殘積土含水率對(duì)其動(dòng)力特性影響試驗(yàn)研究①

胡華, 蔡亮

(廈門大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，福建 廈門 361005)

摘要：選取廈門某建筑工程地基淺層殘積土重塑試樣，利用SDT-10微機(jī)控制電液伺服動(dòng)態(tài)三軸測(cè)試系統(tǒng)，在呈正弦變化的動(dòng)態(tài)荷載作用下，測(cè)試含水率分別為10%、15%、20%和23%時(shí)殘積土試樣的動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變、動(dòng)變形-作用時(shí)間(作用次數(shù))、動(dòng)彈性模量等動(dòng)力學(xué)特性曲線與參數(shù)。分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：試樣在動(dòng)荷載作用下表現(xiàn)為黏彈塑性變形特性，且隨著含水率提高，試樣累積塑性軸向變形逐步增大，最大彈性模量逐步減少，但含水率由20%增至23%時(shí)，最大動(dòng)彈性模量降低幅度不大。

關(guān)鍵詞：殘積土； 含水率； 動(dòng)三軸試驗(yàn)； 動(dòng)力特性； 彈性模量

收稿日期：①2014-08-20

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)

作者簡(jiǎn)介：胡華，男，教授，從事巖土力學(xué)、巖土工程減災(zāi)、地質(zhì)災(zāi)害防治等方面的教學(xué)和科研工作。E-mail:xmhuh@xmu.edu.cn。

中圖分類號(hào):TU411.8文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2015.03.0754

Test Study of the Influence of Moisture Content on Dynamic

Characteristics of Residual Soil

HU Hua, CAI Liang

(CollegeofArchitectureandCivilEngineering,XiamenUniversity,Xiamen361005,Fujian,China)

Abstract：In this study, we chose the shallow residual soil from a constructional engineering site in Xiamen as our remolded specimen, and used the SDT-10 microcomputer control electro-hydraulic servo dynamic triaxial test system as the main test equipment. Under sine dynamic loading, we tested the dynamic characteristic curves and parameters of the residual soil’s dynamic stress-strain, dynamic deformation times (number of loads), and dynamic modulus of elasticity with moisture contents of 10%, 15%, 20%, and 23%. The analysis of the test data indicates that the specimens showed viscoelastic-plastic behavior, and the higher the moisture content of the specimen, the greater the cumulative plastic axis deformation, but the most elastic modulus slowly decreases. The extent of the decrease in the most elastic modulus is not great when the moisture content of specimen increases from 20% to 23%.

Key words： residual soil; moisture content; dynamic triaxial test; dynamic characteristics; elastic modulus

0引言

廈門地區(qū)位于中國(guó)東南沿海，瀕臨臺(tái)灣海峽，而臺(tái)灣海峽多臺(tái)風(fēng)暴雨，中小地震活動(dòng)頻繁。廈門地區(qū)廣泛分布著燕山期花崗巖和侏羅紀(jì)火山巖，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造以斷裂構(gòu)造為主，斷裂帶及附近場(chǎng)地內(nèi)基巖構(gòu)造裂隙發(fā)育、巖體破碎，抗風(fēng)化能力弱，巖體的風(fēng)化作用能向縱深發(fā)展，因此花崗巖殘積土在廈門地區(qū)廣泛分布[1-3]。花崗巖殘積土孔隙比大、承載力較高，但結(jié)構(gòu)性強(qiáng)，受地震等動(dòng)態(tài)荷載擾動(dòng)和降雨滲流作用后，軟化崩解快，強(qiáng)度急劇降低，導(dǎo)致嚴(yán)重地質(zhì)災(zāi)害和各種工程破壞。隨著廈門各類基礎(chǔ)設(shè)施和巖土工程建設(shè)項(xiàng)目的增多，巖土動(dòng)力學(xué)特性和巖土工程防災(zāi)減災(zāi)等問(wèn)題日益突出。熊偉等[4]研究了動(dòng)荷載作用下飽和砂土動(dòng)剪模量；周健[5-6]等研究了飽和層狀砂土液化特性的動(dòng)三軸試驗(yàn)及細(xì)粒含量對(duì)飽和砂土液化特性的影響；楊慶[7]等進(jìn)行了非飽和粉土靜、動(dòng)強(qiáng)度對(duì)比試驗(yàn)；何曉民[8]等進(jìn)行了武漢砂土動(dòng)剪切模量與阻尼比的試驗(yàn)。本文擬系統(tǒng)開(kāi)展動(dòng)態(tài)荷載作用下軟弱巖土動(dòng)態(tài)流變力學(xué)特性、動(dòng)態(tài)流變損傷力學(xué)模型、流變損傷演化規(guī)律等研究，以分析含水率對(duì)殘積土的動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變特性、動(dòng)彈性模量等動(dòng)力特性的影響。

1試驗(yàn)測(cè)試設(shè)備與試驗(yàn)方案

1.1試驗(yàn)測(cè)試設(shè)備

采用SDT-10微機(jī)控制電液伺服動(dòng)態(tài)三軸測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要用于巖石、砂土、巖漿的軸向壓力和側(cè)向壓力的強(qiáng)度試驗(yàn)、土動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)，也用于測(cè)定細(xì)粒土和砂土的總抗剪強(qiáng)度和有效抗剪強(qiáng)度的參數(shù)。該設(shè)備采用兩套電液伺服做動(dòng)器加載，分別實(shí)現(xiàn)軸向、側(cè)向加載功能；軸向、側(cè)向既可實(shí)現(xiàn)分別激振，也可實(shí)現(xiàn)復(fù)合激振；基于電液伺服控制技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)正弦波、三角形、方波、梯形波、斜波、隨機(jī)波等多種波形試驗(yàn)載荷譜；在軸向、側(cè)向以同種波形激振時(shí)，相位在為0°～360°內(nèi)可進(jìn)行自由調(diào)節(jié)；軸向、側(cè)向激振頻率為0～10 Hz；三軸壓力室壓力為0～1 MPa。 一套動(dòng)阻尼、動(dòng)彈性模量、動(dòng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)處理軟件。試驗(yàn)控制軟件在Windows環(huán)境下運(yùn)行，操作簡(jiǎn)單，能完成試驗(yàn)條件、試樣參數(shù)等的設(shè)置以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理。

1.2試驗(yàn)方案

采集廈門某建筑工程地基淺層殘積土為試驗(yàn)測(cè)試對(duì)象，制備含水率分別為10%、15%、20%和23%等四種重塑試樣，依據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》要求進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。試驗(yàn)方法為動(dòng)三軸固結(jié)不排水(CU)試驗(yàn)。試樣尺寸為φ39 mm×80 mm，在試驗(yàn)之前試樣都要經(jīng)過(guò)飽和，且在固定圍壓下固結(jié)一個(gè)小時(shí)，在制備同一組試樣時(shí)密度的差值不宜大于0.03 g/cm3,含水率差值不宜大于2%[3-5]。采用SDT-10微機(jī)控制電液伺服動(dòng)態(tài)三軸測(cè)試系統(tǒng)，動(dòng)三軸圍壓設(shè)置為200 kPa，選呈正弦變化的動(dòng)態(tài)荷載，動(dòng)載作用頻率設(shè)置為1 Hz，振幅最大值為20 N。通過(guò)動(dòng)三軸固結(jié)不排水加載試驗(yàn)，得到試樣的動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變、動(dòng)變形-作用次數(shù)等關(guān)系曲線和動(dòng)彈性模量，通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)分析，得到不同含水率對(duì)試樣動(dòng)力特性和動(dòng)力學(xué)參數(shù)的影響規(guī)律。動(dòng)三軸固結(jié)不排水(CU)試驗(yàn)裝樣和試驗(yàn)情況如圖1所示。

圖1　動(dòng)三軸固結(jié)不排水(CU)試驗(yàn)裝樣和試驗(yàn)情況 Fig.1　Specimen and situation of the dynamic 　　　 triaxial consolidated undrained test

2試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1試樣動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變和滯回圈曲線分析

理想彈性體在動(dòng)載荷作用下，其動(dòng)應(yīng)力和動(dòng)應(yīng)變的兩條波形線在時(shí)間上同步對(duì)應(yīng)，但試驗(yàn)土樣并非理想的彈性體，在動(dòng)載荷作用下其動(dòng)應(yīng)力和動(dòng)應(yīng)變的波形并不同步，動(dòng)應(yīng)變波形線較動(dòng)應(yīng)力波形線有一定的時(shí)間滯后。試驗(yàn)儀器數(shù)據(jù)處理程序?qū)⒚恳恢芷诘恼駝?dòng)波形按照同一時(shí)刻的應(yīng)力和應(yīng)變描繪到坐標(biāo)上，得到動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。重復(fù)動(dòng)荷載作用下的動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變曲線組成系列的應(yīng)力-應(yīng)變滯回圈。四種不同含水率條件下試樣在外部正弦載荷作用下的滯回圈曲線如圖2所示。

由圖2可見(jiàn)，在相同動(dòng)載作用下試樣的滯回圈大致為斜橢圓形狀，隨著含水率的提高，試樣在受動(dòng)荷載過(guò)程中產(chǎn)生了不可恢復(fù)的塑性變形，且不斷積累增大，反映了試樣在動(dòng)載作用下的黏彈性塑變形特性。隨著含水率增大，滯回圈的偏移量越大，累積塑性變形和變形過(guò)程中能量耗損也越大。

2.2試樣軸向變形與動(dòng)載作用次數(shù)的關(guān)系

試樣軸向變形與動(dòng)載作用次數(shù)的關(guān)系曲線見(jiàn)圖3所示。由于系統(tǒng)內(nèi)部的初始位置有偏差，因此有的圖形是從相對(duì)位置開(kāi)始計(jì)算變形的，但是對(duì)于絕對(duì)變形差沒(méi)有影響。從圖3中可以看出，隨著含水率增大，試樣的軸向變形量逐步增大，分別為0.075 mm、1.7 mm、12.5 mm和13.5 mm。試樣含水率與軸向變形量之間的關(guān)系見(jiàn)圖4所示。根據(jù)回歸原理，其數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系為：y= 429.79x2-24.477x-2.368 9，擬合度為R2=0.917 7。

圖2　不同含水率條件下動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變和滯回圈曲線(振幅為20 N，頻率為1 Hz) Fig.2　Dynamic stress-strain circle curves with different water contents (amplitude=20 N,frequency=1 Hz)

圖3　不同初始含水率條件下試樣的變形與動(dòng)載作用次數(shù)的關(guān)系 Fig.3　Relationship between specimen deformation and number of dynamic loads with different initial water contents

圖4　試樣含水率與軸向變形量之間的 　　　曲線和函數(shù)關(guān)系 Fig.4　Relationship curve and functional relation between 　　　 specimen water content and axial deformation

2.3試樣含水率對(duì)動(dòng)彈性模量的影響

試樣在動(dòng)載作用的過(guò)程中，其動(dòng)彈性模量可以通過(guò)滯回曲線得到，由每個(gè)滯回環(huán)可以得到一個(gè)動(dòng)彈性模量，其表達(dá)式為:E=σmax/εmax；σmax和εmax分別是該滯回環(huán)的最大應(yīng)力和最大應(yīng)變。隨著振動(dòng)周數(shù)的增加，滯回環(huán)不斷增大并且偏向應(yīng)變軸，土樣結(jié)構(gòu)強(qiáng)度趨于破壞，因此每一振動(dòng)周期的滯回環(huán)不重合。隨著振動(dòng)周期數(shù)的增加，土樣動(dòng)應(yīng)變不斷增大，而載荷振幅不變，動(dòng)彈性模量逐漸減小[6-7]。通過(guò)動(dòng)三軸試驗(yàn)設(shè)備生成的數(shù)據(jù)，得到不同初始含水率情況下試樣動(dòng)彈性模量隨動(dòng)應(yīng)變的變化曲線關(guān)系如圖5所示。

圖5　不同含水率試樣動(dòng)彈性模量與動(dòng)應(yīng)變關(guān)系 　　　曲線(振幅20 N，頻率1 Hz) Fig.5　Relationship curve between dynamic elastic modulus 　　　 and dynamic strain of specimen with different water 　　　 contents (amplitude=20 N,frequency=1 Hz)

從圖5中可以看出，四種含水率試樣，其動(dòng)彈性模量都隨動(dòng)應(yīng)變的增大而逐漸減小，說(shuō)明隨著加載過(guò)程的進(jìn)行，土樣總的變形在逐漸增加，而產(chǎn)生單位應(yīng)變所需的應(yīng)力卻在減小；而且開(kāi)始階段動(dòng)彈性模量隨動(dòng)應(yīng)變的增加而減小速度較快，之后動(dòng)彈性模量減小的幅度逐漸變緩，表明大部分變形是在初始階段完成，這是由于土樣的孔隙結(jié)構(gòu)在振動(dòng)初期遭到破壞，變形量急劇增大。

在相同動(dòng)應(yīng)變條件下，隨著含水率增大，試樣的最大彈性模量逐步減少，表明在合理的含水范圍內(nèi)，水有利于土顆粒之間的連接和粘聯(lián)，能降低其松散性，提高其整體性和抗變形的能力，但含水量超過(guò)一定程度時(shí)，由于過(guò)量水的潤(rùn)滑作用，土顆粒內(nèi)部連接變?nèi)?，?dǎo)致動(dòng)彈性模量大幅度減少，試樣受動(dòng)載作用后軟化變形明顯。但含水率由20%增至23%時(shí)，試樣最大動(dòng)彈性模量降低幅度不大。

3結(jié)論

在相同動(dòng)載作用下試樣的滯回圈大致為斜橢圓形狀，隨著含水率的提高，試樣在受動(dòng)荷載過(guò)程中產(chǎn)生了不可恢復(fù)的塑性變形不斷積累增大，反映試樣在整個(gè)動(dòng)態(tài)加載過(guò)程中表現(xiàn)出黏彈塑性變形特性，且隨著含水率增大，變形過(guò)程中能量耗損也越大。隨著重塑試樣含水率由10%、15%、20%到23%逐步增大，試樣軸向動(dòng)力變形量也隨之增加，分別為0.075 mm、1.7 mm、12.5 mm及13.5 mm，表明含水率增大不利于殘積土的穩(wěn)定性。

對(duì)不同含水率試樣，其動(dòng)彈性模量都隨動(dòng)應(yīng)變的增大而逐漸減小，而且開(kāi)始階段動(dòng)彈性模量減小速度較快，之后減小的幅度逐漸變緩，表明大部分變形是在初始階段完成的。在相同動(dòng)應(yīng)變條件下，隨著含水率增大，試樣的最大彈性模量逐步減少，但含水率由20%增至23%時(shí)，試樣最大動(dòng)彈性模量降低幅度不大。

參考文獻(xiàn)(References)

[1]胡華.動(dòng)載作用下淤泥質(zhì)軟土流變模型與流變方程[J].巖土力學(xué),2007,28(2):237-240.

HU Hua.The Rheological Model and Rheological Equation of Sullage Soft Soil Under Dynamic Loading[J].Rock and Soil Mechanics,2007,28(2):237-240.(in Chinese)

[2]胡華,顧恒星，俞登榮.淤泥質(zhì)軟土動(dòng)態(tài)流變特性與流變參數(shù)研究[J].巖土力學(xué), 2008,29(3):696-700.

HU Hua，GU Heng-xing，YU Deng-rong.Research on Dynamic Rheological Characteristics and Rheologic Parameters of Sullage Soft Soil[J].Rock and Soil Mechanics,2008,29(3):696-700.(in Chinese)

[3]胡華,鄭曉栩.動(dòng)載作用頻率對(duì)海相沉積軟土動(dòng)態(tài)流變力學(xué)特性影響試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué),2013,34(增刊1):9-13.

HU Hua，ZHENG Xiao-xu.Experimental Research on Dynamic Rehelogical Characteristics of Marine Deposit Soft Soil Under Different Frequencies of Dynamic Loading[J].Rock and Soil Mechanics,2013,34(Supp1):9-13.(in Chinese)

[4]熊偉,尚守平,劉方成,等.動(dòng)荷載作用下飽和砂土動(dòng)剪模量試驗(yàn)研究[J].地震工程與工程振動(dòng),2007,27(6):176-180.

XIONG Wei,SHANG Shou-ping,LIU Fang-cheng,et al.Laboratory Expermiental Research on Dynamic Shear Modulus of Saturated Soil Subjected to Dynamic Loading[J].Journal of Earthquake Engineering and Engineering Vibration,2007,27(6):176-180.(in Chinese)

[5]周健,陳小亮,楊永香,等.飽和層狀砂土液化特性的動(dòng)三軸試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué),2011,32(4):967-972.

ZHOU Jian,CHEN Xiao-liang,YANG Yong-xiang,et al.Study of Liquefaction Characteristics of Saturated Stratified Sands by Dynamic Triaxial Test[J].Rock and Soil Mechanics,2011,32(4):967-972.(in Chinese)

[6]周健,楊永香,賈敏才,等.細(xì)粒含量對(duì)飽和砂土液化特性的影響[J].水利學(xué)報(bào),2009,40(10):1184-1188.

ZHOU Jian,YANG Yong-xiang,JIAMin-cai,et al.Effect of Fines Content on Liquefaction Properties of Saturated Silty Sands[J].Journal of Hydraulic Engineering,2009,40(10):1184-1188.(in Chinese)

[7]楊慶,王猛,欒茂田,等.非飽和粉土靜、動(dòng)強(qiáng)度對(duì)比試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué),2010,31(1):71-75.

YANG Qing,WANG Meng,LUAN Mao-tian,et al.Experimental Research of Correlation on Static and Dynamic Strength of Unsaturated Silty Clay[J].Rock and Soil Mechanics,2010,31(1):71-75.(in Chinese)

[8]何曉民,陳志強(qiáng),張婷.武漢砂土動(dòng)剪切模量與阻尼比的試驗(yàn)研究[J].世界地震工程,2010,36(增刊1):41-45.

HE Xiao-min,CHEN Zhi-qiang,ZHANG Ting.Experimental Studies on Dynamic Shear Modulus and Damping Ratio of Sandy Soil in Wuhan[J].World Earthquake Engineering,2010,36(Supp1):41-45.(in Chinese)