吳 豪 鄧全勝 張國棟 謝 強

(1. 三峽大學(xué) 湖北長江三峽滑坡國家野外科學(xué)觀測研究站， 湖北 宜昌 443002；2. 三峽大學(xué) 三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心， 湖北 宜昌 443002； 3. 三峽大學(xué) 湖北省地質(zhì)災(zāi)害防治工程技術(shù)研究中心， 湖北 宜昌 443002)

動荷載作用下土體動力響應(yīng)的主要影響因素包括三個方面：一是土體固有的物理特性(土體類別、級配和粒徑大小、密度、孔隙比等)；二是初始應(yīng)力條件；三是加載條件(應(yīng)力水平或動應(yīng)力幅值、動載波形、頻率、持續(xù)時間及作用方向等)．在動荷載作用下，土體累計變形量、累計孔隙水壓力和動強度是土體穩(wěn)定性評價、土體變形控制的關(guān)鍵指標(biāo)．由于不同類型的土，其動力響應(yīng)具有顯著的差異，不同的學(xué)者開展了不同類型土體的動力響應(yīng)研究．

Matsui[1]對Ip=55 Senri黏土，在振動頻率0.02～0.5 Hz作用下的動三軸試驗結(jié)果表明，循環(huán)次數(shù)一定情況下，加荷頻率越低(0.02～0.5 Hz)，產(chǎn)生的孔隙水壓力和軸向應(yīng)變越大．章克凌、許才軍等[2-4]對飽和黏土的孔壓增長特性進(jìn)行了研究，正常固結(jié)飽和黏土，在確定的循環(huán)剪應(yīng)力作用下，孔隙水壓力隨振動頻率(0.02～0.5 Hz)的增高而降低．張茹等[5]開展了振動頻率對飽和黏性土動力特性影響的研究，認(rèn)為頻率在0.1～4 Hz時，動強度隨頻率的升高而增大，頻率繼續(xù)升高后，動強度有下降趨勢，頻率在0.1～1 Hz時，頻率愈高，動孔壓比愈大，頻率在1～6 Hz時，總的趨勢是頻率愈高，動孔壓比愈小，動模量隨頻率增高而增大．鄭剛[6]等做了一系列原狀和重塑樣黏土動荷載試驗，發(fā)現(xiàn)振動頻率(0.2～5 Hz)對重塑土孔壓發(fā)展影響較小，振動頻率對動彈性模量有較大影響．

上述研究成果集中反映了振動頻率對黏性土強度、變形和孔壓的影響特性，尚未取得較為一致的研究成果．對于粉質(zhì)黏土，其物理力學(xué)特性與黏性土有本質(zhì)差異，振動頻率對其累計變形和孔壓的影響如何?為此，本文以粉質(zhì)黏土為研究對象，以動三軸為試驗手段，開展振動頻率對粉質(zhì)黏土累計變形、動模量和孔壓發(fā)展特性的影響研究，為粉質(zhì)黏土在工程設(shè)計中的應(yīng)用提供參考．

1 試樣制備及試驗方案

1.1 試樣制備

試驗土樣取自于三峽庫區(qū)樹坪滑坡的東側(cè)滑帶土．按照土工試驗規(guī)程推薦的方法對土樣進(jìn)行采集、運輸及保管．試驗土樣采取先清除表層碎土和雜土，然后用土工試驗篩篩選出粒徑小于2 mm的土樣，取出的土樣用兩層塑料袋密封保存．試驗所用的土樣最大粒徑為2 mm，采用篩分法與密度計法對試驗土樣進(jìn)行顆粒級配分析，小于0.075 mm的含量為86%，所用土樣的基本物理指標(biāo)見表1．該土樣為粉質(zhì)黏土．試樣直徑61.8 mm，高120 mm．試樣制備完備后，采用真空飽和法飽和，飽和度為97.6%．

表1 主要物理參數(shù)

1.2 試驗方案

試驗儀器采用陜西力創(chuàng)研發(fā)的應(yīng)變控制式的SDT-10微機控制電液伺服土動三軸試驗機．將制備好的試樣排水固結(jié)24 h后關(guān)閉排水閥．循環(huán)荷載試樣采用應(yīng)力控制加載方式，加載波形由伺服系統(tǒng)生成，選用正弦波，振動頻率分別為2 Hz、5 Hz和6 Hz．有效圍壓采用200 kPa，循環(huán)應(yīng)力幅值為100 kPa，固結(jié)比取1.0．加載過程中，加載次數(shù)、軸向壓力、孔壓、軸向變形等數(shù)據(jù)由電腦采集處理．以試驗軸向累計變形5%為破壞標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行試驗結(jié)果分析．

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 振動頻率對累計變形的影響

圖1～2分別為圍壓200 kPa，動應(yīng)力幅值100 kPa下，在振動頻率為2 Hz、5 Hz和6 Hz作用下飽和粉質(zhì)黏土的軸向累計變形的時程曲線和軸向累計變形隨振動次數(shù)的變化曲線．

圖1 不同振動頻率下軸向累計變形時程曲線

圖2 不同振動頻率下振動次數(shù)與軸向累計變形關(guān)系曲線

從累計變形的時程曲線圖1可以看出，不同頻率下土體的變形變化趨勢較為一致，試樣軸向累計變形達(dá)到穩(wěn)定與振動頻率和作用的時間有關(guān)．振動頻率越小，試樣軸向累計變形越大．圖2反映隨振動次數(shù)的增加，土體的變形不斷增大，并最終趨于穩(wěn)定，振動頻率越低，變形達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的所需次數(shù)越少，累計變形越大．當(dāng)振動頻率為2 Hz時，振動次數(shù)達(dá)N=1 500以后趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定時變形為12.5%，當(dāng)振動頻率為5 Hz時，振動次數(shù)達(dá)N=2 500以后趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定時變形為10%，當(dāng)振動頻率為6 Hz時，振動次數(shù)達(dá)N=4 000以后趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定時變形為8.9%．若以變形5%為破壞標(biāo)準(zhǔn)，頻率為2Hz時達(dá)到破壞需要N=250次，頻率為5Hz時達(dá)到破壞需要N=400次，頻率為6Hz時達(dá)到破壞需要N=750次．

圖3表示飽和粉質(zhì)黏土在不同振動頻率下，振動頻率與最大軸向累計變形的關(guān)系，隨著振動頻率的增大，達(dá)到變形穩(wěn)定時的變形值減?。霈F(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是：頻率越高，振動越快，試樣固結(jié)程度越高，孔隙比越小，試樣越穩(wěn)定，在相同動應(yīng)力作用下，累計變形越?。?/p>

圖3 不同振動頻率與最大軸向累計變形關(guān)系

2.2 振動頻率對孔壓的影響

圖4、5分別為圍壓200 kPa，動應(yīng)力幅值100 kPa下，振動頻率為2 Hz、5 Hz和6 Hz作用下飽和粉質(zhì)黏土累計孔壓發(fā)展的時程曲線和孔壓比隨振動次數(shù)的變化曲線．從累計孔壓的時程曲線圖4中可以看出，在不同振動頻率作用下試樣累計孔壓的發(fā)展較為類似．振動頻率為2 Hz和5 Hz時，累計孔壓的發(fā)展在設(shè)定的振動次數(shù)范圍內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定，其值分別在120 kPa和100 kPa左右，而振動頻率為6 Hz時，累計孔壓的發(fā)展在設(shè)定的振動次數(shù)內(nèi)還有緩慢增加的趨勢．

圖4 不同振動頻率下累計孔壓的時程曲線

圖5 不同頻率下振動次數(shù)與孔壓比關(guān)系

圖5反映振動頻率對孔壓比的影響，隨著振動次數(shù)的增加，孔壓比先增加，其中，在頻率為2 Hz時，孔壓比發(fā)展較快，在頻率6 Hz時，孔壓比發(fā)展較為緩慢，振動頻率越高，孔壓比增長越慢．通過對試驗數(shù)據(jù)分析，當(dāng)振動頻率為2 Hz時試樣孔壓達(dá)到穩(wěn)定時動孔壓比為0.6；頻率為5 Hz時試樣孔壓達(dá)到穩(wěn)定時的孔壓比約為0.53；當(dāng)振動頻率為6 Hz時，隨著振動次數(shù)的增加，孔壓增長最慢，振動次數(shù)超過N=20 000次時，隨著振動次數(shù)的增加，孔壓仍在緩慢增加．本文的試驗結(jié)果與文獻(xiàn)[5，7-9]中一些黏性土孔壓的發(fā)展模式有相似之處．即粉質(zhì)黏土中含有一定粘粒，滲透系數(shù)較小，頻率越高，在振動開始階段，動孔隙水壓力來不及上升和擴散，致使孔隙水壓力增長較快，試樣有吸水現(xiàn)象，表現(xiàn)在圖形上即孔壓比越小，斜率越?。?/p>

2.3 振動頻率對動彈性模量的影響

圖6為固結(jié)圍壓200 kPa，動應(yīng)力幅值100 kPa，在振動頻率為2 Hz、5 Hz和6 Hz作用下飽和粉質(zhì)黏土的動彈性模量隨軸向累計動應(yīng)變的變化曲線．圖中3組動彈性模量的發(fā)展高度重合，隨著累計動應(yīng)變的發(fā)展，土體動彈性模量在初期迅速減小，表現(xiàn)出應(yīng)變軟化的性質(zhì)，當(dāng)累計動應(yīng)變超過2%后，動彈性模量基本保持不變．振動頻率對動彈性模量影響較?。?/p>

圖6 不同頻率下動應(yīng)變與動彈性模量關(guān)系

3 結(jié) 論

通過對三峽庫區(qū)樹坪滑坡重塑飽和粉質(zhì)黏土進(jìn)行不同振動頻率下的動力三軸試驗，分析了振動頻率對軸向累計變形、孔壓比和動彈性模量的影響，得出以下結(jié)論．

1)振動頻率越高，變形達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的所需次數(shù)越少，累計變形也越小．

2)振動頻率越高，孔壓增長越慢，達(dá)到穩(wěn)定時孔壓比越?。?/p>

3)振動頻率對動彈性模量的發(fā)展影響不大，隨著振動次數(shù)的增加，土體動彈性模量不斷減小，當(dāng)動應(yīng)變超過2%后，動彈性模量基本保持不變．

[1] Matsui Tetal． Estmiation of shear characteristics degradation and stress strain relationship of saturated clays after cyclic loading[J]． Soils and Foundations，1992，32(1)：161-172．

[2] 章克凌，陶振宇．飽和軟粘土在循環(huán)荷載作用下的孔壓預(yù)測[J]．巖土力學(xué)，1994,15(3)：9-17．

[3] 許才軍，杜 堅，周紅波．飽和軟粘土在不排水循環(huán)荷載作用下孔隙水壓力模型的建立[J]．上海地質(zhì)，1997(3)：16-21．

[4] 許才軍，周紅波．不排水循環(huán)荷載作用下飽和軟粘土的孔壓增長模型[J]．勘察科學(xué)技術(shù)，1998(1)：3-7．

[5] 張 茹，涂揚舉，費文平，等．振動頻率對飽和粘性土動力特性的影響[J]．巖土力學(xué)，2006,27(5)：699-704．

[6] 鄭 剛，霍海峰，雷華陽，等．振動頻率對飽和粘土動力特性的影響[J]．天津大學(xué)學(xué)報，2013,46(1)：38-43．

[7] 周 建，龔曉楠，李劍強．循環(huán)荷載作用下飽和軟粘土特性試驗研究[J]．工業(yè)建筑，2000,30(1)：43-47．

[8] 卓 莉，黨進(jìn)謙，袁克闊．黃土路基變形特性的試驗研究[J]．工程勘察，2010(4)：14-16．

[9] 潘林有，王 軍．振動頻率對飽和軟粘土相關(guān)性能的影響[J]．自然災(zāi)害學(xué)報，2007，16(6)：204-208．