基于動三軸試驗的壓實黃土動強度特性研究①

王軍海， 劉亞明

(1.山西省勘察設計研究院，山西 太原 030013； 2.西北大學地質學系/大陸動力學國家重點實驗室，陜西 西安 710069)

基于動三軸試驗的壓實黃土動強度特性研究①

王軍海1， 劉亞明2

(1.山西省勘察設計研究院，山西 太原 030013； 2.西北大學地質學系/大陸動力學國家重點實驗室，陜西 西安 710069)

摘要：選取呂梁地區黃土，通過靜壓壓實制備三軸試樣，在GDS振動三軸儀上研究含水率、干密度和加載頻率對壓實黃土動強度的影響規律。結果表明：壓實黃土的動強度及動強度參數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，動強度與振次之間的關系可用對數方程進行擬合。研究對黃土地區填方區基礎建設具有重要意義。

關鍵詞：地區呂梁； 動三軸； 壓實黃土； 動強度

0引言

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

隨著黃土地區城市用地緊張的矛盾日益突出，在高填方地區進行基礎建設成為了新趨勢。因此進行壓實黃土的動力穩定性研究對黃土地區的抗震減災具有重要意義。劉保健等[13]通過動三軸試驗分析了壓實黃土的應力松弛隨濕度、圍壓、激振頻率和初始應變變化的關系；李焱等[14]利用動扭剪三軸儀得出壓實黃土動強度及其參數均隨振動頻率的增大而增大；楊利國等[15-17]利用改進后的DTC-199型周期扭轉荷載三軸儀研究了初始應力條件對壓實黃土動力學性質的影響；李又云等[18]在大量動三軸試驗的基礎上研究了干密度、含水率及圍壓對壓實黃土的動彈性模量、阻尼比影響。由于目前對壓實黃土的動強度特性研究較少，且不夠系統全面，造成對壓實黃土的動強度特性認識不足。

本文選取呂梁壓實黃土為研究對象，在GDS振動三軸儀上進行動三軸試驗，研究含水率、干密度和加載頻率等因素對壓實黃土動強度特性的影響。

1試驗概述

1.1試驗儀器與試樣制備

試驗所用儀器為英國GDS振動三軸儀。該儀器主要由三軸壓力室、軸向及側向加壓系統、反壓壓力體積控制器、數據采集器和計算機組成，可以精確完成動態應力下小應變三軸試驗。

試驗所用土樣為呂梁第四系上更新統的馬蘭黃土。該黃土呈淺黃色，具大孔隙，結構疏松，垂直節理發育，含少量鈣質結核，濕陷性較強。其基本物理指標見表1。

表 1　黃土物理性質指標

采用靜壓壓實的方法制得三軸試樣。制樣過程如下：首先將土碾碎，烘干，過0.5mm細篩；然后按照預定的含水率進行配水，攪拌均勻后將土樣密封放置;待其充分浸潤后，取一定質量的黃土裝入磨具中，將其放置于千斤頂上，通過靜壓將土體均勻壓實，然后脫模,將制備好的試樣風干到預定含水率，放入干燥器中養護。

1.2試驗方案

本次壓實黃土的動力學試驗采用應力控制加載方式，對試樣施加動荷載。試驗固結比選取1.69。

試驗控制含水率分別為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。試驗過程中圍壓選取100kPa、200kPa和300kPa。

1.3破壞標準

土的動強度通常被定義為在一定次數動荷載作用下產生某一指定破壞應變所需要的動應力[19]。王蘭民[1]研究發現對黃土來說，這一指定應變分別取為屈服應變和3%較為合理；當動應力-動殘余應變曲線上屈服點很明顯時，試樣破壞應變取屈服應變；當動應力-動殘余應變曲線上屈服點不太明顯時，取3%作為破壞應變。

在壓實黃土動強度試驗過程中發現：由于黃土經過重塑后壓實，其結構和含水率與原狀黃土差異很大，屈服點不明顯時使用應變3%的破壞標準與壓實黃土的實際破壞情況不符。根據試樣破壞的實際情況，在試驗過程中，當有明顯屈服點時取屈服點；沒有明顯的屈服點時，取累積殘余應變5%為破壞標準。

2試驗結果

2.1各因素對動強度的影響

由圖1可以看出，壓實黃土的動強度隨振次的增加而減小。如圖1(a)所示，振次相同時動強度隨含水率的增大而減小。這是因為黃土對水的作用非常敏感，含水率的增大降低了土粒之間的摩阻力，黏土顆粒表面的結合水膜增厚，導致原始黏聚力減小，此外，黏粒遇水導致其膠結性弱化，削弱了黃土的結構連接強度。

如圖1(b)所示，在振次相同的情況下動強度隨干密度的增大而增大。干密度較小時，土體結構松散，土顆粒間聯接力較小；隨著干密度的增大，單位體積內的土顆粒明顯增多，土顆粒間聯接力增大，滑移困難，導致土體動強度增大。

圖1　不同因素對壓實黃土動強度的影響Fig.1　The dynamic strength of compacted loess under different affecting factors

如圖1(c)所示，相同振次下動強度隨加載頻率的增大而增大。這是因為在高頻時，每個振次中應力加載在土體上的時間較短，土體來不及在該級動應力下發生完全變形，即土顆粒滑移進行重新排列的時間不充分，造成土的抗剪強度增大；反之，低頻時土體變形充分。剪力一定時，低頻荷載下土體達到破壞所需的循環荷載相對更少，表現為土體抗剪強度的減小。

2.2動強度隨振次變化規律

由圖1可知，動強度σdf隨lgN的增大大致呈線性下降。為了對壓實黃土動強度與振次的關系有更加直觀的認識，用式(1)對所有實驗數據進行擬合，擬合結果見表2。

(1)

式中：σdf為為動強度(Pa)；N為振次；a、b均為公式擬合常數。

表 2　σdf與N公式系數

由表2可以看出，對動強度σdf與振次N的關系進行擬合后，擬合所得公式的相關系數基本上均在0.9以上。這表明動強度σdf與振次N相關性明顯，可用對數方程進行擬合，常數a、b僅隨著土體的條件不同而取值不同。

因此，根據上述擬合所得公式可以較為準確地確定不同條件下的壓實黃土在各振次下破壞所需的動應力。

2.3各因素對動強度參數的影響

根據上述擬合所得公式，分別求取振次為5、10、20、40、60、80、100、120、140和160次時，壓實黃土在100、200和300kPa圍壓下破壞所需動應力，再根據文獻[8]的方法求得其動強度參數，繪制cd-N、φd-N散點圖。

由圖2可以看出，在相同振次下壓實黃土的動黏聚力cd和動內摩擦角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，壓實黃土的顆粒膠結明顯減弱，在動應力作用下結構強度受含水率的影響迅速降低，cd和φd均顯著降低。

圖2　含水率對壓實黃土動強度參數的影響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，壓實黃土的動黏聚力cd和動內摩擦角φd均隨土體干密度的增大而增大。這是因為隨著壓實黃土干密度的增大，單位體積內的土顆粒數增加，促使黃土顆粒咬合更加緊密，在聯結力增大的同時土顆粒間不易產生相對滑動，導致土體結構強度增加，表現為cd和φd的同時增大。

圖3　干密度對壓實黃土動強度參數的影響Fig.3　Effect of dry density on dynamic strength parameters of compacted loess

由圖4可以看出，振次相同時壓實黃土的動黏聚力cd和動內摩擦角φd均隨加載頻率的增大而增大。這是因為加載頻率不同時，土體在動應力作用下的變形特點不同。低頻時，在動應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小；高頻時，土體來不及在動應力下發生變形，需在更多的振次下才能達到低頻較小振次下的變形效果。因此，與低頻振動相比，高頻時土的cd和φd較大。

圖4　加載頻率對壓實黃土動強度參數的影響Fig.4　Effect of loading frequency on dynamic strength parameters of compacted loess

由圖2～圖4可知，壓實黃土的動黏聚力cd和動內摩擦角φd均隨振次的增加而減小并最終趨于穩定。這是由于初始狀態下土體內部土顆粒之間呈現一種平衡和穩定的狀態，產生一定的摩擦力和咬合力；隨著在土體上持續施加動應力，動剪力逐漸將處于穩定位置的土顆粒拖離，導致土體從彈性變形階段進入塑性變形階段，土體被振松，土顆粒間的摩擦力和咬合力減小，表現為黏聚力和內摩擦角的減小。隨著振次的增加，土顆粒重新排列并重新達到一種穩定的平衡狀態，表現為黏聚力和內摩擦角逐漸趨于穩定。

3結論

本文利用英國進口的GDS振動三軸儀研究含水率、干密度和加載頻率等因素對呂梁壓實黃土動強度特性的影響，得出以下結論：

(1) 壓實黃土的動強度和動強度參數均隨振次的增加而減小，動強度和振次的關系可用對數方程進行擬合。

(2) 壓實黃土的動強度和動強度參數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。

參考文獻(References)

[1]王蘭民.黃土動力學[M].北京:地震出版社,2003.

WANGLan-min.LoessDynamics[M].Beijing:SeismologicalPress, 2003. (inChinese)

[2]WangZJ,LuoYS,GuoH,etal.EffectsofInitialDeviatoricStressRatiosonDynamicShearModulusandDampingRatioofUndisturbedLoessinChina[J].EngineeringGeology,2012,143:43-50.

[3]王志杰，駱亞生，王瑞瑞，等.不同地區原狀黃土動剪切模量與阻尼比試驗研究[J].巖土工程學報， 2010,32(9):1464-1469.

WANGZhi-jie,LUOYa-sheng,WANGRui-rui,etal.ExperimentalStudyonDynamicShearModulusandDampingRatioofUndisturbedLoessinDifferentRegions[J].ChineseJournalofGeotechnicalEngineering,2010,32(9):1464-1469.(inChinese)

[4]王志杰，駱亞生，楊利國，等.預剪應力作用下原狀黃土動力特性試驗研究[J].巖土力學，2011，32(增刊):290-295.

WANGZhi-jie,LUOYa-sheng,YANGLi-guo,etal.ExperimentalResearchonDynamicCharacteristicsofUndisturbedLoessunderPre-shearingStresses[J].RockandSoilMechanics,2011,32(Supp):290-295.(inChinese)

[5]王家鼎，彭淑君，馬閆，等.高速列車振動荷載下水泥改良黃土動力學試驗[J].地震工程學報，2013，35(1):35-41.

WANGJia-ding,PENGShu-jun,MAYan,etal.DynamicTestsontheCementImprovedLoessundertheVibratoryLoad[J].ChinaEarthquakeEngineeringJournal,2013,35(1):35-41.(inChinese)

[6]谷天峰，王家鼎，任權，等.循環荷載作用下黃土邊坡變形研究[J].巖石力學與工程學報，2009，28(增刊):3156-3162.

GUTian-feng,WANGJia-ding,RENQuan,etal.StudyonDeformationofLoessSlopeunderCyclicLoad[J].ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering,2009,28(Supp):3156-3162.(inChinese)

[7]郭樂，王家鼎，谷天峰.寶雞市渭北臺塬馬蘭黃土震陷特性研究[J].水文地質工程地質，2012，39(2):61-65.

GUOLe,WANGJia-ding,GUTian-feng.AStudyofLoessSeismicSubsidenceofTablelandtotheNorthWeiheRiverinBaojiCity[J].Hydrogeology&EngineeringGeology,2012,39(2):61-65.(inChinese)

[8]王念秦，羅東海，姚勇，等.馬蘭黃土動強度及其微結構變化實驗[J].工程地質學報，2011，19(4):467-471.

WANGNian-qin,LUODong-hai,YAOYong,etal.DynamicStrengthandMicrostructureChangeofMalanLoessunderTriaxalCyclicLoading[J].JournalofEngineeringGeology,2011,19(4):467-471. (inChinese)

[9]王峻，石玉成，王謙，等.天然含水率狀態下原狀黃土動強度特性研究[J].世界地震工程,2012,28(4):23-27.

WANGJun,SHIYu-cheng,WANGQian,etal.StudyonDynamicStrengthPropertiesofUndisturbedLoessunderNaturalMoistureContent[J].WorldEarthquakeEngineering,2012,28(4):23-27.(inChinese)

[10]張希棟，駱亞生，王鵬程.雙向循環荷載禍合下黃土動模量和動變形特性研究[J].地震工程學報,2015,37(2):505-511.

ZHANGXi-dong,LUOYa-sheng,WANGPeng-cheng.StudyonDynamicModulusandDynamicDeformationCharacteristicsofLoessunderBidirectionalCyclicLoading[J].ChinaEarthquakeEngineeringJournal,2015,37(2):505-511.(inChinese)

[11]SunJ,GongMS,TaoXX.DynamicShearModulusofUndisturbedSoilunderDifferentConsolidationRatiosandItsEffectsonSurfaceGroundMotion[J].EarthquakeEngineeringandEngineeringVibration,2013,12(4):561-568.

[12]YangCC,CaiWX,DouHY.ResearchonComparisonoftheMaximumDynamicShearModulusTest[J].ProcediaEngineering,2012,28:230-234.

[13]劉保健，張曉榮，程海濤.應變控制下壓實黃土的動三軸試驗研究[J].巖土力學，2007，28(6):1073-1076.

LIUBao-jian,ZHANGXiao-rong,CHENGHai-tao.StudyonCompactedLoessunderStrainControlatDynamicTriaxialTest[J].RockandSoilMechanics,2007,28(6):1073-1076. (inChinese)

[14]李焱，駱亞生，譚東岳，等.振動頻率對壓實黃土動強度特性的影響[J].水土保持通報,2009,29(4):130-133.

LIYan,LUOYa-sheng,TANDong-yue,etal.EffectsofVibrationFrequencyonDynamicStrengthPropertiesofCompactedLoess[J].BulletinofSoilandWaterConservation,2009,29(4):130-133.(inChinese)

[15]楊利國，駱亞生，王志杰.中主應力對壓實黃土動變形特性的影響[J].世界地震工程，2010，26(增刊):59-64.

YANGLi-guo,LUOYa-sheng,WANGZhi-jie.EffectofintermediatePrincipalStressonDynamicDeformationofCompactedLoess[J].WorldEarthquakeEngineering,2010,26(Supp):59-64. (inChinese)

[16]楊利國，駱亞生，李焱.主應力軸旋轉對壓實黃土動變形特性的影響[J].工程地質學報，2010，18(3):392-397.

YANGLi-guo,LUOYa-sheng,LIYan.EffectofPrincipalStressRotationonDynamicDeformationofCompactedLoess[J].JournalofEngineeringGeology,2010,18(3):392-397.(inChinese)

[17]楊利國，駱亞生，李焱，等.初始應力條件對壓實黃土動強度影響的研究[J].巖土力學，2010，31(1):87-91.

YANGLi-guo,LUOYa-sheng,LIYan,etal.ResearchonEffectofInitialStressConditionsonDynamicStrengthofCompactedLoess[J].RockandSoilMechanics,2010,31(1):87-91.(inChinese)

[18]李又云，謝永利，劉保健.路基壓實黃土動力特性的試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2009，28(5):1037-1046.

LIYou-yun,XIEYong-li,LIUBao-jian.ExperimentalResearchonDynamicCharacteristicsofRoadbedCompactionLoess[J].ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering,2009,28(5):1037-1046.(inChinese)

[19]謝定義.土動力學[M].西安:西安交通大學出版社， 1988.

XIEDing-yi.SoilDynamics[M].Xi’an:Xi’anJiaotongUniversityPress,1988.(inChinese)

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

基金項目：國家自然科學基金(41372269)

作者簡介：王軍海(1970-)，男，河南林州人，高級工程師，從事巖土工程勘查與設計的生產與科研工作。E-mail：wjh4036@126.com。

中圖分類號:TU352.1

文獻標志碼：A

文章編號:1000-0844(2016)03-0439-06

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2016.03.0439