不同沖擊頻率與中主應力下細砂力學響應研究

劉錦偉，李彰明

（廣東工業大學巖土工程研究所，廣州510006）

不同沖擊頻率與中主應力下細砂力學響應研究

劉錦偉，李彰明

（廣東工業大學巖土工程研究所，廣州510006）

使用SPAX—2000改進型真三軸試驗系統對飽和細砂進行循環沖擊動力固結試驗，研究不同固結條件、不同沖擊荷載作用頻率與不同中主應力作用下細砂應力－應變關系等力學響應；并結合三軸剪切試驗，分析對比了不同條件下沖擊荷載作用后試樣強度的變化特征。試驗結果表明：中主應力增大，試樣在沖擊荷載的作用下更容易趨于密實，抗剪強度得到較大的提高；頻率降低，在中主應力較小時動力固結后試樣抗剪強度有明顯的提高，而在中主應力較大時試樣抗剪強度沒有太大變化；表明了中主應力和沖擊荷載頻率是影響試樣動力固結效果的重要因素。

真三軸試驗；循環沖擊荷載；中主應力；細砂；力學響應規律

1 研究背景

利用沖擊荷載來進行砂土地基或上覆砂土的軟土地基處理已經是常見的一種加固方法［1］，沖擊荷載下砂土的力學性狀一直是國內外研究的熱點。室內試驗以其有效控制邊界條件，精確地量測土體的應力、應變等參數，可較方便模擬土體實際的受力特性。飽和砂性土在沖擊荷載下的沉降情況已有相關試驗研究［2］，砂性土的宏細觀強夯加固機制也進行了試驗研究［3］。還有學者做了飽和砂土動力特性的動三軸試驗研究工作［4］。然而，模擬地基沖擊加固的真三軸循環沖擊荷載下的試驗研究卻鮮有報道。

本試驗使用SPAX—2000改進型真三軸試驗系統對飽和細砂進行循環沖擊動力固結試驗。動三軸試驗分別采用不同的固結條件、沖擊荷載作用頻率，研究在此過程中細砂的應力－應變關系等力學響應。

2 試驗方法

2．1 試驗設備

試驗采用由美國GCTS公司制造的、完全由計算機控制并采集數據的SPAX—2000改進型真三軸試驗系統，該儀器可選擇采用應力或應變控制模式，同時可輸入各種波形（如方形波、正弦波和自定義波形等）進行試驗。

2．2 沖擊荷載模擬

夯擊時，強大的沖擊能量在地基中產生強烈的振動，并以波動形式向四周傳播。對于夯錘與地表接觸動應力的分析，國內外學者已經做了很多研究［1，5，6］。研究表明，盡管在沖擊荷載作用期間表面接觸應力會出現一定的波動和起伏，但總的趨勢表現出是脈沖荷載的形式，即大致可分為加荷和卸荷2個階段［4］。試驗沖擊荷載的加載過程采用自定義脈沖荷載的波形，如圖1所示。為了模擬實際情況，沖擊時關閉排水閥門，以便較好模擬夯擊時沖擊荷載的作用。

圖1 沖擊荷載作用形式Fig．1 Form of im pact load

2．3 試驗土料及其物性指標

試驗采用的砂樣為福建標準砂，并對砂樣進行過篩。選取砂樣的粒徑范圍為0．1～0．25 mm之間，按照《土的工程分類標準GB／T50145—2007》砂樣定名為細砂。砂樣的最小干密度ρdmin＝1．347 g／cm3，最大干密度ρdmax＝1．795 g／cm3，砂樣的相對密度ds＝2．445，初始孔隙比e0＝0．511。

2．4 試驗步驟

（1）裝樣：采用控制干密度ρd＝1．617 g／cm3的方法，稱取所需的砂樣，并分3等份在水中煮沸，冷卻后采用分層濕搗將試樣制成50 mm×50 mm× 120 mm的長方體。

（2）反壓飽和：采用SPAX—2000改進型真三軸系統自身的反壓飽和系統，并通過設置反壓飽和程序來進行反壓飽和，并使飽和度B值到達0．98以上，結束飽和程序。

（3）靜動力固結模擬：按照試驗方案進行相應的模擬靜動力固結。本次試驗選擇每個試樣循環沖擊4次，2次沖擊的間隔時間為2 min。沖擊時關閉排水閥門，沖擊間隔打開排水閥門。

（4）剪切：靜動力固結完畢后，采用0．5%的軸向應變速率進行固結排水的三軸剪切試驗。

3 試驗結果分析

采用1，5，10 Hz 3種不同頻率以及100，150，200 kPa 3種不同中主應力進行循環沖擊試驗，以尋求相應力學響應規律。沖擊試驗方案見表1，以下為試驗結果及分析。

表1 沖擊試驗方案Table 1 Schemes of the impact test

3．1 固結條件的影響

圖2是相同頻率、不同中主應力條件下沖擊固結階段軸向應力－軸向應變關系，從圖中可以得到：頻率為1 Hz時，不同中主應力的試樣在第一次沖擊時軸向應力都達到了預設值。頻率為5 Hz、中主應力為150，200 kPa時，第一次沖擊時軸向應力基本達到預設值，而中主應力為100 kPa時，第一次沖擊時軸向應力為280 kPa，只達到了預設值的80%。頻率為10 Hz時，當中主應力為200 kPa時，第一次沖擊時軸向應力達到預設值，而中主應力為150 kPa時，第一次沖擊時軸向應力為280 kPa，只達到了預設值的80%。中主應力為100 kPa時，第一次沖擊時軸向應力為260 kPa，只達到了預設值的60%。隨著擊數增加，沖擊時軸向應力值也逐次提高，說明沖擊固結后試樣變得更加密實。

軸向應變量變化規律表現為：在相同中主應力條件下，每次試驗過程中第一次沖擊下軸向應變量為最大，軸向應變量隨著沖擊次數的增加而減少。隨著沖擊數增加，試樣越來越密實，軸向應變量越來越小。不同中主應力、相同次序的沖擊作用下，軸向應變增量隨著中主應力的增大而減小。

不同中主應力下累積軸向應變量也隨中主應力的增大而減小。中主應力對試樣的側向變形有著類似環箍作用，進而制約試樣軸向變形。中主應力越大，在相同的軸向沖擊作用下，軸向應變量越小。

3．2 沖擊頻率的影響

圖3是相同中主應力下沖擊固結階段軸向應力－應變關系。從圖中可見：中主應力為200 kPa時，不同頻率下的第一次沖擊時軸向應力達到預設值。中主應力為150 kPa時，頻率為1 Hz，第一次沖擊時軸向應力達到預設值。頻率為5 Hz時，第一次沖擊時軸向應力為290 kPa，只達到了預設值的90%。頻率為10 Hz時，第一次沖擊時軸向應力為280 kPa，只達到了預設值的80%。中主應力為100 kPa時，頻率為1 Hz，第一次沖擊時軸向應力達到預設值，而頻率為5 Hz時，第一次沖擊時軸向應力為280 kPa，只達到了預設值的80%。頻率為10 Hz時，第一次沖擊時軸向應力為260 kPa，只達到了預設值的60%。但隨著沖擊次數增加，軸向應力值也都在提高，說明沖擊固結后使得試樣變得更加密實。

圖3 相同中主應力下沖擊固結階段軸向應力－軸向應變關系Fig．3 Relations between axial stress and axial strain under the same intermediate principal stress during consolidation

中主應力為100，150 kPa時，在不同頻率、相同次序的沖擊作用下，軸向應變隨著沖擊作用頻率的增大而減小。不同頻率下的累積軸向應變量也隨頻率增大而減小。頻率高的情況下沖擊荷載作用的時間較短，因而軸向應變量較小。

3．3 剪切結果分析

圖4表示相同頻率、不同中主應力條件下剪切階段的軸向應力－軸向應變關系。從圖中可見，試樣剪切試驗軸向應力－軸向應變曲線隨中主應力的增大而升高，表現為抗剪強度的增大。

圖5表示相同中主應力、不同頻率條件下剪切階段軸向應力－軸向應變關系。當中主應力為100 kPa時，剪切試驗的軸向應力－軸向應變曲線為平緩曲線。當中主應力為150，200 kPa時，剪切試驗曲線表現為應變軟化。

圖4 相同頻率下剪切階段軸向應力－軸向應變關系Fig．4 Relations between axial stress and axial strain under impact of the same frequency during shear stage

圖5 不同中主應力下剪切階段軸向應力－軸向應變關系Fig．5 Relations between axial stress and axial strain under different intermediate principal stresses during shear stage

將圖4、圖5與對應的沖擊固結過程軸向應力－軸向應變關系圖2、圖3進行對比分析，從中可以發現，若沖擊荷載作用最后一擊的軸向應力值沒有達到預設值，并且軸向應變量較大，此時試樣還較為松散，在壓縮剪切試驗時軸向應力-軸向應變曲線就較為平緩；若沖擊荷載作用最后一擊的軸向應力值達到預設值，并且軸向應變量較小，此時試樣已經較為密實，在壓縮剪切試驗時軸向應力－軸向應變曲線就呈現出應變軟化。

4 結 論

采用1，5，10 Hz 3種不同頻率以及100，150，200 kPa 3種不同中主應力進行循環沖擊試驗，其力學響應主要規律如下。

（1）中主應力影響：①沖擊固結階段，中主應力越大，對試樣的類似環箍作用越大，軸向沖擊應力隨著中主應力就越大；軸向應變增量隨著中主應力的增大而減?。虎诩羟须A段，隨中主應力增大，試樣剪切試驗中軸向應力-軸向應變曲線峰值段抬高，表現出抗剪強度的增大；剪切階段的軸向應力-應變關系曲線表現應變軟化更加明顯，應力峰值更大。

（2）頻率影響：①沖擊固結階段，頻率越低，沖擊荷載作用時間越長，在中主應力較小時，軸向應力和軸向應變都隨著頻率的降低而增大；在中主應力較大時，軸向應力達到設定值，軸向應變較?。虎诩羟须A段，中主應力較小時，頻率的降低使得動力固結試樣抗剪強度明顯提高；而中主應力較大時，剪切強度無明顯改變。由此也可見，試樣動力固結時頻率選擇應與側向約束設定綜合考慮。

［1］ 李彰明．軟土地基加固的理論、設計與施工［M］．北京：中國電力出版社，2006．（LI Zhang-ming．Theory，Design and Construction of Soft Soil Reinforcement［M］．Beijing：The Electric Power Press of China，2006．（in Chinese））

［2］ 張均鋒，盂祥躍，談慶明，等．沖擊荷載下飽和砂土砂面沉降的實驗研究［J］．巖石力學與工程學報，2001，20（4）：519－523．（ZHANG Jun-feng，MENG Xiangyue，TAN Qing-ming，et al．Laboratory Study on the Settlement of Sand Surface of Saturated Sand under Impact Loading［J］．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2001，20（4）：519－523．（in Chinese））

［3］ 賈敏才，王 磊，周 健．砂性土宏細觀強夯加固機制的試驗研究［J］．巖石力學與工程學報，2009，28（增1）：3282－3290．（JIA Min-cai，WANG Lei，ZHOU Jian．Experimental Research on Macro-meso Consolidation Mechanism of Sandy Soil with Dynamic Compaction［J］．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2009，28（Sup．1）：3282－3290．（in Chinese））

［4］ 王艷麗，胡 勇．飽和砂土動力特性的動三軸試驗研究［J］．地下空間與工程學報，2010，6（2）：295－299．（WANG Yan-Li，HU Yong．Dynamic Triaxial Testing Study on Dynamic Characteristics of Saturated Sand［J］．Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2010，6（2）：295－299．（in Chinese））

［5］ 孔令偉，袁建新．強夯的邊界接觸應力與沉降特性研究［J］．巖土工程學報，1998，21（2）：86－92．（KONG Ling-wei，YUAN Jian-xin．Study on Surface Contact Stress and Settlement Properties During Dynamic Consolidation［J］．Chinese Journal of Geotechnical Engineering，1998，21（2）：86－92．（in Chinese））

［6］ 李彰明，林軍華．靜動力排水固結法淤泥軟基處理振動試驗研究［J］．巖土力學，2008，29（9）：2378－2382．（LI Zhang-ming，LIN Jun-hua．In-situ Tests and Analysis on Vibration Influences During Mud Ground Improvement with Static-Dynamic Drainage Consolidation［J］．Rock and Soil Mechanics，2008，29（9）：2378－2382．（in Chinese））

（編輯：曾小漢）

M echanical Responses of Fine Sand under Different Im pact Loading Frequencies and Intermediate Principal Stresses

LIU Jin-wei，LIZhang-ming
（Institute of Geotechnical Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China）

We carried out cyclic impact and consolidation testswith different intermediate principal stresses on saturated fine sand by using improved SPAX-2000 true triaxial testing system，and investigated themechanical responses of the sand such as stress-strain relations and strength variation of specimen after the impact loading under different conditions．Results showed that：when intermediate principal stress increased，the specimen under impact loading was easily tend to be dense，and shear strength was largely improved；when the frequency of impact load

was lower and the intermediate principal stress smaller，shear strength of the specimen increased significantly，while when the second principal stresswas larger，shear strength of the specimen rarely varied．The results indicate that intermediate principal stress and frequency of impact load are important factors affecting the dynamic consolidation．

true triaxial test；cyclic impact load；intermediate principal stress；fine sand；law ofmechanical response

TU411．7

A

1001－5485（2012）08－0089－04

10．3969／j．issn．1001－5485．2012．08．017 2012，29（8）：89－92，99

2011－05－22

國家自然科學基金資助項目（51178122）

劉錦偉（1985－），男，湖北天門人，碩士研究生，從事地基與基礎工程的研究，（電話）15918793687（電子信箱）liujinwei20101103＠163．com。