動三軸試驗在武漢地鐵二號線勘察中的應用與分析

王瑞芳，張三定，龔福洪，李勇泉

(1.武漢科技大學 城建學院 土木系，武漢 430070;2.長江巖土工程總公司，武漢 430010;3.武漢大學 土木建筑工程學院，武漢 430072)

1 工程概況

武漢市軌道交通二號線一期工程從常青花園北起，穿過張公堤，經漢口火車站，沿青年路、解放大道、江漢路，在武漢關穿長江，至武昌四棉，沿和平大道、中山路，穿小龜山到洪山廣場和中南路，沿武珞路、卓豹路到終點魯巷廣場，正線全長約27 km。全線除車輛段及相應出入線為地面線外，其余段均為地下隧道。在循禮門站場地分布飽和砂土和粉土，根據要求對本區段地基土進行液化判別。

2 試樣情況

2.1 取樣情況

試樣取自武漢軌道交通2號線一期工程Ⅲ標段工程場地，共六組，具體描述如下:①D-1:取樣深度17.2～17.4 m，灰色粉質黏土，軟塑態，試樣天然重度為19.05 kN/m3;②D-2:取樣深度19.2～20.1 m，灰色粉質細砂，試樣天然重度為21.16 kN/m3;③D-3:取樣深度22.00～22.2 m，灰色粉質細砂，其試樣天然重度為21.56 kN/m3;④D-4:取樣深度28.2～28.4 m，黃褐色粉質細砂，試樣天然重度為19.63 kN/m3;⑤D-5:取樣深度31.4～31.6 m，黃褐色粉質細砂，試樣天然重度為19.45 kN/m3;⑥D-6:取樣深度37.6～37.8 m，灰色粉質黏土，軟塑態，有粉細砂夾層，試樣天然重度為19.56 kN/m3。

2.2 試驗內容和要求

進行動模量和阻尼比試驗，求取土在動荷載作用下的動應變、動模量和阻尼比，最大動模量和最大阻尼比，以及試驗參數 a、b。試驗固結壓力根據取樣深度確定，固結應力比KC=1.0;振動頻率f=1 Hz;振動波型為正弦波。

2.3 試驗設備

試驗儀器采用日本誠研舍株式會社制造的DTC-306型電液伺服控制振動三軸儀，如圖1所示。其主要技術參數如下:頻率為0.01～100.00 Hz，最大軸向荷載5 000 kN，最大圍壓1 MPa，控制方式有應力控制式或應變控制式，采用正弦波形，相位差為0°～360°，可以單獨或同時在軸向和側向施加動荷載。試驗尺寸為 φ 39.1 mm，高 h為 80 mm。

圖1 電液伺服控制振動三軸儀

圖2 滯回圈

2.4 試驗過程

1)試樣制備:將試樣制備成直徑50 mm，高100 mm的圓柱狀試樣。

2)試樣飽和:對黏土和粉質黏土試樣采用真空抽氣飽和方法，測定試樣的飽和度。

3)試樣固結:根據試樣的取樣深度，施加有效固結壓力，進行固結，黏土和粉質黏土試樣固結完成的時間為8～10 h。

4)施加軸向動荷載:按由小到大的順序逐級施加動荷載，直到試樣破壞，每級動荷載下振動10個循環，采用X-Y記錄儀記錄每級動荷載下的應力應變滯回圈。每級加荷后，下級加荷前消除試樣內的殘余孔隙水壓力增量。

3 試驗成果

3.1 阻尼比的計算

將土當作黏彈性體時，一般用重復加載卸載滯回曲線法來確定土的阻尼比。用動三軸試驗的資料在一個周期內整理出軸向動應力與動應變的關系曲線，稱為滯回圈。對選取的滯回曲線擬合為橢圓，則橢圓長軸的斜率為動彈性模量，長軸與橢圓交點坐標為動應力幅值和動應變幅值，如圖2所示。阻尼比計算方法如式(1)

AL為滯回圈面積，表示加載與卸載損失的能量;AT為滯回圈頂點至原點連線與橫軸形成的直角三角形的面積，表示加載或卸載的應變能;a、b分別為橢圓長軸、短軸長度;εd、σd分別為軸向動應變和動應力。

3.2 動應力與動應變關系分析

圖3為動應力σd和動應變εd在不同圍壓作用下的關系。由圖3可知，動強度隨圍壓呈非線性增長，增長速率逐漸減緩;小應變情況下，應力隨應變的增長較快，動彈性模量Ed計算公式為Ed=σd/εd，Ed變化較大;隨著應變的增長，應力與應變關系趨于穩定，即動彈性模量不再增長。

圖3 σd—εd關系曲線

3.3 不同圍壓下γ—G/Gmax的關系

土的動剪切模量的退化，通常以動剪切模量比G/Gmax與動剪應變幅值 γ之間的關系表示，即 G/Gmax=1/(1+ γ/γγ)，γγ為參考剪應變。

圖4 γ—G/Gmax關系曲線

從圖4可以看出，隨著剪應變γ的增大，G/Gmax逐漸減小。當剪應變γ<0.025，G/Gmax降低幅值很快;當γ≥0.025時，G/Gmax逐漸趨于穩定。在相同剪應變下，隨著圍壓的增大，相應的G/Gmax也大些。

γ—G/Gmax非線性關系曲線對土層地震反應分析的結果影響顯著，對于小震，地表加速度反應譜中特征周期的影響比對地震影響系數的影響更敏感一些;對于大震，則地表加速度反應譜中地震影響系數的影響比對特征周期的影響更敏感一些。

3.4 阻尼比λ與動應變εd的關系曲線

動應變對阻尼比λ有顯著的影響，λ隨著動應變的增大而增大。這是因為動應變越大，土體內阻消耗能量越多，因此阻尼比會變大。但阻尼比隨動應變的增幅卻是不同的。在小應變幅下，λ—εd曲線較陡，λ增長較快;而隨著動應變的增大，λ增長趨于平緩，逐漸趨于一個定值λmax。

同時，在相同應變下，阻尼比 λ隨著固結壓力 σ3圍壓的增大而有所減小，但減小幅度不均。圖5中三條曲線所示，在試驗開始階段，在相同應變下，λ在不同圍壓下取值相差不大，尤其是 σ3=250 kPa，300 kPa，350 kPa的曲線幾乎重合。但是隨著應變的發展，σ3對阻尼比的λ影響就逐漸明顯起來，相同應變條件下，低圍壓情況下的λ明顯大于高圍壓情況下的λ。

圖5 λ—εd關系曲線

3.5 阻尼比λ與剪應變γ的關系曲線

圖6 λ—γ關系曲線

剪應變幅值對動剪切模量比和阻尼比值有很大的影響。如圖6所示，隨剪應變幅值的增大，動剪切模量比減小，阻尼比增大。在相同應變下，阻尼比λ隨著固結壓力σ3圍壓的增大而有所減小，但減小幅度不均。當圍壓為150 kPa時，阻尼比在0.18～0.23范圍內變動，當γ≤0.02，阻尼比增大，γ>0.02，阻尼比逐漸減小;隨著圍壓的增大，阻尼比逐漸減小。

4 場地液化判別

場地分布飽和砂土和粉土，根據要求對本區段地基土進行液化判別。由于場地中粉土的黏粒含量為13.2%～27.3%，符合在地震烈度7度情況下黏粒含量不小于10%的條件，可判為不液化土。

5 結論

本文通過室內動三軸試驗，分析圍壓土的動力特性的影響，得到了一些結論:

1)圍壓對粉砂、粉土的動強度有明顯的影響，粉砂、粉土的動強度、動彈性模量隨著圍壓的增大都有明顯的提高;隨著圍壓的增大，相應的最大動應變減小。

2)隨著剪應變γ的增大，G/Gmax逐漸減小，當剪應變 γ<0.025，G/Gmax降低幅值很快;當γ≥0.025時，G/Gmax逐漸趨于穩定。

3)動應變對阻尼比λ有顯著的影響，λ隨著動應變的增大而增大。在小應變幅下，λ—εd曲線較陡，λ增長較快;而隨著動應變的增大，λ增長趨于平緩，逐漸趨于一個定值λmax。

4)隨剪應變幅值的增大，動剪切模量比減小，阻尼比增大。在相同應變下，阻尼比λ隨著固結壓力σ3圍壓的增大而有所減小，但減小幅度不均。

5)在地震烈度7度情況下，場地中飽和砂土和粉土的黏粒含量超過10%，可定為非液化土。

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