驛城區(qū)原狀黏性土動(dòng)力特性試驗(yàn)研究

任帥，胡金虎，李鵬剛，王靜，楊亞源

（華北水利水電大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450046）

1 試驗(yàn)方案

1.1 基本物理性質(zhì)試驗(yàn)

按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，對(duì)所取原狀土樣進(jìn)行基本物理性質(zhì)指標(biāo)測(cè)試試驗(yàn)，測(cè)定試驗(yàn)土樣的基本物理參數(shù)。從試驗(yàn)結(jié)果可知，所取土樣的塑性指數(shù)12.80～28，含水率19.70%～26.40%，干密度（g/cm3）1.57～1.72。根據(jù)試驗(yàn)土的塑性指數(shù)和現(xiàn)場(chǎng)鉆探編錄情況可以確定，此次試驗(yàn)用土為粉質(zhì)黏土和黏土，因此所取土樣可以用于黏性土動(dòng)三軸試驗(yàn)研究。

1.2 動(dòng)三軸試驗(yàn)

采用GCTS STX-100雙向振動(dòng)三軸儀，試驗(yàn)用土為驛城區(qū)原狀黏性土：①制樣：利用削土器將原狀土削成直徑50.00 mm，高100.00 mm的圓柱體土柱。②固結(jié)：將制好的原狀試樣裝入壓力室內(nèi)，根據(jù)試樣埋深施加固結(jié)壓力進(jìn)行固結(jié)。③分級(jí)循環(huán)加載：為模擬地震對(duì)土體的影響，加載波形選擇正弦波，頻率1 Hz，在不排水條件下采用分級(jí)軸向循環(huán)加載，每級(jí)施加10周循環(huán)荷載，當(dāng)試樣軸向應(yīng)變大于5%時(shí)，停止試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析

2.1 動(dòng)剪切模量G與阻尼比λ

驛城區(qū)黏性土的動(dòng)剪切模量隨著剪應(yīng)變的增大逐漸減小，且減小速率先增大后減緩，表現(xiàn)出了土的非線性特征。土體埋深對(duì)動(dòng)剪模量G的影響較明顯，埋深越深，動(dòng)剪切模量越大。阻尼比隨著剪應(yīng)變的增大逐漸增大，且增長(zhǎng)速率先緩后急最終趨于平穩(wěn)。隨著埋深增加，試樣阻尼比減小。粉質(zhì)黏土的阻尼比受埋深影響較大，黏土阻尼比受埋深影響較小。

2.2 最大動(dòng)剪切模量Gmax

由Hardin-Drnevich雙曲線模型可知土的G/Gmax與γ符合以下關(guān)系式：

式中γ0為參考剪應(yīng)變，通常取G/Gmax=0.50時(shí)的剪應(yīng)變幅值。

式（1）經(jīng)過(guò)推導(dǎo)可得以下關(guān)系式：

式中：a、b為試驗(yàn)參數(shù)，與土的性質(zhì)有關(guān)。

由式（2）可知，動(dòng)剪切模量倒數(shù)1/G和剪應(yīng)變?chǔ)贸示€性關(guān)系，因此當(dāng)剪應(yīng)變?chǔ)泌呌? 時(shí)，動(dòng)剪切模量G 取到最大值，即

Gmax=1/a。

驛城區(qū)黏性土的Gmax試驗(yàn)值隨埋深的變化關(guān)系如圖1 所示。粉質(zhì)黏土最大動(dòng)剪切模量隨埋深的增長(zhǎng)速率略大于黏土，且在相同埋深下，黏土的最大動(dòng)剪切模量比粉質(zhì)黏土的大。

圖1 驛城區(qū)黏性土最大動(dòng)剪切模量Gmax與埋深H的關(guān)系圖

高志兵等提出原狀黏性土最大動(dòng)剪切模量與埋深呈指數(shù)關(guān)系，擬合關(guān)系式可用lgGmax=a+b×lgH來(lái)表示，在此基礎(chǔ)上采用最大動(dòng)剪模量與埋深的關(guān)系如下：

式中，k，m為試驗(yàn)參數(shù)；H為土的埋深。

表1 給出驛城區(qū)黏性土Gmax隨埋深變化曲線的擬合參數(shù)值，其中，相關(guān)系數(shù)R2均大于0.98，這表明用該關(guān)系式來(lái)描述驛城區(qū)黏性土的Gmax隨埋深的變化是可信的。

表1 最大動(dòng)剪模量與埋深關(guān)系曲線擬合參數(shù)值表

2.3 G/Gmax-γ和λ-γ關(guān)系曲線

G/Gmax-γ關(guān)系曲線采用Davidenkov模型進(jìn)行擬合分析：

式中，α，β為擬合參數(shù)；γ0為參考剪應(yīng)變，文章取動(dòng)剪切模量等于最大動(dòng)剪切模量的一半時(shí)所對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)變。

λ-γ關(guān)系曲線采用陳國(guó)興等提出的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行擬合分析：

式中，λmin、λ0和B為擬合參數(shù)，與土的性質(zhì)有關(guān)。

驛城區(qū)各類黏性土各深度的G/Gmax-γ和λ-γ曲線見(jiàn)圖2。可以看出，兩種黏性土的G/Gmax-γ曲線都與其G-γ曲線類似，均顯示出緩-陡-緩的曲線形式。當(dāng)γ＜10-5時(shí)，G/Gmax隨著γ的增大略有衰減；當(dāng)γ＞10-5時(shí)，G/Gmax隨著γ的增大迅速衰退并趨于0，體現(xiàn)了土的非線性特征。隨著埋深的增加，兩種黏性土的G/Gmax-γ曲線均向右上方偏移，即γ相同時(shí)G/Gmax-γ增大，這表明土體的非線性特性減弱。對(duì)比兩種黏性土曲線發(fā)現(xiàn)，埋深對(duì)粉質(zhì)黏土的動(dòng)剪切模量比G/Gmax的影響大于黏土。

圖2 驛城區(qū)黏性土的G/Gmax-γ和λ-γ關(guān)系曲線圖

同時(shí)可以看出，埋深對(duì)兩種黏性土的λ-γ曲線也產(chǎn)生明顯影響。當(dāng)γ＜10-5時(shí)，λ隨著γ的增大略有增長(zhǎng)；當(dāng)γ＞10-5時(shí)，λ隨γ的增長(zhǎng)速率大幅增加，當(dāng)γ＞0.1時(shí)趨于穩(wěn)定，體現(xiàn)了土的滯后性特征。隨著埋深的增加，兩種黏性土的λ-γ曲線均向右下方偏移，這意味著土體的滯后性減弱。對(duì)比兩種黏性土發(fā)現(xiàn)，埋深對(duì)粉質(zhì)黏土的阻尼比λ的影響大于黏土。

驛城區(qū)黏性土G/Gmax-γ和λ-γ曲線的擬合參數(shù)值表（此處表略）中相關(guān)系數(shù)R2均大于0.98。在對(duì)G/Gmax-γ曲線進(jìn)行擬合時(shí)，對(duì)不同埋深下的粉質(zhì)黏土，α均接近于1，β接近于0.5，而對(duì)于不同埋深下的黏土，α隨著深度的增加逐漸減小，β隨著深度增加小幅增加。λ-γ曲線擬合時(shí)，黏土和粉質(zhì)黏土、隨著深度的增加λmin和λ0均呈整體減小的趨勢(shì)，B均接近于1。

利用Davidenkov 模型和陳國(guó)興等提出的經(jīng)驗(yàn)公式分別描述驛城區(qū)黏性土的G/Gmax-γ和λ-γ關(guān)系曲線是可行的。

3 結(jié)論

①土體埋深對(duì)驛城區(qū)原狀黏性土的動(dòng)剪切模量G 和阻尼比λ 產(chǎn)生明顯影響。②驛城區(qū)原狀黏性土最大動(dòng)剪切模量隨埋深增加而增大，且與埋深呈指數(shù)關(guān)系，并給出了最大動(dòng)剪切模量隨埋深計(jì)算公式中的擬合參數(shù)值。③隨著埋深的增加，兩種黏性土的G/Gmax-γ曲線均向右上方偏移，非線性特性減弱；λ-γ曲線均向右下方偏移，土體的滯后性減弱；埋深對(duì)粉質(zhì)黏土G/Gmax-γ和λ-γ曲線的影響均大于黏土。④驛城區(qū)黏性土G/Gmax-γ和λ-γ關(guān)系曲線隨埋深變化的擬合參數(shù)值。