振動頻率對重塑粉質黏土動力響應特性的影響

吳 豪 鄧全勝 張國棟 謝 強

(1. 三峽大學 湖北長江三峽滑坡國家野外科學觀測研究站， 湖北 宜昌 443002；2. 三峽大學 三峽地區地質災害與生態環境湖北省協同創新中心， 湖北 宜昌 443002； 3. 三峽大學 湖北省地質災害防治工程技術研究中心， 湖北 宜昌 443002)

動荷載作用下土體動力響應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)；二是初始應力條件；三是加載條件(應力水平或動應力幅值、動載波形、頻率、持續時間及作用方向等)．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定性評價、土體變形控制的關鍵指標．由于不同類型的土，其動力響應具有顯著的差異，不同的學者開展了不同類型土體的動力響應研究．

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果表明，循環次數一定情況下，加荷頻率越低(0.02～0.5 Hz)，產生的孔隙水壓力和軸向應變越大．章克凌、許才軍等[2-4]對飽和黏土的孔壓增長特性進行了研究，正常固結飽和黏土，在確定的循環剪應力作用下，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，發現振動頻率(0.2～5 Hz)對重塑土孔壓發展影響較小，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．對于粉質黏土，其物理力學特性與黏性土有本質差異，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黏土累計變形、動模量和孔壓發展特性的影響研究，為粉質黏土在工程設計中的應用提供參考．

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樹坪滑坡的東側滑帶土．按照土工試驗規程推薦的方法對土樣進行采集、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見表1．該土樣為粉質黏土．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

1.2 試驗方案

試驗儀器采用陜西力創研發的應變控制式的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24 h后關閉排水閥．循環荷載試樣采用應力控制加載方式，加載波形由伺服系統生成，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，循環應力幅值為100 kPa，固結比取1.0．加載過程中，加載次數、軸向壓力、孔壓、軸向變形等數據由電腦采集處理．以試驗軸向累計變形5%為破壞標準，進行試驗結果分析．

2 試驗結果與分析

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與軸向累計變形關系曲線

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到穩定與振動頻率和作用的時間有關．振動頻率越小，試樣軸向累計變形越大．圖2反映隨振動次數的增加，土體的變形不斷增大，并最終趨于穩定，振動頻率越低，變形達到穩定狀態的所需次數越少，累計變形越大．當振動頻率為2 Hz時，振動次數達N=1 500以后趨于穩定，穩定時變形為12.5%，當振動頻率為5 Hz時，振動次數達N=2 500以后趨于穩定，穩定時變形為10%，當振動頻率為6 Hz時，振動次數達N=4 000以后趨于穩定，穩定時變形為8.9%．若以變形5%為破壞標準，頻率為2Hz時達到破壞需要N=250次，頻率為5Hz時達到破壞需要N=400次，頻率為6Hz時達到破壞需要N=750次．

圖3表示飽和粉質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系，隨著振動頻率的增大，達到變形穩定時的變形值減小．出現這一現象的原因是：頻率越高，振動越快，試樣固結程度越高，孔隙比越小，試樣越穩定，在相同動應力作用下，累計變形越小．

圖3 不同振動頻率與最大軸向累計變形關系

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作用下飽和粉質黏土累計孔壓發展的時程曲線和孔壓比隨振動次數的變化曲線．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展較為類似．振動頻率為2 Hz和5 Hz時，累計孔壓的發展在設定的振動次數范圍內達到穩定，其值分別在120 kPa和100 kPa左右，而振動頻率為6 Hz時，累計孔壓的發展在設定的振動次數內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與孔壓比關系

圖5反映振動頻率對孔壓比的影響，隨著振動次數的增加，孔壓比先增加，其中，在頻率為2 Hz時，孔壓比發展較快，在頻率6 Hz時，孔壓比發展較為緩慢，振動頻率越高，孔壓比增長越慢．通過對試驗數據分析，當振動頻率為2 Hz時試樣孔壓達到穩定時動孔壓比為0.6；頻率為5 Hz時試樣孔壓達到穩定時的孔壓比約為0.53；當振動頻率為6 Hz時，隨著振動次數的增加，孔壓增長最慢，振動次數超過N=20 000次時，隨著振動次數的增加，孔壓仍在緩慢增加．本文的試驗結果與文獻[5，7-9]中一些黏性土孔壓的發展模式有相似之處．即粉質黏土中含有一定粘粒，滲透系數較小，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，試樣有吸水現象，表現在圖形上即孔壓比越小，斜率越小．

2.3 振動頻率對動彈性模量的影響

圖6為固結圍壓200 kPa，動應力幅值100 kPa，在振動頻率為2 Hz、5 Hz和6 Hz作用下飽和粉質黏土的動彈性模量隨軸向累計動應變的變化曲線．圖中3組動彈性模量的發展高度重合，隨著累計動應變的發展，土體動彈性模量在初期迅速減小，表現出應變軟化的性質，當累計動應變超過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小．

圖6 不同頻率下動應變與動彈性模量關系

3 結 論

通過對三峽庫區樹坪滑坡重塑飽和粉質黏土進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，得出以下結論．

1)振動頻率越高，變形達到穩定狀態的所需次數越少，累計變形也越小．

2)振動頻率越高，孔壓增長越慢，達到穩定時孔壓比越小．

3)振動頻率對動彈性模量的發展影響不大，隨著振動次數的增加，土體動彈性模量不斷減小，當動應變超過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．飽和軟粘土在循環荷載作用下的孔壓預測[J]．巖土力學，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荷載作用下孔隙水壓力模型的建立[J]．上海地質，1997(3)：16-21．

[4] 許才軍，周紅波．不排水循環荷載作用下飽和軟粘土的孔壓增長模型[J]．勘察科學技術，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，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]．天津大學學報，2013,46(1)：38-43．

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

[8] 卓 莉，黨進謙，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性能的影響[J]．自然災害學報，2007，16(6)：204-208．