團(tuán)粒尺寸對(duì)飽和紅黏土動(dòng)力特性影響試驗(yàn)研究

摘要： 廣泛用于路基填料的紅黏土容易膠結(jié)成不同團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，從而對(duì)土體的動(dòng)力特性產(chǎn)生重要影響。為探究團(tuán)粒尺寸對(duì)飽和紅黏土動(dòng)力特性的影響，運(yùn)用GDS動(dòng)三軸儀對(duì)最大團(tuán)粒尺寸Dmax分別為5.0＼，2.0和0.5 mm制備的飽和壓實(shí)樣，開(kāi)展不同循環(huán)應(yīng)力比的循環(huán)荷載不排水三軸試驗(yàn)，以探究土體的動(dòng)軸向應(yīng)變、動(dòng)彈模量以及阻尼比隨團(tuán)粒尺寸的演化規(guī)律。具體結(jié)論如下：（1） 累積動(dòng)軸向應(yīng)變隨循環(huán)次數(shù)增多而增大的演化規(guī)律主要集中于循環(huán)次數(shù)為200次的范圍內(nèi);累計(jì)動(dòng)軸向應(yīng)變隨循環(huán)應(yīng)力比的增大呈指數(shù)型增長(zhǎng)。（2） 考慮容許循環(huán)應(yīng)力比之前，越大團(tuán)粒尺寸制備試樣所產(chǎn)生的累積動(dòng)軸向應(yīng)變?cè)酱?考慮容許循環(huán)應(yīng)力比之后，越大團(tuán)粒尺寸制備試樣所產(chǎn)生的累計(jì)動(dòng)軸向應(yīng)變反而越小。（3） 不同團(tuán)粒尺寸試樣在同一循環(huán)應(yīng)力比作用下，土體動(dòng)彈模量和阻尼比隨振動(dòng)次數(shù)的增加逐漸趨于一致，表明團(tuán)粒尺寸只在循環(huán)荷載作用初期對(duì)動(dòng)彈模量和阻尼比產(chǎn)生重要影響。

關(guān)鍵詞： 飽和紅黏土; 動(dòng)三軸試驗(yàn); 團(tuán)粒尺寸; 循環(huán)應(yīng)力比; 動(dòng)力特性

中圖分類號(hào)： P319.56""""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A"" 文章編號(hào)： 1000-0844（2025）02-0270-11

DOI：10.20000/j.1000-0844.20230731001

Experimental study on the effect of aggregate size on the

dynamic characteristics of saturated red clay

CHEN Bo^1，2， YANG Tianchen1， JIN Pan2

（1. School of Civil Engineering， Anhui Jianzhu University， Hefei 230601， Anhui， China;

2.College of Civil Engineering and Architecture， Quzhou University， Quzhou 324000， Zhejiang， China）

Abstract：

The use of red clay， a widely-used material for subgrade-filling， easily results in the formation of an aggregate structure with different sizes， which means it has an important influence on the dynamic characteristics of soil. With the goal of investigating the effect of aggregate size on the dynamic characteristics of saturated red clay， a series of consolidation-undrained dynamic triaxial tests under different cyclic stress ratios were conducted in this study on compacted specimens prepared with different aggregate sizes （Dmax =5.0， 2.0 and 0.5 mm） using the dynamic triaxial apparatus GDS. The evolution of dynamic axial strain， dynamic elastic modulus， and damping ratio with aggregate size was analyzed. Several key findings are obtained. （1） The obvious increase in cumulative dynamic axial strain with increasing cyclic number is concentrated within the first 200 cycles， and such axial strain exhibits exponential growth as the cyclic stress ratio increases. （2） The more cumulative dynamic axial strain is observed from specimens prepared with larger aggregate sizes before the allowable cyclic stress ratio. In comparison， more cumulative dynamic axial strain is observed from specimens prepared with smaller aggregate sizes after the allowable cyclic stress ratio. （3） Under the same cyclic stress ratio， the dynamic elastic modulus and damping ratio of specimens with different aggregate sizes， almost align with the same growth tendency as the vibration times increased， thus indicating that the influence of aggregate size on dynamic elastic modulus and damping ratio is only obvious in the initial stage of cyclic loading.

Keywords：

saturated red clay; dynamic triaxial test; aggregate size; cyclic stress ratio; dynamic characteristics

0 引言

紅黏土是碳酸鹽類巖石，在亞熱帶溫濕氣候下，經(jīng)過(guò)風(fēng)化、殘積、坡積或殘坡積而成的一種高塑性黏土，廣泛分布于我國(guó)云貴高原、廣西、鄂西、湘西等地區(qū)^［1］。紅黏土作為一種區(qū)域性特殊土，具有相對(duì)較好的變形、強(qiáng)度等力學(xué)特性。因此，紅黏土作為一種不錯(cuò)的天然填料，廣泛應(yīng)用于道路、鐵路等基礎(chǔ)設(shè)施的路基填筑工程^［2-3］。然而，紅黏土本身具有的強(qiáng)收縮性和水敏性等不良物理性質(zhì)，會(huì)對(duì)紅黏土路基的工程質(zhì)量產(chǎn)生重要影響，并引起工程事故的發(fā)生。尤其是紅黏土路基在長(zhǎng)期交通循環(huán)荷載作用下產(chǎn)生的不均勻沉降及路基失穩(wěn)破壞等工程問(wèn)題，已嚴(yán)重影響運(yùn)營(yíng)道路的行車安全^［4-5］。因此，為確保紅黏土路基的長(zhǎng)期穩(wěn)定，有必要深入探究紅黏土在長(zhǎng)期循環(huán)荷載作用下的動(dòng)力特性。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)土體的動(dòng)力特性開(kāi)展了廣泛的試驗(yàn)和理論研究，并取得了豐碩的研究成果，有效地應(yīng)用于工程實(shí)踐^［6-8］。在紅黏土方面，研究人員也對(duì)其動(dòng)力特性，開(kāi)展了卓有成效的試驗(yàn)和理論研究^［9-14］。然而，現(xiàn)有的紅黏土動(dòng)力特性研究成果主要分析了初始含水率、排水條件、固結(jié)度、應(yīng)力路徑、循環(huán)應(yīng)力比等因素對(duì)紅黏土動(dòng)力特性的影響。穆坤等^［9］運(yùn)用動(dòng)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)，研究了廣西紅黏土原狀樣在循環(huán)荷載下的動(dòng)力特性，分析其初始含水率對(duì)土體動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的影響，得到初始含水率的微小變化會(huì)極大地影響動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的結(jié)論。羅文俊等^［10］研究了南昌紅黏土重塑樣本在不同排水條件下的動(dòng)力響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)在同一循環(huán)應(yīng)力比下，不排水試驗(yàn)的動(dòng)軸向應(yīng)變始終大于排水試驗(yàn)的動(dòng)軸向應(yīng)變。這是由于在不排水條件下，產(chǎn)生的孔壓會(huì)導(dǎo)致土體的有效應(yīng)力減小，導(dǎo)致土體在循環(huán)荷載作用下產(chǎn)生更大的動(dòng)軸向應(yīng)變。楊果岳等^［11］研究了云南紅黏土重塑樣本在不同超固結(jié)比下的累積動(dòng)應(yīng)變發(fā)展規(guī)律，得出在相同的動(dòng)應(yīng)力作用下，超固結(jié)比越大的土樣，產(chǎn)生的累積動(dòng)軸向應(yīng)變?cè)叫。宰C實(shí)土體在超固結(jié)狀態(tài)下，能有效地減小土體產(chǎn)生動(dòng)軸向變形。Huang等^［12］研究了紅黏土重塑樣在變圍壓條件下的應(yīng)力路徑發(fā)展規(guī)律，發(fā)現(xiàn)不同圍壓下的有效應(yīng)力路徑發(fā)展規(guī)律基本是一致的，所有應(yīng)力路徑均會(huì)跨越土體的臨界狀態(tài)線。Ma等^［13］和Huang等^［14］研究了紅黏土在不同循環(huán)應(yīng)力比下的動(dòng)彈模量演化規(guī)律，得出紅黏土重塑樣的動(dòng)彈模量隨循環(huán)偏應(yīng)力的增大而逐漸增大；而且，循環(huán)荷載作用下的紅黏土動(dòng)彈模量還存在一個(gè)循環(huán)應(yīng)力比衰減閾值。此外，他們還基于得到的試驗(yàn)結(jié)果，構(gòu)建了動(dòng)彈模量預(yù)測(cè)模型，有效預(yù)測(cè)紅黏土在任意振動(dòng)次數(shù)下的動(dòng)彈模量。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外研究人員已對(duì)不同影響因素作用下紅黏土的動(dòng)力特性，開(kāi)展了卓有成效的試驗(yàn)和理論研究。但是，對(duì)于團(tuán)粒尺寸對(duì)紅黏土動(dòng)力特性的影響研究方面，現(xiàn)有的成果還相對(duì)欠缺。事實(shí)上，紅黏土中含有豐富的游離態(tài)氧化鐵，使土體的細(xì)顆粒之間容易發(fā)生膠結(jié)作用，從而形成粒徑尺寸超過(guò)5.0 mm的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)（圖1）。現(xiàn)有研究結(jié)果也表明，團(tuán)粒尺寸對(duì)土體物理特性、水力特性和力學(xué)特性均具有重大的影響^［15-16］。

為深入探究團(tuán)粒尺寸對(duì)飽和紅黏土動(dòng)力特性的影響，本文以衢州地區(qū)紅黏土為研究對(duì)象，利用GDS動(dòng)三軸儀對(duì)三種不同團(tuán)粒尺寸的飽和紅黏土制備壓實(shí)樣本，開(kāi)展不同循環(huán)應(yīng)力比下的固結(jié)不排水動(dòng)三軸試驗(yàn)。以分析其動(dòng)軸向應(yīng)變、動(dòng)彈模量及阻尼比隨團(tuán)粒尺寸和循環(huán)應(yīng)力比變化的演化規(guī)律，探究團(tuán)粒尺寸對(duì)飽和紅黏土壓實(shí)樣本的動(dòng)力特性影響及內(nèi)在機(jī)理，為紅黏土路基的填筑技術(shù)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)土樣與方案

1.1 試驗(yàn)土樣及制備

本次試驗(yàn)所用的紅黏土取自浙江省衢州市的郊區(qū)，取土深度為地表以下1.5 m左右，為金衢盆地中具有代表性的第四紀(jì)紅黏土。將現(xiàn)場(chǎng)取來(lái)的紅黏土風(fēng)干過(guò)篩后，按規(guī)范要求開(kāi)展土體顆粒級(jí)配曲線、擊實(shí)曲線、液限、塑限等室內(nèi)土工試驗(yàn)，分別得到表1所列和圖1所示的土體基本物理性質(zhì)指標(biāo)和顆粒級(jí)配曲線。

試驗(yàn)所用的飽和壓實(shí)樣制備方法如下：將風(fēng)干后土體通過(guò)不同直徑土工篩，得到最大團(tuán)粒尺寸Dmax分別為5.0、2.0和0.5 mm的不同土樣。配備約18%的初始含水率（最優(yōu)含水率）后，密封放置24 h確保水分分布均勻。用制樣器將土樣分層壓實(shí)，制備初始干密度為1.65 g/cm3的三軸試樣 （高度h=100 mm，直徑d=50 mm）。為避免制備的試樣出現(xiàn)分層現(xiàn)象，每層壓實(shí)后都對(duì)界面處進(jìn)行精細(xì)化處理。將制備好的壓實(shí)樣本放入真空飽和器中進(jìn)行真空抽氣飽和至少6 h （試樣的飽和度均大于97%），得到試驗(yàn)所需的飽和壓實(shí)樣。需要說(shuō)明的是，土體在游離態(tài)氧化鐵作用下，形成的膠結(jié)團(tuán)粒結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，因此大粒徑土體在制樣后仍然能夠保持較完整的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

1.2 試驗(yàn)方案和步驟

本次重點(diǎn)探究飽和紅黏土壓實(shí)土樣在不同循環(huán)應(yīng)力比下，其動(dòng)軸向應(yīng)變、動(dòng)彈模量及阻尼比隨團(tuán)粒尺寸變化的演化規(guī)律。因此，通過(guò)GDS動(dòng)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)（圖3）開(kāi)展3種不同團(tuán)粒尺寸下和4種不同循環(huán)應(yīng)力比下的固結(jié)不排水循環(huán)荷載試驗(yàn)。試驗(yàn)方案詳列于表2。需要說(shuō)明的是，由于道路交通荷載的振動(dòng)頻率基本位于1～5 Hz之間，且土體樣在低頻率循環(huán)荷載作用下的變形會(huì)更加充分^［17］。因此，本次試驗(yàn)選用的振動(dòng)頻率為1 Hz，加載循環(huán)次數(shù)N設(shè)定為20 000次。

本次試驗(yàn)采用的是固結(jié)不排水動(dòng)力循環(huán)試驗(yàn)，因此，施加動(dòng)力循環(huán)荷載前需對(duì)試樣進(jìn)行固結(jié)試驗(yàn)。在固結(jié)階段，首先施加20 kPa的預(yù)固結(jié)應(yīng)力，以確保試樣與頂帽完全接觸，然后，施加100 kPa固結(jié)應(yīng)力進(jìn)行排水固結(jié)試驗(yàn)，得到圖4所示的固結(jié)排水曲線。由圖4可知，試樣200 min內(nèi)已完成排水固結(jié)。但是，為確保每個(gè)試樣固結(jié)時(shí)間一致，固結(jié)時(shí)間統(tǒng)一確定為1 440 min。固結(jié)完成后，按預(yù)定的循環(huán)應(yīng)力比ζ施加偏應(yīng)力幅值q^ampl，具體可用式（1）和式（2）計(jì)算。同時(shí)，考慮到交通荷載下的土體在加卸載過(guò)程中長(zhǎng)期處于受壓狀態(tài)，土體受到的豎向荷載符合半正弦波變化規(guī)律^［18］。因此，本文選用半正弦波進(jìn)行循環(huán)加載，如圖5所示。

q^ampl=2ζp′0 （1）

q^ampl=σ^ampl1-σ^ampl3 （2）

式中：q^ampl為循環(huán)偏應(yīng)力幅值;ζ為循環(huán)應(yīng)力比;p′0為固結(jié)平均有效應(yīng)力;σ^ampl1和σ^ampl3分別為循環(huán)軸向和徑向幅值。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 軸向累積應(yīng)變

圖6為不同團(tuán)粒尺寸制備土樣在不同循環(huán)應(yīng)力比作用下，動(dòng)軸向應(yīng)變?chǔ)興和孔壓u隨循環(huán)次數(shù)N的演化規(guī)律。從圖6所示的試驗(yàn)結(jié)果中，可得到以下結(jié)論：

（1） 不同團(tuán)粒尺寸制備試樣的動(dòng)軸向應(yīng)變和孔壓隨著振動(dòng)次數(shù)的增加而逐漸增加。土體的動(dòng)軸向應(yīng)變和孔壓在初期（N≤200）隨循環(huán)次數(shù)的增加而急劇增加；后期（Ngt;200）則隨著循環(huán)次數(shù)的增加而緩慢增長(zhǎng)，并且土體的動(dòng)軸向應(yīng)變和孔壓在500次循環(huán)次數(shù)后趨于穩(wěn)定，屬于穩(wěn)定型累計(jì)變形曲線。吳建奇等^［19］的飽和紅黏土在循環(huán)荷載作用下試驗(yàn)結(jié)果也表明，土體的動(dòng)軸向應(yīng)變和孔壓主要產(chǎn)生在循環(huán)加載的初期。

（2） 土體的動(dòng)軸向應(yīng)變隨著循環(huán)應(yīng)力比的增大而逐漸增大；而且當(dāng)循環(huán)應(yīng)力比超過(guò)某一定值時(shí)，動(dòng)軸向應(yīng)變會(huì)出現(xiàn)顯著增大的現(xiàn)象。以2.0 mm團(tuán)粒尺寸制備的試樣為例，土體的最終動(dòng)軸向應(yīng)變由最初的0.6% （ζ=0.125） 逐漸增大到9.0% （ζ=0.35）；但是，當(dāng)循環(huán)應(yīng)力比達(dá)到0.375時(shí)，土體則出現(xiàn)明顯的塑性變形，累計(jì)動(dòng)軸向應(yīng)變達(dá)到了22.5%。值得關(guān)注的是，即便土體在較大循環(huán)應(yīng)力（ζ=0.375）作用下產(chǎn)生了明顯的塑性變形，土體的動(dòng)軸向應(yīng)變?cè)谘h(huán)后期也逐漸趨于穩(wěn)定，仍屬于穩(wěn)定型累計(jì)變形曲線。

（3） 比較相同循環(huán)應(yīng)力比下的不同團(tuán)粒尺寸制備試樣，觀察累計(jì)動(dòng)軸向應(yīng)變后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)循環(huán)應(yīng)力比小于0.25時(shí)，越大團(tuán)粒尺寸制備壓實(shí)樣本產(chǎn)生的累計(jì)動(dòng)軸向應(yīng)變?cè)酱蟆Ｈ欢?dāng)循環(huán)應(yīng)力比達(dá)到0.375時(shí)，越大團(tuán)粒尺寸制備的壓實(shí)樣，產(chǎn)生的累計(jì)動(dòng)軸向應(yīng)變反而越小。這是由于在不同循環(huán)應(yīng)力比下，試樣產(chǎn)生的動(dòng)力變形機(jī)理不同所導(dǎo)致的。在較小的循環(huán)應(yīng)力條件下，試樣動(dòng)軸向變形以細(xì)顆粒的形式填充到較大試樣孔隙為主；相應(yīng)地，團(tuán)粒尺寸越大的試樣，產(chǎn)生的動(dòng)軸向應(yīng)變也越大。較大循環(huán)應(yīng)力條件下，試樣的動(dòng)軸向變形以塑性變形為主，主要取決于土骨架的剛度。因此，團(tuán)粒尺寸越大的試樣，產(chǎn)生的動(dòng)軸向應(yīng)變則反而越小。具體解釋見(jiàn)本文討論部分。

將不同團(tuán)粒尺寸的土樣，在不同循環(huán)應(yīng)力比作用下所產(chǎn)生的累計(jì)動(dòng)軸向應(yīng)變（圖6）進(jìn)行整理后，可得到不同試樣的累積動(dòng)軸向應(yīng)變隨循環(huán)應(yīng)力比ζ的演化規(guī)律，如圖7所示。由圖7可知，不同試樣的累積動(dòng)軸向應(yīng)變量均隨循環(huán)應(yīng)力比ζ的增大而呈指數(shù)型增長(zhǎng)。該結(jié)果與吳建奇等^［19］得到的紅黏土在不同循環(huán)應(yīng)力比下的動(dòng)軸向應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)規(guī)律一致。此外，越小團(tuán)粒尺寸試樣的曲線斜率越大。該結(jié)果表明，越小團(tuán)粒尺寸制備的試樣，土體的動(dòng)軸向應(yīng)變對(duì)循環(huán)應(yīng)力比的增大越敏感。

圖7試驗(yàn)結(jié)果還顯示，土體動(dòng)軸向應(yīng)變隨循環(huán)應(yīng)力比增加存在一個(gè)明顯的分界點(diǎn)。在分界點(diǎn)之前，試樣的動(dòng)軸向應(yīng)變隨循環(huán)應(yīng)力比的增加而緩慢增長(zhǎng)，且最終累計(jì)動(dòng)軸向應(yīng)變相對(duì)較小；在分界點(diǎn)之后，試樣的動(dòng)軸向應(yīng)變隨著循環(huán)應(yīng)力比的增大而迅速增長(zhǎng)，且最終累計(jì)動(dòng)軸向應(yīng)變也相對(duì)較大。Yang等^［20］將動(dòng)力循環(huán)荷載作用下的變形特性，存在明顯差異的分界點(diǎn)定義為容許循環(huán)應(yīng)力比并且建議容許循環(huán)應(yīng)力比的確定方法如下：將不同循環(huán)應(yīng)力比下得到的動(dòng)應(yīng)變用雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)整理后，擬合成兩條斜率明顯不同的直線，兩條直線交點(diǎn)處所對(duì)應(yīng)的循環(huán)應(yīng)力比即為容許循環(huán)應(yīng)力比，如圖7中的關(guān)系曲線所示。根據(jù)上述方法，分別確定0.5、2.0、5.0 mm團(tuán)粒尺寸試樣所對(duì)應(yīng)的容許循環(huán)應(yīng)力比分別為0.309、0.355和0.371。比較圖6中不同團(tuán)粒尺寸試樣的累計(jì)動(dòng)軸向應(yīng)變后可知，容許循環(huán)應(yīng)力比前，越大團(tuán)粒尺寸制備試樣的動(dòng)軸向應(yīng)變?cè)酱螅菰S循環(huán)應(yīng)力比后，越大團(tuán)粒尺寸制備試樣的動(dòng)軸向應(yīng)變反而越小。

2.2 動(dòng)彈模量

動(dòng)彈模量是表征土體在動(dòng)荷載作用下彈性變化特征的重要參數(shù)。動(dòng)彈模量值可通過(guò)循環(huán)荷載試驗(yàn)得到的動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，提取典型滯回圈的動(dòng)應(yīng)力和其對(duì)應(yīng)的動(dòng)應(yīng)變，利用式（3）計(jì)算得到。如：圖8（a）所示的是飽和壓實(shí)樣（Dmax=5.0 mm）在循環(huán)應(yīng)力比（ζ=0.125）試驗(yàn)中得到的動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，提取在第1 000次循環(huán)荷載作用下，滯回圈所對(duì)應(yīng)的動(dòng)應(yīng)力和動(dòng)應(yīng)變［圖8（b）］，計(jì)算后可得到該次循環(huán)荷載下的動(dòng)彈模量。

Ed=σdmax-σdminεdmax-εdmin （3）

式中：Ed為動(dòng)彈模量;σdmax和σdmin分別為滯回圈中最大和最小的動(dòng)應(yīng)力;εdmax和εdmin分別為滯回圈中最大和最小的動(dòng)應(yīng)變。

利用上述方法，計(jì)算不同團(tuán)粒尺寸制備試樣在不同循環(huán)次數(shù)下的動(dòng)彈模量，得到不同試樣的動(dòng)彈模量隨著循環(huán)次數(shù)變化的演化規(guī)律（圖9）。從圖中所示的試驗(yàn)結(jié)果，可得到以下結(jié)論：

（1） 除了極小循環(huán)應(yīng)力比（ζ=0.125）外，不同團(tuán)粒尺寸制備試樣的動(dòng)彈模量，隨著振動(dòng)次數(shù)的增加而逐漸增大；而且，循環(huán)初期的動(dòng)彈模量隨循環(huán)次數(shù)增加而緩慢增加，循環(huán)后期的動(dòng)彈模量則隨循環(huán)次數(shù)增加而顯著增長(zhǎng)。上述結(jié)果在較高循環(huán)應(yīng)力比（ζ=0.375）的試驗(yàn)中更加明顯。這是由于試樣在循環(huán)荷載作用初期（N≤200）產(chǎn)生較大動(dòng)軸向應(yīng)變后，土體的密實(shí)度有所提高，使試樣的動(dòng)彈模量顯著增加。

（2） 土體動(dòng)彈模量在循環(huán)荷載作用下的增長(zhǎng)幅度隨著循環(huán)應(yīng)力比的增大而逐漸增大。以2.0 mm團(tuán)粒制備試樣為例：當(dāng)循環(huán)應(yīng)力比ζ=0.125時(shí)，試樣的動(dòng)彈模量基本穩(wěn)定在16.0 MPa；然而，當(dāng)循環(huán)應(yīng)力比達(dá)到0.375時(shí)，動(dòng)彈模量則從循環(huán)初期的20.0 MPa逐漸增大到循環(huán)后期的80.0 MPa，動(dòng)彈模量的變化非常明顯。而且，循環(huán)應(yīng)力比越大，動(dòng)彈模量從循環(huán)初期到后期的增長(zhǎng)量也越大，這是由于循環(huán)應(yīng)力比越大，產(chǎn)生的動(dòng)軸向應(yīng)變?cè)酱螅馏w越密實(shí)引起的。

（3） 比較不同團(tuán)粒尺寸制備試樣在同一循環(huán)應(yīng)力比下的動(dòng)彈模量發(fā)現(xiàn)，除循環(huán)應(yīng)力比ζ=0.35外，越大團(tuán)粒尺寸制備的飽和壓實(shí)土樣動(dòng)彈模量越小。此外，試樣沒(méi)有產(chǎn)生明顯的塑性變形時(shí)，不同團(tuán)粒尺寸制備試樣的動(dòng)彈模量最終均逐步趨于一致，如圖9（a）～（c）所示。循環(huán)應(yīng)力比ζ=0.35時(shí)，情況較為特殊，這是由于該循環(huán)應(yīng)力比下，0.5 mm團(tuán)粒尺寸制備試樣已發(fā)生了明顯的塑性變形；相應(yīng)地，試樣的動(dòng)彈模量則明顯小于另外兩種試樣。值得關(guān)注的是，在土樣產(chǎn)生明顯塑性變形的情況下，不同團(tuán)粒尺寸制備試樣的最終動(dòng)彈模量也無(wú)法趨于一致［圖9（d）］。這是由于土體產(chǎn)生明顯塑性變形后，不同的動(dòng)軸向應(yīng)變量會(huì)導(dǎo)致試樣之間的密實(shí)度存在明顯差異，從而造成土體的動(dòng)彈模量存在明顯不同。

2.3 阻尼比

阻尼比作為土動(dòng)力特性的重要參數(shù)之一，反映了在循環(huán)荷載作用下，土體內(nèi)部因摩擦阻力而消耗能量的大小。土體阻尼比的大小可通過(guò)式（4）求得：

λ=AL/（πAT） （4）

式中：λ為阻尼比;AL為土體滯回圈的面積;AT為圖8（b）所示的三角形ABC面積。

圖10為不同團(tuán)粒尺寸制備試樣在不同循環(huán)應(yīng)力比下，阻尼比λ隨循環(huán)荷載次數(shù)N變化的演化規(guī)律。從圖10所示的試驗(yàn)結(jié)果中，可得到以下結(jié)論：

（1） 不同團(tuán)粒尺寸制備試樣的阻尼比均隨著振動(dòng)次數(shù)的增加而逐漸減少。在循環(huán)初期（N≤200），阻尼比隨著循環(huán)次數(shù)的增多而迅速下降；在循環(huán)后期（N＞200），阻尼比則隨著循環(huán)次數(shù)的增多而緩慢下降，并最終趨于一個(gè)穩(wěn)定值。這主要是土體的動(dòng)軸向變形在循環(huán)荷載作用初期變化較大，需要消耗較多能量所致。

（2） 循環(huán)荷載作用初期，土樣阻尼比隨循環(huán)應(yīng)力比的增大而逐漸增大。以2.0 mm團(tuán)粒尺寸制備的試樣為例，隨著循環(huán)應(yīng)力比的增大，阻尼比逐漸從0.06（ζ=0.125）增大至0.14（ζ=0.375）。但是，隨著循環(huán)荷載次數(shù)的增多，不同循環(huán)應(yīng)力比作用下的試樣，最終阻尼比基本趨于一致（λ=0.03）。上述試驗(yàn)結(jié)果表明，循環(huán)應(yīng)力比只對(duì)循環(huán)荷載初期的阻尼比具有重要影響。

（3） 不同團(tuán)粒尺寸制備試樣，在同一循環(huán)應(yīng)力比下的阻尼比試驗(yàn)結(jié)果表明，越大團(tuán)粒尺寸制備的飽和壓實(shí)樣，循環(huán)荷載初期的阻尼比越大（除ζ=0.35外），與文中越大團(tuán)粒尺寸制備的試樣，動(dòng)彈模量越小的試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。研究結(jié)果也表明，動(dòng)彈模量越小的土體，其阻尼比越大^［21-22］。需要注意的是，循環(huán)應(yīng)力比為0.35時(shí)，越大團(tuán)粒尺寸制備試樣的阻尼比，在循環(huán)荷載初期反而越小。這主要是由于在該循環(huán)應(yīng)力比作用下，0.5 mm團(tuán)粒尺寸制備的試樣已產(chǎn)生明顯的塑性變形，導(dǎo)致土體的動(dòng)彈模量明顯小于另外兩種團(tuán)粒尺寸制備試樣的動(dòng)彈模量。但是，其阻尼比的變化規(guī)律，仍然與動(dòng)彈模量越大，阻尼比越小的基本規(guī)律相符。

3 討論

根據(jù)圖6～10所示的試驗(yàn)結(jié)果表明，不同團(tuán)粒尺寸制備的飽和壓實(shí)樣，其動(dòng)力特性在容許循環(huán)應(yīng)力比前后存在明顯差異。容許循環(huán)應(yīng)力比之前，越大團(tuán)粒尺寸制備的試樣，產(chǎn)生的動(dòng)軸向應(yīng)變?cè)酱螅蝗菰S循環(huán)應(yīng)力比之后，越大團(tuán)粒尺寸制備的試樣，產(chǎn)生的動(dòng)軸向應(yīng)變反而越小。相應(yīng)地，土體的動(dòng)彈模量和阻尼比也呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律，這是影響它們動(dòng)力特性的機(jī)理不同所致。

研究結(jié)果顯示，不同團(tuán)粒尺寸制備試樣的孔隙結(jié)構(gòu)類型存在明顯差異。主要原因?yàn)檩^大團(tuán)粒尺寸制備試樣的孔隙分布為具有積聚體間的孔隙和積聚體內(nèi)的孔隙存在雙峰孔隙結(jié)構(gòu)［圖11（a）］，而較小團(tuán)粒尺寸制備試樣的孔隙分布主要為積聚體內(nèi)孔隙的單峰孔隙結(jié)構(gòu)［圖11（b）］^［23］。總體而言，較大團(tuán)粒尺寸制備試樣的孔徑大于較小團(tuán)粒尺寸制備試樣的孔徑。考慮到土體的剛度主要取決于土顆粒之間的黏結(jié)，因此，不同孔徑分布的試樣剛度也存在著明顯差異，即團(tuán)粒尺寸越大的試樣，剛度反而越小^［24］。

當(dāng)循環(huán)應(yīng)力比（ζ≤0.25）小于容許循環(huán)應(yīng)力比時(shí)，循環(huán)荷載下的動(dòng)軸向應(yīng)變以彈性變形為主，變形主要取決于土體的總體剛度。一方面，由于較大團(tuán)粒尺寸制備試樣的剛度相對(duì)較小，試樣產(chǎn)生的累計(jì)動(dòng)軸向應(yīng)變也相對(duì)越大；另一方面，較大團(tuán)粒尺寸制備試樣中存在較多大孔隙，細(xì)粒土在動(dòng)力荷載作用下，會(huì)逐步填充到土體內(nèi)部大孔隙中，進(jìn)而產(chǎn)生較大的動(dòng)力變形。因此，當(dāng)循環(huán)應(yīng)力比小于容許循環(huán)應(yīng)力比時(shí)，越大團(tuán)粒尺寸制備的試樣，累計(jì)動(dòng)軸向應(yīng)變也越大。

當(dāng)循環(huán)應(yīng)力比（ζ=0.375）大于容許循環(huán)應(yīng)力比時(shí)，不同試樣在循環(huán)荷載初期（N≤200次）會(huì)產(chǎn)生較大的軸向變形［圖6（d）］。此時(shí)，土體的動(dòng)軸向變形主要為塑性應(yīng)變，土體的變形量主要依賴于土骨架剛度。由于越大團(tuán)粒尺寸制備試樣的土骨架剛度越大，越能有效地抵抗土體產(chǎn)生塑性變形^［25］。因此，循環(huán)應(yīng)力比大于容許循環(huán)應(yīng)力比后，越大團(tuán)粒尺寸制備的試樣，最終累積動(dòng)軸向應(yīng)變則最小。王家全等^［26］在探究顆粒級(jí)配對(duì)礫石土動(dòng)力特性的試驗(yàn)研究中也發(fā)現(xiàn)，施加較大的循環(huán)應(yīng)力比時(shí)，細(xì)顆粒含量越高的試樣，產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)變也就越大，該結(jié)論與本文試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

對(duì)于土體的動(dòng)彈模量，當(dāng)循環(huán)應(yīng)力比（ζ≤0.25）小于容許循環(huán)應(yīng)力比時(shí)，土體的累計(jì)動(dòng)軸向應(yīng)變相對(duì)較小（εdlt;3.5%），土體的動(dòng)彈模量主要取決于動(dòng)軸向應(yīng)變。越大團(tuán)粒尺寸制備的試樣，在循環(huán)荷載作用下產(chǎn)生的動(dòng)軸向應(yīng)變?cè)酱蟆Ｒ虼耍酱髨F(tuán)粒尺寸制備試樣的動(dòng)彈模量也就越小。當(dāng)循環(huán)應(yīng)力比大于容許循環(huán)應(yīng)力比時(shí)（ζ=0.375），試樣的累計(jì)動(dòng)軸向應(yīng)變相對(duì)較大（εdgt;18.0%），將導(dǎo)致試樣密實(shí)度發(fā)生明顯的變化，進(jìn)而對(duì)土體的動(dòng)彈模量產(chǎn)生重要的影響。在較大循環(huán)應(yīng)力比作用下，越大團(tuán)粒尺寸制備的試樣，產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)變量越小，土體密實(shí)度增加也越小。因此，越大團(tuán)粒尺寸制備試樣的動(dòng)彈模量反而越小。相應(yīng)地，動(dòng)彈模量越大的土樣，對(duì)應(yīng)的阻尼比反而越小。因此，越大團(tuán)粒尺寸制備試樣的阻尼比則越大。

4 結(jié)論

本文以飽和紅黏土壓實(shí)土樣為研究對(duì)象，對(duì)不同團(tuán)粒尺寸制備的壓實(shí)土樣，開(kāi)展不同循環(huán)應(yīng)力比下的固結(jié)不排水循環(huán)載荷試驗(yàn)，探究不同試樣的動(dòng)軸向應(yīng)變、動(dòng)彈模量、阻尼比隨循環(huán)載荷次數(shù)和循環(huán)應(yīng)力比的演化規(guī)律。具體結(jié)論如下：

（1） 土體動(dòng)軸向應(yīng)變隨循環(huán)載荷次數(shù)的增多而逐漸增大。循環(huán)次數(shù)在前200次范圍內(nèi)，試樣的動(dòng)軸向應(yīng)變隨著循環(huán)次數(shù)增加而顯著增大；而且，土體的動(dòng)軸向應(yīng)變具有隨循環(huán)應(yīng)力比的增加呈指數(shù)型增大。試驗(yàn)結(jié)果還表明，越小團(tuán)粒尺寸制備的試樣，對(duì)循環(huán)應(yīng)力比的增加越敏感。

（2） 土體的動(dòng)彈模量隨著循環(huán)次數(shù)增多而逐漸增大，且主要發(fā)生在前200次循環(huán)范圍內(nèi)。土體的最終動(dòng)彈模量隨循環(huán)應(yīng)力比的增大而逐漸增大，而且，這種現(xiàn)象在較大循環(huán)應(yīng)力比試驗(yàn)中顯得更加明顯。此外，在達(dá)到容許循環(huán)應(yīng)力比之前，不同試樣在同一循環(huán)應(yīng)力比下的最終動(dòng)彈模量基本一致，表明團(tuán)粒尺寸對(duì)土體動(dòng)彈模量的影響只發(fā)生在循環(huán)荷載初期。

（3） 土體的阻尼比隨著循環(huán)次數(shù)的增多而逐漸減小，且主要發(fā)生在前200次循環(huán)范圍內(nèi)。循環(huán)初期的土體阻尼比隨循環(huán)應(yīng)力比的增大而逐漸增大；但是，不同循環(huán)應(yīng)力比的最終阻尼比基本趨于一致。此外，不同試樣在同一循環(huán)應(yīng)力比下的穩(wěn)定阻尼比也趨于一致，表明團(tuán)粒尺寸對(duì)土體阻尼比的影響只發(fā)生在循環(huán)荷載初期。

（4） 循環(huán)應(yīng)力比小于容許循環(huán)應(yīng)力比時(shí)，越大團(tuán)粒尺寸制備試樣的累計(jì)動(dòng)軸向應(yīng)變也越大。一方面，由于大團(tuán)粒尺寸制備試樣的剛度較小，容易產(chǎn)生較大的動(dòng)力變形；另一方面是循環(huán)荷載作用下，細(xì)顆粒將填充到試樣內(nèi)部的大孔隙中，從而產(chǎn)生較大的動(dòng)力變形。但是，循環(huán)應(yīng)力比大于容許循環(huán)應(yīng)力比后，越大團(tuán)粒尺寸制備試樣的累計(jì)動(dòng)軸向應(yīng)變?cè)叫。@是由于土體的塑性變形取決于土骨架剛度。而且，越大團(tuán)粒尺寸制備試樣，土骨架的剛度則越大，越能有效地抵抗土體的塑性變形。

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（本文編輯：任 棟）