干密度對預剪應力下重塑黃土動力特性影響的試驗研究①

王志杰，駱亞生，譚東岳，李浩東

（西北農林科技大學 水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100）

0 引言

黃土作為一種區域性特殊土，廣泛分布于我國中西部地區。由于其具有典型的結構性和濕陷性，黃土地區工程問題在西部大開發基礎設施建設中顯得尤為重要。近年來，動荷載作用下黃土地區滑坡、震陷等問題已引起越來越多專家和學者的關注。

李又云等［1］通過對路基壓實黃土進行動三軸試驗研究，得出壓實黃土的動應力－應變關系曲線符合雙曲線型；動彈性模量隨著動應變的增加而減小；阻尼比受含水率、固結應力比、干密度及圍壓等因素的影響，綜合反映為隨動應變的增加而增加。何麗君等［2］利用有限元數值模擬計算分析了不同地震動對支護黃土邊坡和無支護黃土邊坡穩定性的影響。徐舜華等［3］通過試驗數據分析得到了含水率對黃土震陷性定量影響規律，并根據其規律給出了不同動應力作用下的黃土震陷臨界含水率。

以往黃土動力特性的研究已經取得了一些研究成果，但這些研究成果主要集中在無預剪應力條件下，即主應力軸未發生旋轉。而實際巖土工程中經常遇到主應力軸發生旋轉的情況［4－5］。楊利國等［6－7］通過空心循環扭剪三軸試驗研究了初始主應力方向角、初始中主應力系數等對壓實黃土動強度和動變形的影響規律。由于試驗條件等限制，主應力軸旋轉產生預剪應力作用對黃土動力特性變化規律影響的研究相對較少，主要集中在對砂土［8］和黏土［9－10］的研究上。干密度是巖土工程建設中重要的控制指標，研究其對預剪應力條件下重塑黃土動力特性的影響具有一定的現實意義。

本文對主應力軸旋轉（α0＝45°）產生預剪應力條件下重塑黃土進行動扭剪三軸試驗，研究干密度、初始平均主應力對重塑黃土動剪切模量與阻尼比變化規律的影響，以期為黃土地區抗震設計與動力反應分析提供一定的參考。

1 試驗方案與方法

1.1 試驗土樣及試樣制備

試驗用土取自陜西武功某磚廠，取土深度5～6 m，屬Q3黃土。烘干法測得其天然含水率為19%，天然干密度為1.52g／cm3，土粒的相對密度為2.71。試驗土料的主要物理性質指標見表1。經標準擊實試驗，測得最大干密度為1.67g／cm3，最優含水率為19.8%，標準擊實曲線如圖1所示。

表1 試驗土樣的物理性質指標表

圖1 試驗土樣的標準擊實曲線Fig.1 Normal compaction curve of the experimental loess.

本試驗均采用重塑樣，由專門配套的制樣器壓制、鉆孔而成。試樣的含水率統一采用19%，干密度采用1.52、1.60、1.67g／cm3。試樣制好后，用保鮮袋包裹，放入密閉養護缸進行養護，待試樣內部水分分布均勻后備用。試樣為空心圓柱形，內、外徑和高分別為30、70、100mm。

1.2 試驗方案及試驗參數

文獻［11］給出了土樣及土單元所受的應力狀態，本文不再贅述。在給定土單元的4個初始應力狀態參數（初始主應力方向角α0、初始偏應力比η0、初始中主應力系數b0、初始平均主應力pm0）后，通過公式運算，即可確定施加在試樣上的4個荷載（外壓pe0、內壓pi0、軸力W0、扭矩 MT0）的大小，從而實現由主應力軸旋轉產生的預剪應力狀態。本文試驗方案及試驗參數如表2所示。

1.3 試驗方法及步驟

試驗在改造后的DTC－199型電液伺服加荷往復扭轉動三軸儀上進行。該儀器可以對試樣分別施加內壓、外壓、軸力和扭矩，從而實現由主應力軸旋轉產生的預剪應力狀態。試驗時，先對試樣施加內、外壓和軸力；待固結穩定后，施加預剪應力；待再次固結穩定后逐級施加動荷載（波型為正弦波，頻率為1Hz），直至試樣破壞或超出儀器的量測范圍。試驗過程中，數據由專門配套的數據采集系統記錄、采集。

2 試驗結果分析

2.1 動剪切模量與阻尼比的確定

大量的黃土動力試驗資料表明，黃土在動荷載作用下的動剪應力－應變關系符合Hardin－Drnevich雙曲線模型［12］，本文沿用該模型方法對主應力軸旋轉（α0＝45°）產生預剪應力條件下重塑黃土的動剪切模量Gd、初始動剪切模量G0進行分析。

土的阻尼比λ反映了土在周期性動荷載作用下動剪應力－應變關系的滯后性。可由周期性動荷載一次循環中消耗的能量與該循環中最大動剪應變能 的比值表示［13］。

表2 試驗方案及試驗參數一覽表

2.2 動剪切模量

預剪應力條件下重塑黃土的動剪切模量隨動剪應變變化關系曲線如圖2、圖3所示。由圖2可以看出，干密度對預剪應力條件下重塑黃土動剪切模量的影響相對較小。究其原因主要是本試驗所采用的干密度范圍（1.52～1.67g／cm3）較小所致。但隨著初始平均主應力的增大，干密度對動剪切模量的影響逐漸明顯，表現為在相同初始平均主應力下，干密度越大，土體的動剪切模量越大。

圖2 干密度對Gd～γd關系曲線的影響Fig.2 Effects of dry density on relation curves of Gd～γd.

由圖3可以看出，初始平均主應力對預剪應力條件下重塑黃土的動剪切模量有一定的影響。在相同干密度下，初始平均主應力越大，試樣中土顆粒之間的排列越緊密，土體的密實程度越高，其抵抗剪切變形的能力就越強，故動剪切模量越大。

圖3 初始平均主應力對Gd～γd關系曲線的影響Fig.3 Effects of initial average principal stress on relation curves of Gd～γd.

2.3 初始動剪切模量

干密度與初始平均主應力對預剪應力條件下重塑黃土的初始動剪切模量具有一定的影響。在相同初始平均主應力下，重塑黃土的初始動剪切模量隨干密度的增大而增大；在相同干密度下，重塑黃土的初始動剪切模量隨初始平均主應力的增大而增大，如圖4、圖5所示。

圖4 G0隨ρd變化規律曲線Fig.4 Changing curves of G0withρd.

圖5 G0隨pm0變化規律曲線Fig.5 Changing curves of G0with pm0.

2.4 阻尼比

黃土的阻尼比受土體自身結構狀態、含水率、干密度、固結壓力、加荷方式、動剪應力和動剪應變等因素的綜合影響［14］，本文在其他因素相同的條件下，分別側重干密度和初始平均主應力分析重塑黃土的阻尼比隨動剪應變的變化規律。

在相同試驗條件下，預剪應力對重塑黃土的阻尼比產生一定的影響，阻尼比隨動剪應變的增大先減小而后緩慢增大，如圖6所示。這與無預剪應力作用時黃土的阻尼比隨動剪應變變化的規律不同［15］。產生這種現象的原因與預剪應力有關，預剪應力施加后，土體產生一定的剪應變，雖然試樣在固結作用下達到穩定，但這些預剪變形很難完全恢復。在施加動扭剪荷載的初期，由于土體存在一定的剪切變形，土顆粒間相互摩擦的機會較多，使得初始微小應變下黃土的阻尼比較大，而后隨著動剪應變的增大，土體結構經歷了由愈合（或部分愈合）再到剪松甚至破壞的過程，重塑黃土的阻尼比呈現出隨動剪應變的增大先減小而后緩慢增大的變化規律。

圖6 重塑黃土的阻尼比隨動剪應變變化典型曲線Fig.6 Typical curve ofλ～γdof remodeled loess.

圖7為相同初始平均主應力、不同干密度條件下重塑黃土阻尼比隨動剪應變變化關系散點圖，圖8為相同干密度、不同初始平均主應力條件下重塑黃土阻尼比隨動剪應變變化關系散點圖。由這兩組圖可以看出，重塑黃土阻尼比的大小主要分布在0.2～0.3范圍內，干密度與初始平均主應力對黃土的阻尼比隨動剪應變的變化規律的影響不明顯。

圖7 不同干密度下λ～γd關系散點圖Fig.7 Scatter diagram ofλ～γdunder different dry density.

圖8 不同初始平均主應力下λ～γd關系散點圖Fig.8 Scatter diagram ofλ～γdunder different initial average principal stress.

3 結論

以不同干密度與不同初始平均主應力狀態下重塑黃土為研究對象，通過進行主應力軸旋轉（α0＝45°）產生預剪應力條件下的動扭剪三軸試驗研究，結果表明：

（1）干密度對預剪應力條件下重塑黃土動剪切模量的影響相對較小。但隨著初始平均主應力的增大，干密度對動剪切模量的影響逐漸明顯。初始平均主應力對預剪應力條件下重塑黃土的動剪切模量有一定的影響。在相同干密度下，初始平均主應力越大，土體的動剪切模量也越大。

（2）干密度與初始平均主應力對預剪應力條件下重塑黃土的初始動剪切模量具有一定的影響。在相同初始平均主應力下，重塑黃土的初始動剪切模量隨干密度的增大而增大；在相同干密度下，重塑黃土的初始動剪切模量隨初始平均主應力的增大而增大。

（3）預剪應力對重塑黃土阻尼比的變化規律產生一定的影響，阻尼比隨動剪應變的增大先減小而后緩慢增大；干密度和初始平均主應力對重塑黃土的阻尼比隨動剪應變變化規律的影響不明顯。

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