非飽和絹云母片巖殘積土動力特性試驗分析

夏 雨， 張慶文， 李重陽， 劉 歡， 聶廣影， 徐國林

(西南林業大學土木工程學院， 昆明 650224)

大臨鐵路作為中國面向東南亞和南亞文明對話和經濟交流的前沿窗口和重要通道，對于落實“一帶一路”倡議和孟中印緬經濟走廊戰略，打開中國和云南面向印度洋的大物流通道具有戰略意義，絹云母片巖殘積土廣泛分布于大臨鐵路沿線淺層地表，因其風化程度高，遇水易濕化、崩解等特性，對沿線的工程設計與施工建設帶來嚴峻的挑戰。隨著工程建設的不斷推進，動荷載下工程病害時有發生，如路基開裂、邊坡失穩及車輛荷載下殘積土液化等現象。如何保證大臨鐵路沿線及其周邊配套建筑設施在動荷載作用下安全建設和后續的健康運營，對工程建設人員及科研人員都是一個重點難點問題。

土的動剪切模量與阻尼比作為描述土體動力特性的重要參數，是分析和評估構筑物場地動力穩定性不可或缺的內容。一些學者基于此對鹽漬土、膨脹土、黃土等的動力參數做了深入研究。趙福堂等[1]針對路基鹽漬土開展了室內動三軸試驗，研究了鹽漬土在室內溫度變化條件下動應力-動應變及動剪切模量的變化規律，指出溫度的變化及動荷載頻率的增加對鹽漬土的動力特性參數影響較大。劉斌等[2]通過室內動三軸試驗測定了重復荷載作用下非飽和黃土的動力參數及動本構關系，指出其動應力動應變關系可用雙曲線模型表達，各類因素的影響對動彈性模量及阻尼比的影響較大。文少杰等[3]分析了在循環荷載作用下含水率及固結圍壓對海東地區原狀黃土的動剪切模量與阻尼比的影響，發現當超過一定循環次數后含水率與固結圍壓對其動力參數影響顯著。王志杰等[4]對重塑黃土在預剪應力的作用下，研究了土的干密度對其動剪切模量和阻尼比的影響。黃志全等[5]利用英國GDS公司生產的固定-自由型共振儀(RCA)對非飽和膨脹土進行了動力特性試驗，研究了在不同自由膨脹率下非飽和膨脹土的動剪切模量和阻尼比的變化規律。陳國興等[6]、劉雪珠[7]利用共振柱試驗研究了南京地區新近沉積土的動力特性規律，詳細探討了圍壓大小，剪應變水平，土的顆粒組成和結構性對土的剪切模量及阻尼比的影響，并給出了動剪切模量比、阻尼比與動剪應變的試驗曲線。白玉等[8]應用共振柱試驗研究了兩類黏土動剪切模量和阻尼比隨剪應變和固結圍壓的變化規律，并結合了雙曲線模型與前人的研究進行了對比，驗證了其試驗的正確性。蔡輝騰等[9]對福州地區6類典型土進行了室內共振柱試驗，詳細探討了土的性質及固結圍壓對其動力參數的影響。

對于絹云母片巖殘積土而言，其主要由粒狀變晶石英及白云石組成，其物理力學性質異于其他殘積土。當前對于非飽和狀態下絹云母片巖殘積土的動力特性尚不明確，基于此，對分布于大臨鐵路白石頭試驗段的絹云母片巖殘積土開展室內共振柱試驗，測定其動力參數，并研究不同含水率、干密度及固結圍壓對動剪切模量及阻尼比的影響，從非飽和微觀角度對影響機理進行解釋，以期為后續工程場地設計及地震安全評估提供理論依據和技術參考。

1 試驗方案

1.1 試驗儀器

試驗采用江蘇永昌科教儀器制造有限公司生產的GZZ-50型電磁激勵式共振柱試驗儀，該儀器可在土樣未破損的小應變范圍內(10-6～10-4)測定土樣的動剪切模量和阻尼比。試樣為直徑50 mm、高100 mm的實心土柱，采用自由振動法。共振柱系統裝置組成如圖1所示。

圖1 GZZ-50型電磁激勵式共振柱試驗儀

1.2 試驗土樣及物理力學參數

根據《云南省區域地質志》[10]，絹云母片巖殘積土的母巖屬于下古生界瀾滄群絹云母片巖、絹云母石英片巖夾炭質絹云片巖，主要由石英、白云母等礦物組成，遇水后觸摸具有柔滑膩感，且具有油脂、蠟狀或絲絹光澤。

試樣取自云南省大臨鐵路白石頭試驗段的強風化絹云母片巖殘積土，多呈灰色。對絹云母片巖殘積土進行電鏡掃描，發現石英已完全重結晶呈他形粒狀，具波狀消光，顆粒之間彼此鑲嵌。片狀變晶白云母、綠泥石斷續-連續定向排列構成片狀結構，它形粒狀白云石不均勻分布于石英粒間。取樣示意圖及電鏡掃描結果如圖2所示。

圖2 絹云母片巖殘積土及其天然狀態下掃描電鏡(SEM)圖像

根據《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—2019)[11]，對絹云母片巖殘積土進行基本物理力學試驗，其物理性質指標如表1所示。

表1 絹云母片巖殘積土的基本物理參數

1.3 試驗方案

試驗在控制含水率及干密度條件下，通過加載不同固結圍壓測定土樣的動剪切模量及阻尼比。試驗方案如表2所示。

表2 試驗方案

2 試驗結果及分析

2.1 動剪切模量

2.1.1 固結圍壓對動剪切模量的影響

圖3給出了在4種圍壓下試樣的動剪切模量Gd與動剪應變γd的關系曲線。

如圖3所示，不同固結圍壓下Gd隨γd的不斷增大呈衰減趨勢。在小應變范圍內，當10-6<γd<10-5時，Gd基本不隨γd的增大而發生變化，當γd>10-5時，Gd隨γd的增大而迅速減小。這是由于當應變幅值較小時，土體呈彈性變形狀態；隨著動剪應變的不斷增加，非飽和絹云母片巖殘積土的應力-應變關系逐步向非線性過渡，動剪切模量的衰減趨勢陡然增大，動剪應變越大，動剪切模量衰減速率越大。

圖3 各級固結圍壓下 Gd-γd 關系曲線

當γd相同時，Gd隨著固結圍壓的增大而增大。這主要是由于在各級固結圍壓下土體的孔隙比隨著固結圍壓的增大先是緩慢降低，當土體到達屈服強度后迅速下降，絹云母片巖殘積土內部的片狀結構在固結圍壓的逐步增大下易破碎，造成內部土顆粒重組，固結圍壓逐漸加大，土顆粒間的咬合力及膠結面積逐步增大，土體變得越來越密實，土顆粒間相對錯動變得困難，使得土體抗剪能力增強，動剪切模量變大；此外，隨著固結圍壓的增大，絹云母片巖殘積土的相對密度變大，土顆粒間的孔隙變小的同時使得應力波在粒間的傳播速度加快，從而使動剪切模量變大。

2.1.2 含水率及干密度對動剪切模量的影響

如圖4所示，當含水率較低時，Gd較小；含水率逐漸增加，Gd逐漸提高。到界限含水率時，Gd到達最大值。此后隨著含水率繼續增加，Gd逐漸衰減。

圖4 含水率對Gd 的影響

該類型土壤含水率對動剪切模量的影響趨勢與一些學者的研究成果截然不同[12-13]，其原因在于：土顆粒間存在濕吸力，與表征土體負壓力勢的基質吸力不同，該吸力與土顆粒結構吸力共同構成土顆粒粒間吸力[14-16]。對于絹云母片巖殘積土而言，含水率較低時，作用在土顆粒間懸掛孔角毛細水的濕吸力較小，由此產生的總有效應力較小。

由于絹云母片巖殘積土內部呈片狀結構，當含水率逐漸增加，其內部孔隙通道迅速發展，懸掛狀的毛細水會由此連通成為索狀的水氣運移通道，此時濕吸力隨前進接觸角的增大而增大，土體總有效應力逐漸增大，抗剪強度由此提高。從圖4可看出各級圍壓下殘積土動剪切模量均在含水率為6%～10%出現峰值，定義峰值對應的含水率為臨界含水率ωlim，濕吸力為最大值，此時動剪切模量達到最大值。此后動剪切模量隨著含水率的增加而單調下降，這是由于該土樣主要由粒狀變晶石英和片狀變晶狀白云母構成，隨著含水率的逐漸增加，土體發生濕化破壞，抗剪能力逐漸下降。

圖5給出了ω=8.55%時不同干密度下Gd隨γd變化的關系曲線。在同一固結圍壓和含水率條件下，γd相同時Gd隨干密度的增大而增大，干密度愈大，其土體結構愈密實，內部孔隙通道相應減少，土體粒間接觸面積增大，使得土體難以發生相互錯動，抗剪強度隨之增強，動剪切模量也隨之增大。

圖5 不同干密度條件下 Gd-γd、D-γd關系曲線

2.1.3 動剪切模量比與動剪應變的關系

為初始動剪切模量(或最大動剪切模量)；τy為最大剪切強度。

(1)

將式(1)兩邊同時除以Gd得到動剪切模量比表達式為

(2)

為了便于比較不同圍壓及不同含水率下殘積土土體Gd隨γd變化規律，通常將Gd隨γd的衰減關系曲線進行歸一化處理即動剪切模量比，各級圍壓下Gd/G0-γd關系擬合曲線如圖6所示。

圖6 各級固結圍壓下 Gd/G0-γd關系擬合曲線

由圖6可知，該土樣在各級圍壓下的動剪切模量比Gd/G0與動剪應變γd關系曲線大致相同，試驗點離散性較小，其落點分布帶較窄，說明該模型對試驗數據的擬合性較好，H-D模型能較好地反映非飽和絹云母片巖殘積土動剪切模量與動剪應變之間的關系。

2.1.4 初始動剪切模量

初始動剪切模量G0是指在小應變條件下時的剪切模量，其實質是土體處于完全彈性狀態下的剪切模量。G0能夠反映土體的極限動強度勢能和土體在彈性閾值范圍內線彈性特征[18]。利用式(2)得到各級固結圍壓下G0值，然后采用Seed室內初始動剪切模量經驗關系式[19]對非飽和狀態下絹云母片巖殘積土的初始動剪切模量與不同固結圍壓的關系進行擬合。其表達式為

(3)

式(3)中：σ0為固結圍壓；Pa為標準大氣壓強值；kp、n為試驗擬合參數。

由圖7可知，隨著σ0的增加，G0隨著其非線性增加，說明Seed模型能較好地反映出絹云母片巖殘積土初始動剪切模量G0隨固結圍壓的非線性增幅趨勢。

圖7 各級固結圍壓下 G0散點圖及擬合曲線

2.2 阻尼比

2.2.1 阻尼比與動剪應變的關系

阻尼比用于描述土體等材料承受動載時其幅值的衰減快慢，阻尼比越大，說明動荷載衰減得越快，土體介質耗散動載能量的性能越強。

由圖8看出，當10-6<γd<10-5時，阻尼比D值較小且幾乎不隨γd變化，D-γd關系曲線呈線性狀態；當γd時，D隨γd的增大而迅速增大。這是由于在γd較小時，殘積土土體近似于完全彈性體，加之殘積土內部為片狀結構，動荷載應力波在土體內部傳播時基本不消耗能量；γd逐漸增大，意味著土顆粒開始重組，顆粒間易出現相對滑移，使得動荷載應力波在土體內部的傳播阻力增大，所消耗的能量越來越多，導致阻尼比D變大。

圖8 各級固結圍壓下 D-γd關系曲線

固結圍壓對阻尼比D的影響并不明顯，不同固結圍壓下D-γd關系曲線集中分布在狹長的分布帶內，離散型較小，γd相同時D隨固結圍壓的增大有減小的趨勢，這是由于隨著固結圍壓的增大，土體趨于密實，非飽和狀態下的水氣運移通道逐漸變窄，顆粒間接觸面增大，使得動荷載應力波在顆粒間的傳播路徑變多，所損耗的能量變少，表現為阻尼比的減小。

2.2.2 含水率及干密度對阻尼比的影響

為探究含水率對D的影響，采用由陳興國等[20]提出的阻尼比經驗模型對不同含水率的D-γd關系進行描述：

D=Dmin+D0(1-Gd/G0)n

(4)

式(4)中：n、D0為與土壤性質有關的擬合參數；Dmin為對應于土體初始動剪切模量D0的土體最小阻尼比。

通過圖9可以看出，含水率對D的變化規律影響顯著，D隨含水率的增大而逐漸增加，且含水率越大D的增幅越明顯。這是由于含水率的增加，土顆粒間的結合水膜增加，顆粒間容易出現相對滑移，使動荷載應力波傳播的阻力增大，阻尼比增大。通過擬合曲線可以看出，在高圍壓下含水率較高時D-γd關系曲線有重合的趨勢，這是由于在高圍壓下由母巖微結構及礦物膠結力所帶來的粒間結構吸力減弱，絹云母片巖殘積土在超過一定的含水率后，土體微觀結構受損，濕化破壞嚴重，土顆粒間重組后含水率對阻尼比的影響減弱。

圖9 不同含水率下 D-γd 關系曲線及擬合曲線

由圖5可知，γd相同時，D隨干密度的增大而減小。干密度越大，土體越密實，內部孔隙通道相應減少，土顆粒接觸面積變大，土顆粒間難以發生相對滑移，動荷載應力波在顆粒間的傳播路徑增多，在孔隙中傳播的路徑減少，對應的土體中損耗的能量變少，土體阻尼比變小。

3 結論

以大臨鐵路白石頭試驗段的強風化絹云母片巖殘積土為研究對象，利用GZZ-50型電磁激勵式共振柱試驗儀研究并分析了含水率、干密度及固結圍壓對動剪切模量、阻尼比的影響，其結果表明：

(1)小應變范圍內(10-6<γd<10-4)，絹云母片巖殘積土在不同固結圍壓下動剪切模量Gd隨動剪應變γd的增大呈衰減趨勢，γd相同時Gd隨干密度的增大而非線性增加。含水率對Gd影響顯著，存在一界限含水率ωlim，當含水率小于ωlim時，Gd隨含水率的增大而逐漸增加，到達ωlim后Gd隨含水率的增加而逐漸衰減。

(2)阻尼比D隨動剪應變γd的增大呈非線性增加，固結圍壓對D的影響不明顯，但隨固結圍壓的增大D有減小的趨勢，γd相同時D隨干密度的增大而減小。D隨含水率的增大而逐漸增加，含水率越大D的增幅越明顯。

(3)Hardin-Drnevich模型及選用的阻尼比經驗模型能較好地反映動剪切模量比Gd/G0和D隨γd的變化規律。由于土體微觀結構的受損及粒間結構吸力的減弱，在高圍壓、高含水率時D-γd關系曲線有重合的趨勢。