殘積土含水率對其動力特性影響試驗研究①

殘積土含水率對其動力特性影響試驗研究①

胡華, 蔡亮

(廈門大學建筑與土木工程學院，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微機控制電液伺服動態三軸測試系統，在呈正弦變化的動態荷載作用下，測試含水率分別為10%、15%、20%和23%時殘積土試樣的動應力-應變、動變形-作用時間(作用次數)、動彈性模量等動力學特性曲線與參數。分析試驗數據表明：試樣在動荷載作用下表現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，最大動彈性模量降低幅度不大。

關鍵詞：殘積土； 含水率； 動三軸試驗； 動力特性； 彈性模量

收稿日期：①2014-08-20

基金項目：國家自然科學

作者簡介：胡華，男，教授，從事巖土力學、巖土工程減災、地質災害防治等方面的教學和科研工作。E-mail:xmhuh@xmu.edu.cn。

中圖分類號:TU411.8文獻標志碼：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

廈門地區位于中國東南沿海，瀕臨臺灣海峽，而臺灣海峽多臺風暴雨，中小地震活動頻繁。廈門地區廣泛分布著燕山期花崗巖和侏羅紀火山巖，區域地質構造以斷裂構造為主，斷裂帶及附近場地內基巖構造裂隙發育、巖體破碎，抗風化能力弱，巖體的風化作用能向縱深發展，因此花崗巖殘積土在廈門地區廣泛分布[1-3]。花崗巖殘積土孔隙比大、承載力較高，但結構性強，受地震等動態荷載擾動和降雨滲流作用后，軟化崩解快，強度急劇降低，導致嚴重地質災害和各種工程破壞。隨著廈門各類基礎設施和巖土工程建設項目的增多，巖土動力學特性和巖土工程防災減災等問題日益突出。熊偉等[4]研究了動荷載作用下飽和砂土動剪模量；周健[5-6]等研究了飽和層狀砂土液化特性的動三軸試驗及細粒含量對飽和砂土液化特性的影響；楊慶[7]等進行了非飽和粉土靜、動強度對比試驗；何曉民[8]等進行了武漢砂土動剪切模量與阻尼比的試驗。本文擬系統開展動態荷載作用下軟弱巖土動態流變力學特性、動態流變損傷力學模型、流變損傷演化規律等研究，以分析含水率對殘積土的動應力-應變特性、動彈性模量等動力特性的影響。

1試驗測試設備與試驗方案

1.1試驗測試設備

采用SDT-10微機控制電液伺服動態三軸測試系統，該系統主要用于巖石、砂土、巖漿的軸向壓力和側向壓力的強度試驗、土動力學試驗，也用于測定細粒土和砂土的總抗剪強度和有效抗剪強度的參數。該設備采用兩套電液伺服做動器加載，分別實現軸向、側向加載功能；軸向、側向既可實現分別激振，也可實現復合激振；基于電液伺服控制技術，能實現正弦波、三角形、方波、梯形波、斜波、隨機波等多種波形試驗載荷譜；在軸向、側向以同種波形激振時，相位在為0°～360°內可進行自由調節；軸向、側向激振頻率為0～10 Hz；三軸壓力室壓力為0～1 MPa。 一套動阻尼、動彈性模量、動強度數據處理軟件。試驗控制軟件在Windows環境下運行，操作簡單，能完成試驗條件、試樣參數等的設置以及試驗數據處理。

1.2試驗方案

采集廈門某建筑工程地基淺層殘積土為試驗測試對象，制備含水率分別為10%、15%、20%和23%等四種重塑試樣，依據《土工試驗規程》要求進行試驗測試。試驗方法為動三軸固結不排水(CU)試驗。試樣尺寸為φ39 mm×80 mm，在試驗之前試樣都要經過飽和，且在固定圍壓下固結一個小時，在制備同一組試樣時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微機控制電液伺服動態三軸測試系統，動三軸圍壓設置為200 kPa，選呈正弦變化的動態荷載，動載作用頻率設置為1 Hz，振幅最大值為20 N。通過動三軸固結不排水加載試驗，得到試樣的動應力-應變、動變形-作用次數等關系曲線和動彈性模量，通過測試數據分析，得到不同含水率對試樣動力特性和動力學參數的影響規律。動三軸固結不排水(CU)試驗裝樣和試驗情況如圖1所示。

圖1　動三軸固結不排水(CU)試驗裝樣和試驗情況 Fig.1　Specimen and situation of the dynamic 　　　 triaxial consolidated undrained test

2試驗結果及分析

2.1試樣動應力-應變和滯回圈曲線分析

理想彈性體在動載荷作用下，其動應力和動應變的兩條波形線在時間上同步對應，但試驗土樣并非理想的彈性體，在動載荷作用下其動應力和動應變的波形并不同步，動應變波形線較動應力波形線有一定的時間滯后。試驗儀器數據處理程序將每一周期的振動波形按照同一時刻的應力和應變描繪到坐標上，得到動應力-應變關系曲線。重復動荷載作用下的動應力-應變曲線組成系列的應力-應變滯回圈。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，在相同動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，試樣在受動荷載過程中產生了不可恢復的塑性變形，且不斷積累增大，反映了試樣在動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程中能量耗損也越大。

2.2試樣軸向變形與動載作用次數的關系

試樣軸向變形與動載作用次數的關系曲線見圖3所示。由于系統內部的初始位置有偏差，因此有的圖形是從相對位置開始計算變形的，但是對于絕對變形差沒有影響。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系見圖4所示。根據回歸原理，其數學函數關系為：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應力-應變和滯回圈曲線(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載作用次數的關系 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 　　　曲線和函數關系 Fig.4　Relationship curve and functional relation between 　　　 specimen water content and axial deformation

2.3試樣含水率對動彈性模量的影響

試樣在動載作用的過程中，其動彈性模量可以通過滯回曲線得到，由每個滯回環可以得到一個動彈性模量，其表達式為:E=σmax/εmax；σmax和εmax分別是該滯回環的最大應力和最大應變。隨著振動周數的增加，滯回環不斷增大并且偏向應變軸，土樣結構強度趨于破壞，因此每一振動周期的滯回環不重合。隨著振動周期數的增加，土樣動應變不斷增大，而載荷振幅不變，動彈性模量逐漸減小[6-7]。通過動三軸試驗設備生成的數據，得到不同初始含水率情況下試樣動彈性模量隨動應變的變化曲線關系如圖5所示。

圖5　不同含水率試樣動彈性模量與動應變關系 　　　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，其動彈性模量都隨動應變的增大而逐漸減小，說明隨著加載過程的進行，土樣總的變形在逐漸增加，而產生單位應變所需的應力卻在減小；而且開始階段動彈性模量隨動應變的增加而減小速度較快，之后動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構在振動初期遭到破壞，變形量急劇增大。

在相同動應變條件下，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，水有利于土顆粒之間的連接和粘聯，能降低其松散性，提高其整體性和抗變形的能力，但含水量超過一定程度時，由于過量水的潤滑作用，土顆粒內部連接變弱，導致動彈性模量大幅度減少，試樣受動載作用后軟化變形明顯。但含水率由20%增至23%時，試樣最大動彈性模量降低幅度不大。

3結論

在相同動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，試樣在受動荷載過程中產生了不可恢復的塑性變形不斷積累增大，反映試樣在整個動態加載過程中表現出黏彈塑性變形特性，且隨著含水率增大，變形過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定性。

對不同含水率試樣，其動彈性模量都隨動應變的增大而逐漸減小，而且開始階段動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。在相同動應變條件下，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，試樣最大動彈性模量降低幅度不大。

參考文獻(References)

[1]胡華.動載作用下淤泥質軟土流變模型與流變方程[J].巖土力學,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.淤泥質軟土動態流變特性與流變參數研究[J].巖土力學, 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.動載作用頻率對海相沉積軟土動態流變力學特性影響試驗研究[J].巖土力學,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.動荷載作用下飽和砂土動剪模量試驗研究[J].地震工程與工程振動,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三軸試驗研究[J].巖土力學,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.細粒含量對飽和砂土液化特性的影響[J].水利學報,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、動強度對比試驗研究[J].巖土力學,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,張婷.武漢砂土動剪切模量與阻尼比的試驗研究[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)