之和的平均值与该因素某一水平对应的泥化夹层累积应变之和的平均值的最大值之比为泥化夹层累积应变因素效应指标；泥化夹层累积应变因素效应指标随因素水平的增长或降低及增长或降低的百分比即反映泥化夹层累积应变随该因素水平变化的机制。
进一步，所述步骤三中的数据分析还包括泥化夹层累积应变曲线中初始塑性损伤周次的确定，包括以下步骤：
对泥化夹层累积应变模型二阶导数等于0的方程求解，若无二阶导数则对其一阶导数等于1的方程求解，解析解即为泥化夹层积累积应变曲线中应变突增点；泥化夹层积累积应变曲线中初始塑性损伤周次对应的累积应变即为泥化夹层发生塑性损伤时累积塑性变形的阈值。
本发明的有益效果：
(1)该方法提出了一种确定循环动荷载作用下泥化夹层累积应变模型的方法，弥补了目前对泥化夹层动力累积变形试验方法的空白；
(2)该方法可以同时得到不同泥化夹层完整的动应力-动应变本构关系，方法简单结果准确，弥补了泥化夹层动力特性研究的不足；
(3)该方法可以同时得到不同泥化夹层的动弹性模量、动剪切模量、阻尼比等基本参数，为含泥化夹层复杂岩体动力稳定性分析与评价提供了基础支撑；
(4)该方法可以精确计算不同泥化夹层的累积应变曲线中的初始塑性损伤周次，为泥化夹层动力扰动下的塑性损伤提供一个累积塑性变形阈值，阐明泥化夹层在循环动荷载作用下的动损伤机理，为含泥化夹层岩质边坡的动力灾害防治提供理论依据；
(5)该方法可以同时准确得到泥化夹层的累积应变对不同基本物理性质指标因素、不同赋存环境因素的敏感度；定性定量分析泥化夹层的累积应变受各因素各因素水平影响的机制。
附图说明
图1为本发明一实施例得到的循环动荷载作用下1-27组泥化夹层试样的累积应变Si与循环周次N的变化曲线，即Si～N曲线；
图2为本发明一实施例得到的循环动荷载作用下泥化夹层累积应变模型对试验数据的拟合优度与经典模型的对照图；
图3为本发明一实施例得到的循环动荷载作用下1-27组泥化夹层试样的动应力Li-动应变Si关系曲线：Si/Li～Si曲线；
图4为本发明一实施例得到的循环动荷载作用下1-27组泥化夹层试样的动弹性模量Ei规律图；
图5为本发明一实施例得到的循环动荷载作用下1-27组泥化夹层试样的累积应变Si因素效应图；
图6a为本发明一实施例得到的循环动荷载作用下1-27组泥化夹层试样的累积应变Si1在不同围压条件下的Si1～N1关系曲线图；
图6b为本发明一实施例得到的循环动荷载作用下1-27组泥化夹层试样的累积应变Si1在不同含水率条件下的Si2～N2关系曲线图；
图6c为本发明一实施例得到的循环动荷载作用下1-27组泥化夹层试样的累积应变Si1在不同主要黏土矿物成分条件下的Si3～N3关系曲线图；
图7为本发明一实施例得到的循环动荷载作用下1-27组泥化夹层试样的Si～N曲线的初始塑性损伤周次N0。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例来进一步详细的说明本发明，但本发明的保护范围并不限于此。
实施例一
一种确定循环动荷载下泥化夹层累积应变模型的方法，包括但不仅包括以下步骤：
步骤一：泥化夹层试样分组：根据现场采取的泥化夹层样的岩矿鉴定和物质成分分析结果，在3种不同主要黏土矿物成分(蒙伊混层、伊利石和高岭石)条件下，对每一种主要黏土矿物成分条件制备3种含水率(11.3％、15.1％和18.7％)重塑泥化夹层试样，对每一组重塑泥化夹层试样，均做三种围压(100kPa、200kPa和300kPa)条件下的泥化夹层动三轴试验，共计27组，分组情况如下：
表1试验组别与试验条件对照表
其中泥化夹层的主要黏土矿物成分是指因黏土矿物成分性质及黏粒含量不同而在泥化夹层样中对其物理力学性质起决定性因素的黏土矿物成分或黏土矿物成分组合；其中蒙伊混层的工程性质最差，其次是伊利石，最后是高岭石；
优选的，该步骤中所进行的分组可根据试验需要按照若干种不同基本物理性质指标因素的若干种因素水平，和若干种不同赋存环境因素的若干种因素水平，进行其他种排列组合，将泥化夹层试样分为若干组；
步骤二：泥化夹层动三轴试验：在动三轴试验机上装好泥化夹层试样并按照试验规程进行等压固结；选择不排水试验条件；采用正弦波循环加载；设定振动频率为1Hz；根据各组泥化夹层试样的实际情况施加逐级增长的动荷载，控制每一级的动荷载振动10周次；当设定最大一级的动荷载振动结束，停止试验。
优选的，该步骤中试验所选择或设定的相应的控制开关和参数都可以根据泥化夹层实际工况进行调整，如是否等向固结、是否排水、动荷载加载波形、动荷载振动频率等等；
步骤三：试验数据分析：根据所述步骤二中的每一组泥化夹层试样的试验数据，获得27组泥化夹层试样的累积应变Si与循环周次N关系曲线：Si～N曲线；
利用专业数据拟合软件处理得到适合27组泥化夹层试样累积应变与循环周次关系的平滑曲线模型，在符合工程实际的基础上使拟合曲线对试验数据的拟合优度尽可能接近数值1；结果如下：
泥化夹层累积应变模型为：Si＝b(lgN)m；
式中，Si为泥化夹层累积应变；b、m为与动应力水平和土的性质有关的拟合参数；N为循环周次，当N＝1时，Si＝0。由于累积应变随循环周次增长，故m＞0，b＞0。其一阶导数为：在N≠1时，一阶导数恒大于0，理论上泥化夹层的累积应变随循环周次无限增加，属于典型的破坏型累积应变模型。
将本方法所得泥化夹层累积应变模型对试验数据的拟合优度与经典模型对比；
如图1：本发明一实施例得到的循环动荷载作用下1-27组泥化夹层试样的累积应变Si与循环周次N的变化曲线，即Si～N曲线；
可知泥化夹层累积应变模型拟合效果较好；
如图2：本发明一实施例得到的循环动荷载作用下泥化夹层累积应变模型对试验数据的拟合优度与经典模型的对照图；
可知本方法所得累积应变模型比经典模型更适合描述泥化夹层在循环动荷载作用下的累积应变特性；
进一步，根据所述步骤二中的每一组泥化夹层试样的试验数据，获得27组泥化夹层试样的动应力Li和动应变Si数据；在同一坐标系下，绘制同一围压条件下泥化夹层动应力Li与动应变Si的关系曲线，即泥化夹层的动应力-动应变本构关系；
如图3：本发明一实施例得到的循环动荷载作用下1-27组泥化夹层试样的动应力Li-动应变Si关系曲线：Si/Li～Si曲线；
根据泥化夹层的动应力-动应变本构关系可以推得泥化夹层的动力参数；
如图4：本发明一实施例得到的循环动荷载作用下1-27组泥化夹层试样的动弹性模量Ei规律图；
优选的，该步骤中的动力参数还可以是动剪切模量、阻尼比等等；
进一步，采用正交试验分析方法分析泥化夹层累积应变Si的因素效应；用所述正交试验分析结果中第j列因素第m行水平对应的泥化夹层累积应变之和Kjm的平均值kjm表示该因素水平对泥化夹层累积应变Si的影响；
用所述正交试验分析结果中的极差分析结果Hi表示各因素对泥化夹层累积应变Si的贡献率；贡献率越大，泥化夹层累积应变Si对该影响因素的敏感度越高；
定义所述正交试验分析结果中第j列因素第m行水平对应的泥化夹层累积应变Si之和Kjm的平均值kjm与该因素某一水平对应的泥化夹层累积应变之和Kjm的平均值kjm的最大值kjmmax之比为泥化夹层累积应变因素效应指标kjm/kjmmax；泥化夹层累积应变因素效应指标kjm/kjmmax随因素水平的增长或降低及增长或降低的百分比即反映泥化夹层累积应变随该因素水平变化的机制；见表2。
表2Si对各影响因素的敏感度正交试验分析结果
Si 含水率/％ 主要黏土矿物成分(无单位) 围压/KPa
K1 0.0285 0.0401 0.0829
K2 0.0333 0.1380 0.0568
K3 0.1462 0.0298 0.0674
k1 0.0032 0.0045 0.0093
k2 0.0037 0.0153 0.0063
k3 0.0162 0.0033 0.0075
Ri 0.0131 0.0120 0.0030
Hi 46.55％ 42.81％ 10.64％
可知，泥化夹层累积应变随含水率和主要矿物成分变化明显，其中含水率对累积应变贡献率为46.55％，主要矿物成分为42.81％，而围压的贡献率仅有10.64％；
结合图5：本发明一实施例得到的循环动荷载作用下1-27组泥化夹层试样的累积应变Si因素效应图；
可知，累积应变Si随着含水率的增大而增大，随围压的增大而呈减小趋势，其中主要黏土矿物成分为蒙伊混层的泥化夹层，同等条件下累积应变Si最大，其次是主要黏土矿物成分为伊利石的泥化夹层，最后是主要黏土矿物成分为高岭石的泥化夹层。含水率从12.6％增大至16.3％，仅增长3.33％，而从16.3％增大至20.1％，累积应变Si增加了77.22％；主要黏土矿物成分从蒙伊混层变化为至伊利石，累积应变Si降低了70.93％，而从伊利石变化为高岭石，累积应变Si又降低了78.42％；围压从100kPa增大至200kPa，累积应变Si降低了32.15％，从200kPa增大至300kPa，累积应变Si增加了12.69％；
如图6a～图6c：本发明一实施例得到的循环动荷载作用下1-27组泥化夹层试样的累积应变Si与各影响因素关系曲线图；
可知，其他因素相同围压不同时，累积应变随围压增大而减小；其他因素相同含水率不同时，累积应变随含水率增大而增大；其他因素相同主要黏土矿物成分不同时，泥化夹层累积应变大小与主要黏土矿物成分的工程性质优劣呈负相关；其中，主要黏土矿物成分为蒙伊混层的泥化夹层累积应变最大，其次是伊利石，最后是高岭石。
进一步，计算泥化夹层累积应变曲线中初始塑性损伤周次，本方法中泥化夹层累积应变模型不存在二阶导数，故对其一阶导数等于1的方程求解，解析解N0即为泥化夹层积累积应变曲线中初始塑性损伤周次；泥化夹层积累积应变曲线中初始塑性损伤周次对应的累积应变即为泥化夹层发生塑性损伤时累积塑性变形的阈值。
如图7：本发明一实施例得到的循环动荷载作用下1-27组泥化夹层试样的Si～N曲线的初始塑性损伤周次N0。
图7中每相邻3个点代表正交试验中一个试验序列所对应的一个应力水平循环，即围压分别为100kPa、200kPa、300kPa时所对应的N0值。
可知，一般情况下，N0随围压的增大而增大，但当含水率过大时，不同围压下N0相差不大。说明含水率接近土样塑限时，围压对土样累积应变曲线N0的影响大幅度降低。同时，含水率较大时，围压过大会导致N0的陡降，说明围压过大会直接破坏泥化夹层结构导致土体破坏。N0随含水率的增大而呈减小趋势。不过，存在临界含水率，当含水率小于该值时，N0随含水率的增大而增大；当含水率超过该值时，N0随含水率的增大而减小；主要矿物成分不同的泥化夹层临界含水率不同。而同等条件下，主要矿物成分为蒙伊混层的泥化夹层的动力变形曲线N0总是相对最小，其次是主要矿物成分为伊利石的泥化夹层，最后是主要矿物成分为高岭石的泥化夹层。
可利用N0对应的应变值Si来确定相应的土体发生塑性损伤时累积塑性变形的阈值，为泥化夹层动力扰动下的塑性损伤提供一个累积塑性变形阈值，阐明泥化夹层在循环动荷载作用下的动损伤机理，为含泥化夹层岩质边坡的动力灾害防治提供理论依据。

Claims (8)

1.一种确定循环动荷载下泥化夹层累积应变模型的方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
步骤一：泥化夹层试样分组：根据现场采取的泥化夹层样，按照若干种不同基本物理性质指标因素的若干种因素水平，和若干种不同赋存环境因素的若干种因素水平，进行排列组合，将泥化夹层试样分为若干组；
步骤二：泥化夹层动三轴试验：将所述步骤一中的若干组泥化夹层试样按照土工室内试验规程分别进行动三轴试验，并记录每一组泥化夹层试样的试验数据；
步骤三：试验数据分析：根据所述步骤二中的每一组泥化夹层试样的试验数据，获得各组泥化夹层累积应变模型。
2.根据权利要求1所述的一种确定循环动荷载下泥化夹层累积应变模型的方法，其特征在于：所述泥化夹层是一种特殊类型土，其成因机制与普通土不同，工程性质也与普通土之间存在较大差异，进行泥化夹层分组时需要先进行泥化夹层的岩矿鉴定和物质成分分析；除干湿状态、应力状态、荷载条件因素外，主要矿物成分、化学成分、颗粒级配、赋存环境因素都应考虑在内。
3.根据权利要求1所述的一种确定循环动荷载下泥化夹层累积应变模型的方法，其特征在于，所述步骤二中泥化夹层动三轴试验包括以下步骤：
（1）在动三轴试验机上装好泥化夹层试样并按照试验规程进行固结；
（2）根据实际模拟试验条件选择或设定相应的控制开关和参数；
（3）施加逐级增长的动荷载，根据实际工程所在地的地震烈度确定每一级动荷载循环周次并保持一致。
4.根据权利要求3所述的一种确定循环动荷载下泥化夹层累积应变模型的试验方法，其特征在于：所述逐级增长的动荷载，每一级的动荷载增幅与最终施加的动荷载幅值首先与试验泥化夹层试样自身的发育性质有关，其次与试验设定的赋存环境条件有关，需要根据实际的试验情况进行调整。
5.根据权利要求1所述的一种确定循环动荷载下泥化夹层累积应变模型的方法，其特征在于，所述步骤三中获得各组泥化夹层累积应变模型包括以下步骤：
（1）分别在普通直角坐标系或半对数坐标系中画出每一组泥化夹层试样的累积应变与循环周次关系曲线；
（2）利用专业数据拟合软件处理得到适合所有组泥化夹层试样累积应变与循环周次关系曲线模型的经验公式，并选择符合工程实际的最优项；建立循环动荷载下泥化夹层累积应变模型；
（3）验证泥化夹层累积应变模型的合理性及其对各种类型泥化夹层的适用性。
6.根据权利要求1所述的一种确定循环动荷载下泥化夹层累积应变模型的方法，其特征在于，所述步骤三中的试验数据分析还可以是针对泥化夹层动应力-动应变本构关系的分析，包括以下步骤：同一坐标系下，绘制同一围压条件下泥化夹层动应力与动应变的关系曲线，即循环动荷载作用下泥化夹层的动应力-动应变本构关系；根据泥化夹层的动应力-动应变本构关系可以推得泥化夹层的动力参数；其中用累积应变表示泥化夹层的动应变。
7.根据权利要求1所述的一种确定循环动荷载下泥化夹层累积应变模型的方法，其特征在于，所述步骤三中的数据分析也包括泥化夹层累积应变影响因素的机制分析，步骤如下：
（1）采用正交试验分析方法分析泥化夹层累积应变的因素效应；用所述正交试验分析结果中某一列因素某一水平对应的泥化夹层累积应变之和的平均值表示该因素水平对泥化夹层累积应变的影响；
（2）用所述正交试验分析结果中的极差分析结果表示各因素对泥化夹层累积应变的贡献率；贡献率越大，泥化夹层累积应变对该影响因素的敏感度越高；
（3）定义所述正交试验分析结果中某一因素某一水平对应的泥化夹层累积应变之和的平均值与该因素某一水平对应的泥化夹层累积应变之和的平均值的最大值之比为泥化夹层累积应变因素效应指标；泥化夹层累积应变因素效应指标随因素水平的增长或降低及增长或降低的百分比即反映泥化夹层累积应变随该因素水平变化的机制。
8.根据权利要求1所述的一种确定循环动荷载下泥化夹层累积应变模型的方法，其特征在于，所述步骤三中的数据分析还包括泥化夹层累积应变曲线中初始塑性损伤周次的确定，包括以下步骤：对泥化夹层累积应变模型二阶导数等于0的方程求解，若无二阶导数则对其一阶导数等于1的方程求解，解析解即为泥化夹层积累积应变曲线中应变突增点；泥化夹层积累积应变曲线中初始塑性损伤周次对应的累积应变即为泥化夹层发生塑性损伤时累积塑性变形的阈值。
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