易 軍

(四一四地質隊，湖南 益陽 413000)

殘積土作為一種孔隙率大、壓縮性高和抗剪強度低等特點的土體，工程性質較差[1]，在我國中南部山區(qū)分布廣泛[2].隨著我國對山區(qū)資源的開發(fā)，受條件制約，許多工程以殘積土作為持力層.在后期運營過程中受到外部荷載影響，特別是例如沖擊荷載和風荷載等動荷載作用下極易引發(fā)工程事故.國內外學者從20世紀80年代開始對于殘積土的工程性能研究逐漸增多[3]，并取得了許多有借鑒價值的研究成果.

室內土工試驗方面，黃志崙等[4]對深圳花崗殘積土進行了一系列類土工試驗，發(fā)現(xiàn)常規(guī)試驗方法不能準確反映殘積土的真實性狀，其針對一些參數(shù)(液性指數(shù)、土的單位容量、比重、顆粒分析等)總結了花崗巖殘積土的土工試驗流程.原位試驗方面，陽發(fā)清等[5]對廈門某建筑持力層進行了原位測試實驗，通過比較常規(guī)地勘資料提出了垂直固結系數(shù)和變形特性之間的聯(lián)系，并提出了指標要求.針對殘積土的崩解特性，張抒等[6]自制了崩解試驗儀器對廣州片區(qū)花崗巖殘積土的崩解特性做了進一步研究，從微觀角度分析了花崗巖殘積土的崩解機理.在三軸試驗研究方面，方祥位[7]和蔣剛等[8]利用GDS三軸試驗，對花崗巖殘積土重塑土試樣進行了剪切試驗，得出了不同加載條件下的應力-軸應變曲線，并且對其應變特性進行了總結，其壓縮模量會隨軸壓升高而升高，試樣加載時有剪縮特性.

目前我國對于殘積土的研究集中在花崗巖殘積土，但是，不同殘積土的成因和礦物組成差異性較大，其抗剪特性也不盡相同.本文以黃家侖地區(qū)的擬建山區(qū)風電場的殘積土層為研究對象，對其進行了一系列的三軸試驗，研究了其動靜力學特性，對指導此類土的工程設計具有重要的實際意義.

1 黃家侖地區(qū)殘積土的類別

國內對于殘積土的分類一般參照劉立明[9]和張永波[10]等根據(jù)母巖類型和顆粒粒徑來劃分殘積土的類別，隨著研究深入，發(fā)現(xiàn)殘積土的細顆粒含量較多，許多學者參照細粒土的分類標準也將塑性指數(shù)作為分類標準[11].

1.1 地層情況

通過區(qū)域勘查的方法揭露了黃家侖的地層主要為第四系殘坡積層(Q4el+dl)和石炭系(C1d)石英砂巖及灰?guī)r層，各地層特征分述如下：

(1)第四系殘坡積層(Q4el+dl)

主要由人工填土和礫質黏性土組成，厚度0～10m，主要分布于山前坡麓地帶、斜坡坡面及平臺、谷底，土體結構松散.

(2)石炭系(C1d)

石英砂巖分別在邊坡的巖土接觸面以下，沿深度向下呈強～中風化，近地表呈強風化狀態(tài)，風化厚度約1～3m，裂隙發(fā)育，巖石破碎；石英砂巖以下為中風化灰?guī)r，巖溶不發(fā)育，巖石完整，分布于整個滑坡區(qū).

根據(jù)地勘所揭露的地層情況來看，此區(qū)域的殘積土多由石英砂巖風化而來，其特性可能遺留自石英砂巖[12]，根據(jù)母巖性質可以將黃家侖地區(qū)的殘積土劃分為泥沙質巖殘積土.

1.2 顆粒粒徑分析

從原地貌殘積土邊坡取回原狀土，挑出大塊碎石和草梗，將土樣風干后碾碎，根據(jù)《公路土工試驗規(guī)程SL 237-1999》[13]，過10mm篩后取土2kg進行標準篩分試驗，并根據(jù)篩分結果繪制級配曲線，如圖1所示.

根據(jù)上述篩分試驗的結果，土樣中粒徑大于0.5mm的顆粒占土體總質量的73.5%，大于界限值35%，判定此殘積土為砂礫質土.

1.3 黃家侖殘積土液塑限試驗

根據(jù)《公路土工試驗規(guī)程SL 237-1999》，取具有天然含水率的原狀土樣，過0.5mm篩，制備三種接近液限、塑限和中間狀態(tài)三種不同稠度的土膏，并用濕潤的毛巾覆蓋，靜置24h后使用圓錐儀進行試驗，記錄三個試樣的圓錐下沉刻度和含水率，并繪制入土深度和試樣含水率的對數(shù)曲線，如圖2所示.

由圖可知，對應于圓錐探頭入土深度20mm的含水率為35.7%.根據(jù)土工試驗規(guī)程，此深度對應的含水率即為該土體液限ωL.再通過查表可知該土體的塑限ωP，即圓錐錐入深度2mm對應的含水率為22.1%.又因為此土體的天然含水率為25.2%，通過公式計算可得該地區(qū)土體的塑性指數(shù)IP和液性指數(shù)IL分別為12.44和0.23，判定此土體屬于黏性土.

根據(jù)以上試驗分析，可以將黃家侖地區(qū)的殘積土判定為砂礫質黏性泥沙質巖殘積土，并且此土體在自然狀態(tài)下處于硬塑狀態(tài)(0

2 試驗方案

2.1 試驗材料

三軸試驗所采用的試驗土樣均來自于黃家侖地區(qū)山體邊坡的殘積土層，將其過2mm孔徑的篩，剔除碎石和草梗等雜質對試樣的影響，并排除尺寸效應.

2.2 試驗步驟

本次試驗的方案是利用GDS動三軸試驗儀對黃家侖地區(qū)殘積土重塑土土樣進行不同圍壓情況下的動靜三軸試驗，研究砂礫質黏性泥沙質巖殘積土在圍壓改變的情況下力學特性的變化.

試樣的制備按照《公路土工試驗規(guī)程SL 237-1999》中對于擾動土樣的制備要求進行處理.在土體的最優(yōu)含水率(26%)的條件下?lián)魧?，為了確保在最優(yōu)含水率時擊實，土體在制樣前復測含水量；為了使試樣均勻擊實，將土體等分為5層擊實，并在模具和墊片上涂抹凡士林方便脫模.

試驗考慮土的最不利狀況，所以需要將土體進飽和處理，將制備好的試樣裝入飽和器中靜置24h，進行100%飽和后取出立即裝樣，安裝好的試樣如圖3所示.

在進行靜三軸試驗時設置試驗工況分為圍壓100kPa、200kPa和300kPa的不固結不排水試驗.實驗采用控制軸壓控制器下沉速率的方法對試樣進行加載，當軸向應變達到20%時默認試樣發(fā)生破壞，實驗終止.

動三軸試驗選用的動荷載為此區(qū)域主風速(11m/s)所對應的隨機風荷載作用下的風力發(fā)電機最大基底壓力波動曲線[14].由于動三軸試驗加載周期過長，試驗圍壓設定為100kPa和300kPa，僅設置一組對照組.在進行抗剪強度試驗時采用分級加載的方式進行加載，為了保證實驗數(shù)據(jù)的完整可靠，每一級加載都將荷載循環(huán)四次，具體的初始加載曲線如圖4所示，并假定初始加載曲線為第一級加載階梯，加載階梯差為15kPa，當試樣累計應變達到5%時停止加載，默認試樣發(fā)生破壞.

在確定動荷載的基礎上設置疲勞試驗，將初始荷載循環(huán)333次，實際沖擊試樣超10000次，測試此殘積土的疲勞特性.

3 試驗結果分析

3.1 靜三軸試驗試樣破壞形態(tài)及應力-應變關系

按照試驗方案得到了不同圍壓條件下的試樣的破壞形態(tài)數(shù)據(jù).具體的破壞情況如圖5所示.

如圖所示試樣出現(xiàn)了兩種破壞形式，在圍壓為100kPa和200kPa的情況下，試樣均在頂部出現(xiàn)鼓脹，但是在圍壓提升到300kPa后，試樣在下部出現(xiàn)鼓脹，出現(xiàn)剪切破壞初期特征.

圍壓的提升會在加載初期對實驗起到約束顆粒移動的作用，在荷載達到臨界點后，試樣內部薄弱面會有裂隙發(fā)展誘發(fā)試樣破壞.

圖6是三種不同圍壓下的黃家侖地區(qū)殘積土試樣的應力-應變曲線，應力-應變曲線除了可以直接表現(xiàn)試樣的變形特征和抗剪強度，還可以作為繪制摩爾應力圓的依據(jù)，進一步得出土體的抗剪強度參數(shù).

圖中可以看出，試樣的抗剪強度隨圍壓的上升而上升，其中圍壓100kPa至200kPa的抗剪強度提升明顯.圍壓300kPa下的應力應變曲線的偏壓在經歷峰值后有小幅下降，在應變?yōu)?0%的位置和圍壓200kPa下的應力應變曲線相交，說明黃家侖地區(qū)殘積土受土體承載力影響，圍壓對抗剪強度的提升存在邊際效應.

通過繪制摩爾應力圓，以此分析土體的內摩擦角φ和黏聚力c.考慮到土的應力應變曲線較為光滑，破壞點不明確，根據(jù)應力應變曲線中出現(xiàn)的第一個空載點繪制摩爾應力圓如圖6所示.

圖抗剪強度包絡線中的切線夾角為土體的內摩擦角φ大小，在y軸上的截距為土體的黏聚力c值，由圖可知黃家侖地區(qū)的殘積土內摩擦角大小為13.12°，黏聚力大小為28.90kPa.

3.2 動力特性分析

3.2.1 應力應變曲線分析

圍壓為100kPa和300kPa時的動三軸試驗應力-應變曲線如圖7所示.

圍壓為100kPa的應力應變曲線前期應變很小，但在第六級階梯上出現(xiàn)明顯突變，應變出現(xiàn)幾何式增長，并且出現(xiàn)“空載”現(xiàn)象，應力無法有效施加，試樣微觀結構已經出現(xiàn)破壞.當圍壓提升到300kPa后，應力應變曲線在經過前期的小形變時期后，圍壓很好地約束了土體顆粒位移，后期形變穩(wěn)定增長，直至加載階梯到達第十級，應變達到5%，試驗自然終止，破壞時試樣偏壓由228kPa上升至298kPa左右.并且相對于靜三軸試驗，圍壓為100kPa時試樣的動抗剪強度得到了大幅提升，提升幅度為63%，當圍壓提升至300kPa后，應變?yōu)?%時動靜三軸對應的偏壓基本一致.

根據(jù)國內學者的研究，風荷載作用下，風力發(fā)電機持力層的動力響應范圍有限，在1～1.5倍基礎半徑范圍內[15].根據(jù)黃家侖地區(qū)的主要風速情況，一般會選用的風機發(fā)電機型號為湘電風能XE93-2000 型，基礎半徑為9.25m.由此可知黃家侖擬建風電場在動力響應范圍內的土體在動荷載作用下的固結效果顯著，抗剪強度大幅提升，地基穩(wěn)定性可以得到保障.

3.2.2 動彈性模量分析

由于動彈模隨動應變的變化而變化，并且動彈模的倒數(shù)和動應變存在線性關系.根據(jù)土的動彈性模量的定義，繪制動彈模的倒數(shù)和動應變的關系曲線如圖8所示，在數(shù)據(jù)的選取上為了避免加載階梯對曲線曲率的影響，去除實驗中前期應變增長較快的壓實階段，對應變平穩(wěn)增長的每級加載階梯的最后一次循環(huán)取代表數(shù)據(jù)，直至曲線出現(xiàn)明顯轉折，試樣進入塑性應變.土的彈性模量定義式如下所示[16]：

Ed=σd/εd

(1)

其中：Ed表示動彈性模量；σd和εd分別表示軸向應力和軸向應變.

由上圖易知,圍壓為100kPa和300kPa時，此殘積土試樣的動彈模的倒數(shù)基本保持一致，和一般研究所得的土體動彈性模量隨圍壓上升而上升有明顯區(qū)別[17].這是由于選取的動荷載為波動規(guī)律不顯的風力發(fā)電機基底壓力，選取的應力應變點是在加載階梯末期，應變基本達到極限，圍壓對于前期應變的影響較小，所以在此曲線中圍壓的增加對土體的動彈性模量的影響十分有限.

3.2.3 動泊松比分析

動泊松比的定義為動彈性模量Ed和動環(huán)向彈性模量Edr的比值，根據(jù)泊松比的定義繪制動泊松比和應變的關系曲線如圖9所示，其中動環(huán)向彈性模量的定義式和動彈性模量類似，如下所示：

Edr=σdr/εdr

(2)

式中：σdr和εdr分別表示滯回曲線環(huán)向應力和滯回曲線環(huán)向應變.

動泊松比的分布較為離散，泊松比和軸向應變間不存在線性關系，圍壓也沒有明顯的改變動泊松比的大小，泊松比的波動范圍為0.33～0.37，和黏性土在不排水條件下的泊松比經驗取值基本一致.

3.3 疲勞特性分析

利用GDSLAB記錄試樣的應力應變數(shù)據(jù)繪制成的曲線圖如圖10所示.試樣在加載初期應變上升較快，但進入第二個循環(huán)后試驗應變明顯減小，加載后期試樣基本不發(fā)生形變，應變維持在同一數(shù)值附近波動，由此可以判定此殘積土在疲勞荷載下不易出現(xiàn)大幅值形變，對疲勞荷載響應不敏感，在主風速作用下的風力發(fā)電機基礎不會發(fā)生疲勞破壞.

4 討論

由于隨機風荷載引起的風力發(fā)電機基底壓力曲線的波動較大，并且不具有規(guī)律性，所以在繪制滯回曲線時滯回圈的形狀并不圓潤，在計算面積時會有較大的誤差，所以本文沒有進行分析.

受篇幅限制，本文選用的動荷載單一并且具有一定的局限性，有待在今后進行更加系統(tǒng)的分析.

5 結論

通過對黃家侖地區(qū)的殘積土進行了一系列的室內土工試驗和三軸試驗，分析了其物理力學特性，得出以下主要結論：

(1)黃家侖地區(qū)的殘積土屬于砂礫質黏性泥沙質巖殘積土；

(2)圍壓的提升能在一定程度上提升土體的靜抗剪強度，但黃家侖地區(qū)殘積土受土體承載力影響，圍壓對抗剪強度的提升存在邊際效應；

(3)動荷載作用下，淺層土體的抗剪強度得到顯著提升，但對于深層土體的影響有限；圍壓的提升對動強度的提升十分明顯，主要約束了加載后期試樣顆粒里的位移；在基底壓力作用下的土體動彈模不隨圍壓發(fā)生明顯變化；動泊松比分布呈離散分布，分布范圍為0.33～0.37；

(4)疲勞荷載對黃家侖地區(qū)殘積土的應變影響有限，土體不會出現(xiàn)大幅形變；

(5)此區(qū)域殘積土在天然狀態(tài)下處于硬塑狀態(tài)，靜荷載作用下的抗剪強度較大，并且在基底壓力作用下抗剪強度會得到進一步提升，可以考慮作為風力發(fā)電機的持力層.