砂卵石土動、靜特性的對比試驗研究

何建平，彭興芝，祖 燁，吳懷忠

（1.洛陽理工學院土木工程系河南洛陽 471023；2.河南科技學院園林學院，河南信陽 453003；3.長江勘測規劃設計研究院，武漢 430010；4.上海原構建筑設計有限公司北京分公司，北京 100084）

砂卵石土動、靜特性的對比試驗研究

何建平1，彭興芝2，祖 燁3，吳懷忠4

（1.洛陽理工學院土木工程系河南洛陽 471023；2.河南科技學院園林學院，河南信陽 453003；3.長江勘測規劃設計研究院，武漢 430010；4.上海原構建筑設計有限公司北京分公司，北京 100084）

在室內砂卵石土動、靜力特性對比試驗基礎上，通過大量試驗數據對比分析了不同條件下非飽和砂卵石土和飽和砂卵石土的強度和變形特性。結果表明：非飽和試樣和飽和試樣破壞時，剪切位移變化比較一致，壓力增大時，剪切位移增加；從非飽和土到飽和土，隨著振動周次的增加，粘著力和內摩擦角都有著不同程度的下降；不同含水量條件下，飽和樣的強度增幅比較均勻，振動次數相同時，不同固結應力條件下的破壞應力約成等差關系；而非飽和樣的強度增幅不均，有時相差很大，但非飽和砂卵石土的強度參數比飽和砂卵石土大很多。

砂卵石土；動靜特性；對比試驗；強度

粗粒土已經在工程建設中得到廣泛應用，且應用范圍日益擴大。砂卵石土屬于粗粒土，具有壓實性好、抗剪強度高等優良特性，在工程建設中得到廣泛應用。自20世紀60年代以來，隨著土石壩工程的不斷發展，墨西哥、美國和日本等國家對粗粒土的強度和變形特性進行了較大規模的試驗研究，提出了許多有實用價值的成果，在工程建設中發揮了重要的作用。隨著土工測試技術的迅速提高和一些能夠施加復雜應力的靜動力試驗設備研制成功，國內外學者針對粗粒土的動力變形強度特性開展了大量的研究工作［1-3］，對土體力學性狀的認識逐步深入，本構模型理論研究和計算分析方法也正由經驗模式向科學的理性模式發展。隨著國內外學者對粗粒土工程特性的研究也逐步深入，砂卵石土的工程性質也迫切要求對它的力學特性展開研究［4-8］。砂卵石土在我國也有著較廣的分布，靜動力學特性對土體與結構物系統尤其是對結構物的應力分布具有重要影響。

本文著重進行礫卵石土的靜、動強度特性，對比試驗研究，為工程實踐提供技術參數。

1 砂卵石土靜力特性

1.1 試樣制備

根據本地區常見砂卵石地基層的粒度級配，配制的砂卵石土試樣物性如表1。

表1 砂卵石土性指標Table1 Sandy pebble soil characteristic

1.2 儀器設備、方法及數據采集

靜力特性試驗采用大型粗粒土直剪壓縮兩用儀如圖1，采用全自動的數據采集系統。對試樣垂直施加壓力。在垂直壓力作用下，試樣均按照每分鐘0.02 mm的剪切速率緩慢施加水平荷載直至破壞，其強度曲線如圖2。

圖1 直剪壓縮儀Fig.1 A shear equipment

1.3 結果分析

由圖2知，在加荷初期的應力應變關系接近直線，說明砂卵石土受荷后變形有彈性和塑性變形兩部分組成。彈性變形符合虎克定律，塑性變形部分用塑性理論來求解，才能真實地反映土體的變形狀態。兩曲線都存在不同程度的頸縮現象，說明砂卵石土屬軟化型。由于軟化階段發生在材料破壞后，強度下降，便不能承受與峰值相應的荷載，隨著壓力的增大，飽和土頸縮現象將不太明顯。因此，在用砂卵石土作為地基時，應提高安全系數，以便考慮軟化特性給結構造成的不安全性。

圖2 剪應力與位移曲線Fig.2 The curves showing the relationship of shear stress and disp lacement

2 砂卵石土動力特性

試驗研究表明，土動強度隨著密度ρs、固結壓力σs、固結應力比Kc（即σ1／σ3）和加載速率的增大而得到增強，隨著含水量ω的增大而顯著減小。頻率f對動強度影響較小，文獻［9，10］的研究表明：砂土在一般地震作用的頻率范圍內，振動頻率對土的抗液化強度沒有多大的影響，在1～20 Hz范圍內可以不予考慮。但也有其他學者認為針對不同的土質、試驗設備等，頻率對動強度的影響也會有很大的差異。也就是說影響土動強度的因素主要有土性（如密度、含水量、結構等）、靜應力狀態（圍壓、固結應力比等）和動應力（波形、振幅、加載速率等）3個方面。

在動力特性試驗中，考察了固結圍壓力、含水量、固結應力比和振動頻率等對砂卵石土動強度的影響。

2.1 動強度試驗儀器設備與試樣

試驗采用的儀器是GDS動三軸儀（圖3），采用與靜力同等條件的試樣。

2.2 試驗條件和方法

采用固結不排水試驗，動荷載為正弦波，頻率f＝2 Hz。

試驗時對砂卵石土以0.02 m／min的加壓速度施加軸向荷載。

試樣充分飽和固結完成后，對每個飽和砂卵石土分別施加不同的動應力荷載進行振動，直至試樣破壞為止，破壞標準為單幅應變5%或孔隙水壓等于圍壓Ud＝σ3。

圖3 動三軸儀Fig.3 A dynam ically triaxial equipment

2.3 試驗數據的采集

試樣在上述條件和動荷載作用下采集到的不同圍壓下、相同振動頻率（f＝1 Hz）各級動應力σd下的動應變εd關系如圖4；試樣在振動周期中的動內聚力和動內摩擦角強度參數如表2。

圖4 飽和砂卵石土σd-εd關系曲線Fig.4 Saturated sandy pebble soilσd-εdcurve

表2 砂卵石土動強度參數對比表Table2 Comparison of sandy pebble soil dynam ic strength parameters

2.4 結果分析

2.4.1 應力應變關系分析

從圖4飽和砂卵石土動應力應變關系曲線中可以看出，在圍壓下、振動頻率相同的條件下，隨著固結壓力σ3的增加，曲線逐漸變陡，相同動應變εd所需的動應力σd隨之增大，也就是說，相同動荷載下，固結壓力越小，相應的動應變越大。動應變較小時，應力應變關系曲線近似直線，說明砂卵石土體處于彈性階段；隨著動應變的增加，應力應變關系曲線逐漸趨于平緩，動應力σd稍有增加，動應變就可能有很大的增大。這說明此時飽和砂卵石土已經進入了彈塑性發展階段，與土體破壞界限非常接近了。

2.4.2 動強度參數分析

表2顯示出，在相同的動載和固結應力比下，砂卵石土的動強度指標cd和φd不僅與土體中的飽和狀態有關，而且與振動周次明顯有關。從非飽和土到飽和土，隨著振動周次的增加，cd和φd都有著不同程度的下降，這說明水在砂卵石土顆粒中有著潤滑作用，含水量越大，這種潤滑作用表現的越明顯。從而使得cd和φd值下降的也就越明顯；飽和土的cd值下降了28.3%，非飽和土下降了45.89%；飽和土的φd值下降了10.15%，非飽和土下降了2.68%，這說明砂卵石土飽水程度越高，破壞需要的周期相應地就越長。

3 砂卵石土動、靜力特性對比分析

3.1 應力應變關系對比分析

靜力狀態下，非飽和試樣和飽和試樣破壞時，剪切位移變化比較一致，大約都1～2 cm范圍內，壓力增大時，剪切位移增加；在一定范圍內，隨著荷載的增加，應力、變形也隨著增加，達到一定之后，變形將大幅度增加，應力呈下降趨勢。在同一級壓力下，無論是飽和還是非飽和試樣，曲線都存在明顯的下降段，但非飽和試樣比飽和試樣有明顯的下降階段，說明非飽和試樣比飽和試樣應力消散快。

非飽和試樣和飽和試樣，隨著動載作用周期增長，動應力、動剪應力對數關系差不多都呈直線下降，在相同動應力作用下，頻率越大，達到破壞所需要的時間越短，也就是說在高頻率振動下，飽和砂卵石土較在低頻率振動下容易達到破壞。

不同含水量條件下，固結應力對土樣的動強度的影響程度不盡相同。其中飽和樣的強度增幅比較均勻，振動次數相同時，不同固結應力條件下的破壞應力約成等差關系；而非飽和樣的增幅不均，少時相差20%左右，大時增幅可超過100%。

3.2 動強度參數對比分析

在靜載荷的作用下，無論是非飽和土體，還是飽和土體，其沉降量都隨上部荷載的增大而增加。同一級荷載下，非飽和樣的沉降量比飽和試樣沉降量大。這是因為飽和試樣在施加荷載過程中，不能及時排出水壓力，相對非飽和試樣來說，提高了承載能力，沉降減小。

動載作用下，飽和土與非飽和土的cd值都比φd值下降得要快，φd值呈緩慢減小的趨勢，變化不大，可以認為砂卵石土的動摩擦角幾乎不受振動周次的影響。

4 結 論

由上述試驗分析可得出下面結論：

（1）砂卵石土動強度隨著含水量的增加，土樣的破壞動應力大幅降低；相同動應力作用下，動載頻率越大，達到破壞所需要的時間越短，也就是說在高頻率振動下，飽和砂卵石土較在低頻率振動下容易達到破壞。

（2）砂卵石土的動強度指標隨著含水量的增大，都有著不同程度的下降，尤其是動摩擦角，下降了10°之多。

（3）不論是飽和砂卵石土還是非飽和砂卵石土的靜力下強度參數比動載作用下大5～6倍，非飽和砂卵石土的強度參數比飽和砂卵石土大很多。

（4）非飽和砂卵石土和飽和砂卵石土的應力應變關系靜載作用下呈現先上升達到一峰值后下降的過程，而動載作用下非飽和砂卵石土和飽和砂卵石土的應力應變關系則呈現對數直線下降趨勢。

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［10］Lee K L，Focht J A.A cyclic testing of soil for ocean wave loading problems［C］∥7th Annual Offshore Technology Conf.Houston：Texas，1975.

（編輯：曾小漢）

Com parative Test Study on Sandy Pebble Soil Static-dynam ic Behaviors

HE Jian-ping1，PENG Xing-zhi2，ZU Ye3，WU Huai-zhong4
（1.Dept.of Civil Engineering of Luoyang Institute of Science and Technology，Luoyang 471023，China；2.College of landscape Architecture，Henan Institute of Science and Technology，Xinyang 453003，China；3.Design Institute，Changjiang River Water Resources Commission，Wuhan 430010，China；4.Archin Architects Design Co.Ltd，Beijing 100084，China）

On the basis of the static-dynamic mechanics comparative test，bymeans of test data comparison and analysis on characteristics of deformation and strength of the unsaturated and saturated sandy pebble soils under different test conditions，the test results indicated that：shear displacement is almost the same when unsaturated and saturated soils reach shear failure；with pressure increase，shear displacement increases；with vibration number increase，cohesion and internal friction angle decrease；under differentwater contents，the strength of saturated soil uniform ly increases；under the same vibration number，and different consolidation stresses，the failure stress is almost arithmetic progression relationship；but the strength of unsaturated soil ununiformly increases，sometime，the difference is very greatly.The strength parameter of unsaturated soil is bigger than that of the saturated soil.

sandy pebble soil；static-dynamic behavior；comparative test；strength

TU411.3

A

1001-5485（2010）08-0040-04

2009-10-16

何建平（1969-）女，河南偃師人，副教授，碩士，主要從事巖土工程的實驗與教學科研工作，（電話）15937982659（電子信箱）hejp1348＠163.com或hejp1348＠lit.edu.cn。