動三軸試驗在武漢地鐵二號線勘察中的應用與分析

王瑞芳，張三定，龔福洪，李勇泉

(1.武漢科技大學 城建學院 土木系，武漢 430070;2.長江巖土工程總公司，武漢 430010;3.武漢大學 土木建筑工程學院，武漢 430072)

1 工程概況

武漢市軌道交通二號線一期工程從常青花園北起，穿過張公堤，經(jīng)漢口火車站，沿青年路、解放大道、江漢路，在武漢關穿長江，至武昌四棉，沿和平大道、中山路，穿小龜山到洪山廣場和中南路，沿武珞路、卓豹路到終點魯巷廣場，正線全長約27 km。全線除車輛段及相應出入線為地面線外，其余段均為地下隧道。在循禮門站場地分布飽和砂土和粉土，根據(jù)要求對本區(qū)段地基土進行液化判別。

2 試樣情況

2.1 取樣情況

試樣取自武漢軌道交通2號線一期工程Ⅲ標段工程場地，共六組，具體描述如下:①D-1:取樣深度17.2～17.4 m，灰色粉質(zhì)黏土，軟塑態(tài)，試樣天然重度為19.05 kN/m3;②D-2:取樣深度19.2～20.1 m，灰色粉質(zhì)細砂，試樣天然重度為21.16 kN/m3;③D-3:取樣深度22.00～22.2 m，灰色粉質(zhì)細砂，其試樣天然重度為21.56 kN/m3;④D-4:取樣深度28.2～28.4 m，黃褐色粉質(zhì)細砂，試樣天然重度為19.63 kN/m3;⑤D-5:取樣深度31.4～31.6 m，黃褐色粉質(zhì)細砂，試樣天然重度為19.45 kN/m3;⑥D(zhuǎn)-6:取樣深度37.6～37.8 m，灰色粉質(zhì)黏土，軟塑態(tài)，有粉細砂夾層，試樣天然重度為19.56 kN/m3。

2.2 試驗內(nèi)容和要求

進行動模量和阻尼比試驗，求取土在動荷載作用下的動應變、動模量和阻尼比，最大動模量和最大阻尼比，以及試驗參數(shù) a、b。試驗固結(jié)壓力根據(jù)取樣深度確定，固結(jié)應力比KC=1.0;振動頻率f=1 Hz;振動波型為正弦波。

2.3 試驗設備

試驗儀器采用日本誠研舍株式會社制造的DTC-306型電液伺服控制振動三軸儀，如圖1所示。其主要技術參數(shù)如下:頻率為0.01～100.00 Hz，最大軸向荷載5 000 kN，最大圍壓1 MPa，控制方式有應力控制式或應變控制式，采用正弦波形，相位差為0°～360°，可以單獨或同時在軸向和側(cè)向施加動荷載。試驗尺寸為 φ 39.1 mm，高 h為 80 mm。

圖1 電液伺服控制振動三軸儀

圖2 滯回圈

2.4 試驗過程

1)試樣制備:將試樣制備成直徑50 mm，高100 mm的圓柱狀試樣。

2)試樣飽和:對黏土和粉質(zhì)黏土試樣采用真空抽氣飽和方法，測定試樣的飽和度。

3)試樣固結(jié):根據(jù)試樣的取樣深度，施加有效固結(jié)壓力，進行固結(jié)，黏土和粉質(zhì)黏土試樣固結(jié)完成的時間為8～10 h。

4)施加軸向動荷載:按由小到大的順序逐級施加動荷載，直到試樣破壞，每級動荷載下振動10個循環(huán)，采用X-Y記錄儀記錄每級動荷載下的應力應變滯回圈。每級加荷后，下級加荷前消除試樣內(nèi)的殘余孔隙水壓力增量。

3 試驗成果

3.1 阻尼比的計算

將土當作黏彈性體時，一般用重復加載卸載滯回曲線法來確定土的阻尼比。用動三軸試驗的資料在一個周期內(nèi)整理出軸向動應力與動應變的關系曲線，稱為滯回圈。對選取的滯回曲線擬合為橢圓，則橢圓長軸的斜率為動彈性模量，長軸與橢圓交點坐標為動應力幅值和動應變幅值，如圖2所示。阻尼比計算方法如式(1)

AL為滯回圈面積，表示加載與卸載損失的能量;AT為滯回圈頂點至原點連線與橫軸形成的直角三角形的面積，表示加載或卸載的應變能;a、b分別為橢圓長軸、短軸長度;εd、σd分別為軸向動應變和動應力。

3.2 動應力與動應變關系分析

圖3為動應力σd和動應變εd在不同圍壓作用下的關系。由圖3可知，動強度隨圍壓呈非線性增長，增長速率逐漸減緩;小應變情況下，應力隨應變的增長較快，動彈性模量Ed計算公式為Ed=σd/εd，Ed變化較大;隨著應變的增長，應力與應變關系趨于穩(wěn)定，即動彈性模量不再增長。

圖3 σd—εd關系曲線

3.3 不同圍壓下γ—G/Gmax的關系

土的動剪切模量的退化，通常以動剪切模量比G/Gmax與動剪應變幅值 γ之間的關系表示，即 G/Gmax=1/(1+ γ/γγ)，γγ為參考剪應變。

圖4 γ—G/Gmax關系曲線

從圖4可以看出，隨著剪應變γ的增大，G/Gmax逐漸減小。當剪應變γ<0.025，G/Gmax降低幅值很快;當γ≥0.025時，G/Gmax逐漸趨于穩(wěn)定。在相同剪應變下，隨著圍壓的增大，相應的G/Gmax也大些。

γ—G/Gmax非線性關系曲線對土層地震反應分析的結(jié)果影響顯著，對于小震，地表加速度反應譜中特征周期的影響比對地震影響系數(shù)的影響更敏感一些;對于大震，則地表加速度反應譜中地震影響系數(shù)的影響比對特征周期的影響更敏感一些。

3.4 阻尼比λ與動應變εd的關系曲線

動應變對阻尼比λ有顯著的影響，λ隨著動應變的增大而增大。這是因為動應變越大，土體內(nèi)阻消耗能量越多，因此阻尼比會變大。但阻尼比隨動應變的增幅卻是不同的。在小應變幅下，λ—εd曲線較陡，λ增長較快;而隨著動應變的增大，λ增長趨于平緩，逐漸趨于一個定值λmax。

同時，在相同應變下，阻尼比 λ隨著固結(jié)壓力 σ3圍壓的增大而有所減小，但減小幅度不均。圖5中三條曲線所示，在試驗開始階段，在相同應變下，λ在不同圍壓下取值相差不大，尤其是 σ3=250 kPa，300 kPa，350 kPa的曲線幾乎重合。但是隨著應變的發(fā)展，σ3對阻尼比的λ影響就逐漸明顯起來，相同應變條件下，低圍壓情況下的λ明顯大于高圍壓情況下的λ。

圖5 λ—εd關系曲線

3.5 阻尼比λ與剪應變γ的關系曲線

圖6 λ—γ關系曲線

剪應變幅值對動剪切模量比和阻尼比值有很大的影響。如圖6所示，隨剪應變幅值的增大，動剪切模量比減小，阻尼比增大。在相同應變下，阻尼比λ隨著固結(jié)壓力σ3圍壓的增大而有所減小，但減小幅度不均。當圍壓為150 kPa時，阻尼比在0.18～0.23范圍內(nèi)變動，當γ≤0.02，阻尼比增大，γ>0.02，阻尼比逐漸減小;隨著圍壓的增大，阻尼比逐漸減小。

4 場地液化判別

場地分布飽和砂土和粉土，根據(jù)要求對本區(qū)段地基土進行液化判別。由于場地中粉土的黏粒含量為13.2%～27.3%，符合在地震烈度7度情況下黏粒含量不小于10%的條件，可判為不液化土。

5 結(jié)論

本文通過室內(nèi)動三軸試驗，分析圍壓土的動力特性的影響，得到了一些結(jié)論:

1)圍壓對粉砂、粉土的動強度有明顯的影響，粉砂、粉土的動強度、動彈性模量隨著圍壓的增大都有明顯的提高;隨著圍壓的增大，相應的最大動應變減小。

2)隨著剪應變γ的增大，G/Gmax逐漸減小，當剪應變 γ<0.025，G/Gmax降低幅值很快;當γ≥0.025時，G/Gmax逐漸趨于穩(wěn)定。

3)動應變對阻尼比λ有顯著的影響，λ隨著動應變的增大而增大。在小應變幅下，λ—εd曲線較陡，λ增長較快;而隨著動應變的增大，λ增長趨于平緩，逐漸趨于一個定值λmax。

4)隨剪應變幅值的增大，動剪切模量比減小，阻尼比增大。在相同應變下，阻尼比λ隨著固結(jié)壓力σ3圍壓的增大而有所減小，但減小幅度不均。

5)在地震烈度7度情況下，場地中飽和砂土和粉土的黏粒含量超過10%，可定為非液化土。

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