基于動(dòng)三軸試驗(yàn)的壓實(shí)黃土動(dòng)強(qiáng)度特性研究①

王軍海， 劉亞明

(1.山西省勘察設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030013； 2.西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系/大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710069)

基于動(dòng)三軸試驗(yàn)的壓實(shí)黃土動(dòng)強(qiáng)度特性研究①

王軍海1， 劉亞明2

(1.山西省勘察設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030013； 2.西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系/大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710069)

摘要：選取呂梁地區(qū)黃土，通過(guò)靜壓壓實(shí)制備三軸試樣，在GDS振動(dòng)三軸儀上研究含水率、干密度和加載頻率對(duì)壓實(shí)黃土動(dòng)強(qiáng)度的影響規(guī)律。結(jié)果表明：壓實(shí)黃土的動(dòng)強(qiáng)度及動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)均隨振次的增加而減小，隨含水率的增大而減小，隨干密度和加載頻率的增大而增大，動(dòng)強(qiáng)度與振次之間的關(guān)系可用對(duì)數(shù)方程進(jìn)行擬合。研究對(duì)黃土地區(qū)填方區(qū)基礎(chǔ)建設(shè)具有重要意義。

關(guān)鍵詞：地區(qū)呂梁； 動(dòng)三軸； 壓實(shí)黃土； 動(dòng)強(qiáng)度

0引言

黃土分布在我國(guó)地震多發(fā)且烈度較高的中西部地區(qū)，其干旱、半干旱的地域特征以及黃土自身的大孔隙架空結(jié)構(gòu)和對(duì)水的特殊敏感性均決定了黃土動(dòng)、靜力學(xué)特性研究在黃土地區(qū)工程實(shí)踐中的重要地位[1]。王志杰[2-4]、王家鼎[5]、谷天峰[6]、郭樂(lè)[7]、王念秦[8]、王峻[9]、張希棟[10]、SunJing[11]、YangChuancheng[12]等學(xué)者在黃土的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)研究方面都取得了豐碩的成果。

隨著黃土地區(qū)城市用地緊張的矛盾日益突出，在高填方地區(qū)進(jìn)行基礎(chǔ)建設(shè)成為了新趨勢(shì)。因此進(jìn)行壓實(shí)黃土的動(dòng)力穩(wěn)定性研究對(duì)黃土地區(qū)的抗震減災(zāi)具有重要意義。劉保健等[13]通過(guò)動(dòng)三軸試驗(yàn)分析了壓實(shí)黃土的應(yīng)力松弛隨濕度、圍壓、激振頻率和初始應(yīng)變變化的關(guān)系；李焱等[14]利用動(dòng)扭剪三軸儀得出壓實(shí)黃土動(dòng)強(qiáng)度及其參數(shù)均隨振動(dòng)頻率的增大而增大；楊利國(guó)等[15-17]利用改進(jìn)后的DTC-199型周期扭轉(zhuǎn)荷載三軸儀研究了初始應(yīng)力條件對(duì)壓實(shí)黃土動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的影響；李又云等[18]在大量動(dòng)三軸試驗(yàn)的基礎(chǔ)上研究了干密度、含水率及圍壓對(duì)壓實(shí)黃土的動(dòng)彈性模量、阻尼比影響。由于目前對(duì)壓實(shí)黃土的動(dòng)強(qiáng)度特性研究較少，且不夠系統(tǒng)全面，造成對(duì)壓實(shí)黃土的動(dòng)強(qiáng)度特性認(rèn)識(shí)不足。

本文選取呂梁壓實(shí)黃土為研究對(duì)象，在GDS振動(dòng)三軸儀上進(jìn)行動(dòng)三軸試驗(yàn)，研究含水率、干密度和加載頻率等因素對(duì)壓實(shí)黃土動(dòng)強(qiáng)度特性的影響。

1試驗(yàn)概述

1.1試驗(yàn)儀器與試樣制備

試驗(yàn)所用儀器為英國(guó)GDS振動(dòng)三軸儀。該儀器主要由三軸壓力室、軸向及側(cè)向加壓系統(tǒng)、反壓壓力體積控制器、數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)組成，可以精確完成動(dòng)態(tài)應(yīng)力下小應(yīng)變?nèi)S試驗(yàn)。

試驗(yàn)所用土樣為呂梁第四系上更新統(tǒng)的馬蘭黃土。該黃土呈淺黃色，具大孔隙，結(jié)構(gòu)疏松，垂直節(jié)理發(fā)育，含少量鈣質(zhì)結(jié)核，濕陷性較強(qiáng)。其基本物理指標(biāo)見(jiàn)表1。

表 1　黃土物理性質(zhì)指標(biāo)

采用靜壓壓實(shí)的方法制得三軸試樣。制樣過(guò)程如下：首先將土碾碎，烘干，過(guò)0.5mm細(xì)篩；然后按照預(yù)定的含水率進(jìn)行配水，攪拌均勻后將土樣密封放置;待其充分浸潤(rùn)后，取一定質(zhì)量的黃土裝入磨具中，將其放置于千斤頂上，通過(guò)靜壓將土體均勻壓實(shí)，然后脫模,將制備好的試樣風(fēng)干到預(yù)定含水率，放入干燥器中養(yǎng)護(hù)。

1.2試驗(yàn)方案

本次壓實(shí)黃土的動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)采用應(yīng)力控制加載方式，對(duì)試樣施加動(dòng)荷載。試驗(yàn)固結(jié)比選取1.69。

試驗(yàn)控制含水率分別為6%、10%、12%、14%和18%，控制干密度分別為1.6g/cm3、1.7g/cm3和1.8g/cm3，控制加載頻率分別為0.1Hz、0.5Hz、1Hz、5Hz和10Hz。試驗(yàn)過(guò)程中圍壓選取100kPa、200kPa和300kPa。

1.3破壞標(biāo)準(zhǔn)

土的動(dòng)強(qiáng)度通常被定義為在一定次數(shù)動(dòng)荷載作用下產(chǎn)生某一指定破壞應(yīng)變所需要的動(dòng)應(yīng)力[19]。王蘭民[1]研究發(fā)現(xiàn)對(duì)黃土來(lái)說(shuō)，這一指定應(yīng)變分別取為屈服應(yīng)變和3%較為合理；當(dāng)動(dòng)應(yīng)力-動(dòng)殘余應(yīng)變曲線上屈服點(diǎn)很明顯時(shí)，試樣破壞應(yīng)變?nèi)∏?yīng)變；當(dāng)動(dòng)應(yīng)力-動(dòng)殘余應(yīng)變曲線上屈服點(diǎn)不太明顯時(shí)，取3%作為破壞應(yīng)變。

在壓實(shí)黃土動(dòng)強(qiáng)度試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)：由于黃土經(jīng)過(guò)重塑后壓實(shí)，其結(jié)構(gòu)和含水率與原狀黃土差異很大，屈服點(diǎn)不明顯時(shí)使用應(yīng)變3%的破壞標(biāo)準(zhǔn)與壓實(shí)黃土的實(shí)際破壞情況不符。根據(jù)試樣破壞的實(shí)際情況，在試驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)有明顯屈服點(diǎn)時(shí)取屈服點(diǎn)；沒(méi)有明顯的屈服點(diǎn)時(shí)，取累積殘余應(yīng)變5%為破壞標(biāo)準(zhǔn)。

2試驗(yàn)結(jié)果

2.1各因素對(duì)動(dòng)強(qiáng)度的影響

由圖1可以看出，壓實(shí)黃土的動(dòng)強(qiáng)度隨振次的增加而減小。如圖1(a)所示，振次相同時(shí)動(dòng)強(qiáng)度隨含水率的增大而減小。這是因?yàn)辄S土對(duì)水的作用非常敏感，含水率的增大降低了土粒之間的摩阻力，黏土顆粒表面的結(jié)合水膜增厚，導(dǎo)致原始黏聚力減小，此外，黏粒遇水導(dǎo)致其膠結(jié)性弱化，削弱了黃土的結(jié)構(gòu)連接強(qiáng)度。

如圖1(b)所示，在振次相同的情況下動(dòng)強(qiáng)度隨干密度的增大而增大。干密度較小時(shí)，土體結(jié)構(gòu)松散，土顆粒間聯(lián)接力較?。浑S著干密度的增大，單位體積內(nèi)的土顆粒明顯增多，土顆粒間聯(lián)接力增大，滑移困難，導(dǎo)致土體動(dòng)強(qiáng)度增大。

圖1　不同因素對(duì)壓實(shí)黃土動(dòng)強(qiáng)度的影響Fig.1　The dynamic strength of compacted loess under different affecting factors

如圖1(c)所示，相同振次下動(dòng)強(qiáng)度隨加載頻率的增大而增大。這是因?yàn)樵诟哳l時(shí)，每個(gè)振次中應(yīng)力加載在土體上的時(shí)間較短，土體來(lái)不及在該級(jí)動(dòng)應(yīng)力下發(fā)生完全變形，即土顆?；七M(jìn)行重新排列的時(shí)間不充分，造成土的抗剪強(qiáng)度增大；反之，低頻時(shí)土體變形充分。剪力一定時(shí)，低頻荷載下土體達(dá)到破壞所需的循環(huán)荷載相對(duì)更少，表現(xiàn)為土體抗剪強(qiáng)度的減小。

2.2動(dòng)強(qiáng)度隨振次變化規(guī)律

由圖1可知，動(dòng)強(qiáng)度σdf隨lgN的增大大致呈線性下降。為了對(duì)壓實(shí)黃土動(dòng)強(qiáng)度與振次的關(guān)系有更加直觀的認(rèn)識(shí)，用式(1)對(duì)所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果見(jiàn)表2。

(1)

式中：σdf為為動(dòng)強(qiáng)度(Pa)；N為振次；a、b均為公式擬合常數(shù)。

表 2　σdf與N公式系數(shù)

由表2可以看出，對(duì)動(dòng)強(qiáng)度σdf與振次N的關(guān)系進(jìn)行擬合后，擬合所得公式的相關(guān)系數(shù)基本上均在0.9以上。這表明動(dòng)強(qiáng)度σdf與振次N相關(guān)性明顯，可用對(duì)數(shù)方程進(jìn)行擬合，常數(shù)a、b僅隨著土體的條件不同而取值不同。

因此，根據(jù)上述擬合所得公式可以較為準(zhǔn)確地確定不同條件下的壓實(shí)黃土在各振次下破壞所需的動(dòng)應(yīng)力。

2.3各因素對(duì)動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)的影響

根據(jù)上述擬合所得公式，分別求取振次為5、10、20、40、60、80、100、120、140和160次時(shí)，壓實(shí)黃土在100、200和300kPa圍壓下破壞所需動(dòng)應(yīng)力，再根據(jù)文獻(xiàn)[8]的方法求得其動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)，繪制cd-N、φd-N散點(diǎn)圖。

由圖2可以看出，在相同振次下壓實(shí)黃土的動(dòng)黏聚力cd和動(dòng)內(nèi)摩擦角φd均隨土體含水率的增大而降低。這表明隨著含水率的增大，壓實(shí)黃土的顆粒膠結(jié)明顯減弱，在動(dòng)應(yīng)力作用下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度受含水率的影響迅速降低，cd和φd均顯著降低。

圖2　含水率對(duì)壓實(shí)黃土動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)的影響Fig.2　Effect of moisture content on dynamic strength parameters of compacted loess

由圖3可以看出，在振次相同的情況下，壓實(shí)黃土的動(dòng)黏聚力cd和動(dòng)內(nèi)摩擦角φd均隨土體干密度的增大而增大。這是因?yàn)殡S著壓實(shí)黃土干密度的增大，單位體積內(nèi)的土顆粒數(shù)增加，促使黃土顆粒咬合更加緊密，在聯(lián)結(jié)力增大的同時(shí)土顆粒間不易產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度增加，表現(xiàn)為cd和φd的同時(shí)增大。

圖3　干密度對(duì)壓實(shí)黃土動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)的影響Fig.3　Effect of dry density on dynamic strength parameters of compacted loess

由圖4可以看出，振次相同時(shí)壓實(shí)黃土的動(dòng)黏聚力cd和動(dòng)內(nèi)摩擦角φd均隨加載頻率的增大而增大。這是因?yàn)榧虞d頻率不同時(shí)，土體在動(dòng)應(yīng)力作用下的變形特點(diǎn)不同。低頻時(shí)，在動(dòng)應(yīng)力作用下土體變形充分，在較少的振次下土體即被振松，土顆粒之間的摩擦力和咬合力減??；高頻時(shí)，土體來(lái)不及在動(dòng)應(yīng)力下發(fā)生變形，需在更多的振次下才能達(dá)到低頻較小振次下的變形效果。因此，與低頻振動(dòng)相比，高頻時(shí)土的cd和φd較大。

圖4　加載頻率對(duì)壓實(shí)黃土動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)的影響Fig.4　Effect of loading frequency on dynamic strength parameters of compacted loess

由圖2～圖4可知，壓實(shí)黃土的動(dòng)黏聚力cd和動(dòng)內(nèi)摩擦角φd均隨振次的增加而減小并最終趨于穩(wěn)定。這是由于初始狀態(tài)下土體內(nèi)部土顆粒之間呈現(xiàn)一種平衡和穩(wěn)定的狀態(tài)，產(chǎn)生一定的摩擦力和咬合力；隨著在土體上持續(xù)施加動(dòng)應(yīng)力，動(dòng)剪力逐漸將處于穩(wěn)定位置的土顆粒拖離，導(dǎo)致土體從彈性變形階段進(jìn)入塑性變形階段，土體被振松，土顆粒間的摩擦力和咬合力減小，表現(xiàn)為黏聚力和內(nèi)摩擦角的減小。隨著振次的增加，土顆粒重新排列并重新達(dá)到一種穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，表現(xiàn)為黏聚力和內(nèi)摩擦角逐漸趨于穩(wěn)定。

3結(jié)論

本文利用英國(guó)進(jìn)口的GDS振動(dòng)三軸儀研究含水率、干密度和加載頻率等因素對(duì)呂梁壓實(shí)黃土動(dòng)強(qiáng)度特性的影響，得出以下結(jié)論：

(1) 壓實(shí)黃土的動(dòng)強(qiáng)度和動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)均隨振次的增加而減小，動(dòng)強(qiáng)度和振次的關(guān)系可用對(duì)數(shù)方程進(jìn)行擬合。

(2) 壓實(shí)黃土的動(dòng)強(qiáng)度和動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)均隨含水率的增大而減小，隨干密度和加載頻率的增大而增大。

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DynamicStrengthPropertiesofCompactedLoessBased

onDynamicTriaxialTest

WANGJun-hai1,LIUYa-ming2

(1. Shanxi Investigation Research and Design Institute, Taiyuan 030013, Shanxi, China;2.State Key Laboratory of Continental Dynamics, Department of Geology, Northwest University, Xi’an 710069, Shaanxi, China)

Abstract：With ongoing western development, new urban construction in high-fill areas is a growing trend. Therefore, conducting research on the dynamic strength properties of compacted loess has important significance for the construction of large-scale infrastructure in loess areas of high seismic intensity. In this paper, with Lvliang compacted loess as the research object, we prepared triaxial specimens by static compaction. During the dynamic triaxial tests, we used stress control loading to apply dynamic load to the specimens. After sample loading, first, we applied a predetermined confining pressure to the specimen. Second, we applied a bias voltage to it. After consolidation was complete, dynamic stress was applied to the sample. When the specimen became damaged, we stopped loading. We preset the number of dynamic stress vibration times as 200. We performed many dynamic triaxial tests using dynamic triaxial apparatus to study the dynamic strength properties of Lvliang compacted loess including moisture content, dry density, and loading frequency. The results indicate that the dynamic strength of compacted loess decreases with an increased number of vibration times, and this relationship can be fitted to a logarithmic equation. The dynamic strength parameters of compacted loess decrease with an increase in moisture content and increase with increases in dry density and loading frequency. The dynamic cohesive force and dynamic internal friction angle decrease with an increase in the number of vibration times and then finally tend to stabilize.

Key words：Lvliang area; dynamic triaxial; compacted loess; dynamic strength

收稿日期：①2015-08-31

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(41372269)

作者簡(jiǎn)介：王軍海(1970-)，男，河南林州人，高級(jí)工程師，從事巖土工程勘查與設(shè)計(jì)的生產(chǎn)與科研工作。E-mail：wjh4036@126.com。

中圖分類號(hào):TU352.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào):1000-0844(2016)03-0439-06

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2016.03.0439