砂卵石土动、静特性的对比试验研究

何建平，彭兴芝，祖 烨，吴怀忠

（1.洛阳理工学院土木工程系河南洛阳 471023；2.河南科技学院园林学院，河南信阳 453003；3.长江勘测规划设计研究院，武汉 430010；4.上海原构建筑设计有限公司北京分公司，北京 100084）

砂卵石土动、静特性的对比试验研究

何建平1，彭兴芝2，祖 烨3，吴怀忠4

（1.洛阳理工学院土木工程系河南洛阳 471023；2.河南科技学院园林学院，河南信阳 453003；3.长江勘测规划设计研究院，武汉 430010；4.上海原构建筑设计有限公司北京分公司，北京 100084）

在室内砂卵石土动、静力特性对比试验基础上，通过大量试验数据对比分析了不同条件下非饱和砂卵石土和饱和砂卵石土的强度和变形特性。结果表明：非饱和试样和饱和试样破坏时，剪切位移变化比较一致，压力增大时，剪切位移增加；从非饱和土到饱和土，随着振动周次的增加，粘着力和内摩擦角都有着不同程度的下降；不同含水量条件下，饱和样的强度增幅比较均匀，振动次数相同时，不同固结应力条件下的破坏应力约成等差关系；而非饱和样的强度增幅不均，有时相差很大，但非饱和砂卵石土的强度参数比饱和砂卵石土大很多。

砂卵石土；动静特性；对比试验；强度

粗粒土已经在工程建设中得到广泛应用，且应用范围日益扩大。砂卵石土属于粗粒土，具有压实性好、抗剪强度高等优良特性，在工程建设中得到广泛应用。自20世纪60年代以来，随着土石坝工程的不断发展，墨西哥、美国和日本等国家对粗粒土的强度和变形特性进行了较大规模的试验研究，提出了许多有实用价值的成果，在工程建设中发挥了重要的作用。随着土工测试技术的迅速提高和一些能够施加复杂应力的静动力试验设备研制成功，国内外学者针对粗粒土的动力变形强度特性开展了大量的研究工作［1-3］，对土体力学性状的认识逐步深入，本构模型理论研究和计算分析方法也正由经验模式向科学的理性模式发展。随着国内外学者对粗粒土工程特性的研究也逐步深入，砂卵石土的工程性质也迫切要求对它的力学特性展开研究［4-8］。砂卵石土在我国也有着较广的分布，静动力学特性对土体与结构物系统尤其是对结构物的应力分布具有重要影响。

本文着重进行砾卵石土的静、动强度特性，对比试验研究，为工程实践提供技术参数。

1 砂卵石土静力特性

1.1 试样制备

根据本地区常见砂卵石地基层的粒度级配，配制的砂卵石土试样物性如表1。

表1 砂卵石土性指标Table1 Sandy pebble soil characteristic

1.2 仪器设备、方法及数据采集

静力特性试验采用大型粗粒土直剪压缩两用仪如图1，采用全自动的数据采集系统。对试样垂直施加压力。在垂直压力作用下，试样均按照每分钟0.02 mm的剪切速率缓慢施加水平荷载直至破坏，其强度曲线如图2。

图1 直剪压缩仪Fig.1 A shear equipment

1.3 结果分析

由图2知，在加荷初期的应力应变关系接近直线，说明砂卵石土受荷后变形有弹性和塑性变形两部分组成。弹性变形符合虎克定律，塑性变形部分用塑性理论来求解，才能真实地反映土体的变形状态。两曲线都存在不同程度的颈缩现象，说明砂卵石土属软化型。由于软化阶段发生在材料破坏后，强度下降，便不能承受与峰值相应的荷载，随着压力的增大，饱和土颈缩现象将不太明显。因此，在用砂卵石土作为地基时，应提高安全系数，以便考虑软化特性给结构造成的不安全性。

图2 剪应力与位移曲线Fig.2 The curves showing the relationship of shear stress and disp lacement

2 砂卵石土动力特性

试验研究表明，土动强度随着密度ρs、固结压力σs、固结应力比Kc（即σ1／σ3）和加载速率的增大而得到增强，随着含水量ω的增大而显著减小。频率f对动强度影响较小，文献［9，10］的研究表明：砂土在一般地震作用的频率范围内，振动频率对土的抗液化强度没有多大的影响，在1～20 Hz范围内可以不予考虑。但也有其他学者认为针对不同的土质、试验设备等，频率对动强度的影响也会有很大的差异。也就是说影响土动强度的因素主要有土性（如密度、含水量、结构等）、静应力状态（围压、固结应力比等）和动应力（波形、振幅、加载速率等）3个方面。

在动力特性试验中，考察了固结围压力、含水量、固结应力比和振动频率等对砂卵石土动强度的影响。

2.1 动强度试验仪器设备与试样

试验采用的仪器是GDS动三轴仪（图3），采用与静力同等条件的试样。

2.2 试验条件和方法

采用固结不排水试验，动荷载为正弦波，频率f＝2 Hz。

试验时对砂卵石土以0.02 m／min的加压速度施加轴向荷载。

试样充分饱和固结完成后，对每个饱和砂卵石土分别施加不同的动应力荷载进行振动，直至试样破坏为止，破坏标准为单幅应变5%或孔隙水压等于围压Ud＝σ3。

图3 动三轴仪Fig.3 A dynam ically triaxial equipment

2.3 试验数据的采集

试样在上述条件和动荷载作用下采集到的不同围压下、相同振动频率（f＝1 Hz）各级动应力σd下的动应变εd关系如图4；试样在振动周期中的动内聚力和动内摩擦角强度参数如表2。

图4 饱和砂卵石土σd-εd关系曲线Fig.4 Saturated sandy pebble soilσd-εdcurve

表2 砂卵石土动强度参数对比表Table2 Comparison of sandy pebble soil dynam ic strength parameters

2.4 结果分析

2.4.1 应力应变关系分析

从图4饱和砂卵石土动应力应变关系曲线中可以看出，在围压下、振动频率相同的条件下，随着固结压力σ3的增加，曲线逐渐变陡，相同动应变εd所需的动应力σd随之增大，也就是说，相同动荷载下，固结压力越小，相应的动应变越大。动应变较小时，应力应变关系曲线近似直线，说明砂卵石土体处于弹性阶段；随着动应变的增加，应力应变关系曲线逐渐趋于平缓，动应力σd稍有增加，动应变就可能有很大的增大。这说明此时饱和砂卵石土已经进入了弹塑性发展阶段，与土体破坏界限非常接近了。

2.4.2 动强度参数分析

表2显示出，在相同的动载和固结应力比下，砂卵石土的动强度指标cd和φd不仅与土体中的饱和状态有关，而且与振动周次明显有关。从非饱和土到饱和土，随着振动周次的增加，cd和φd都有着不同程度的下降，这说明水在砂卵石土颗粒中有着润滑作用，含水量越大，这种润滑作用表现的越明显。从而使得cd和φd值下降的也就越明显；饱和土的cd值下降了28.3%，非饱和土下降了45.89%；饱和土的φd值下降了10.15%，非饱和土下降了2.68%，这说明砂卵石土饱水程度越高，破坏需要的周期相应地就越长。

3 砂卵石土动、静力特性对比分析

3.1 应力应变关系对比分析

静力状态下，非饱和试样和饱和试样破坏时，剪切位移变化比较一致，大约都1～2 cm范围内，压力增大时，剪切位移增加；在一定范围内，随着荷载的增加，应力、变形也随着增加，达到一定之后，变形将大幅度增加，应力呈下降趋势。在同一级压力下，无论是饱和还是非饱和试样，曲线都存在明显的下降段，但非饱和试样比饱和试样有明显的下降阶段，说明非饱和试样比饱和试样应力消散快。

非饱和试样和饱和试样，随着动载作用周期增长，动应力、动剪应力对数关系差不多都呈直线下降，在相同动应力作用下，频率越大，达到破坏所需要的时间越短，也就是说在高频率振动下，饱和砂卵石土较在低频率振动下容易达到破坏。

不同含水量条件下，固结应力对土样的动强度的影响程度不尽相同。其中饱和样的强度增幅比较均匀，振动次数相同时，不同固结应力条件下的破坏应力约成等差关系；而非饱和样的增幅不均，少时相差20%左右，大时增幅可超过100%。

3.2 动强度参数对比分析

在静载荷的作用下，无论是非饱和土体，还是饱和土体，其沉降量都随上部荷载的增大而增加。同一级荷载下，非饱和样的沉降量比饱和试样沉降量大。这是因为饱和试样在施加荷载过程中，不能及时排出水压力，相对非饱和试样来说，提高了承载能力，沉降减小。

动载作用下，饱和土与非饱和土的cd值都比φd值下降得要快，φd值呈缓慢减小的趋势，变化不大，可以认为砂卵石土的动摩擦角几乎不受振动周次的影响。

4 结 论

由上述试验分析可得出下面结论：

（1）砂卵石土动强度随着含水量的增加，土样的破坏动应力大幅降低；相同动应力作用下，动载频率越大，达到破坏所需要的时间越短，也就是说在高频率振动下，饱和砂卵石土较在低频率振动下容易达到破坏。

（2）砂卵石土的动强度指标随着含水量的增大，都有着不同程度的下降，尤其是动摩擦角，下降了10°之多。

（3）不论是饱和砂卵石土还是非饱和砂卵石土的静力下强度参数比动载作用下大5～6倍，非饱和砂卵石土的强度参数比饱和砂卵石土大很多。

（4）非饱和砂卵石土和饱和砂卵石土的应力应变关系静载作用下呈现先上升达到一峰值后下降的过程，而动载作用下非饱和砂卵石土和饱和砂卵石土的应力应变关系则呈现对数直线下降趋势。

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［2］ 王汝恒，贾 彬.砂卵石土动力特性的动三轴试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2006，（10）：4059-4064.（WANG Ru-heng，JIA Bin.Dynamic triaxial testing study on dynamic characteristics of sandy pebble soil［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2006，（10）：4059-4064.（in Chinese））

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［9］ Yoshimi，Oh-oka.Influence of degree of sheer stress reversal on the liquefaction potenial of saturated sand［J］.Soil and Foundations，1975，（3）：27-40.

［10］Lee K L，Focht J A.A cyclic testing of soil for ocean wave loading problems［C］∥7th Annual Offshore Technology Conf.Houston：Texas，1975.

（编辑：曾小汉）

Com parative Test Study on Sandy Pebble Soil Static-dynam ic Behaviors

HE Jian-ping1，PENG Xing-zhi2，ZU Ye3，WU Huai-zhong4
（1.Dept.of Civil Engineering of Luoyang Institute of Science and Technology，Luoyang 471023，China；2.College of landscape Architecture，Henan Institute of Science and Technology，Xinyang 453003，China；3.Design Institute，Changjiang River Water Resources Commission，Wuhan 430010，China；4.Archin Architects Design Co.Ltd，Beijing 100084，China）

On the basis of the static-dynamic mechanics comparative test，bymeans of test data comparison and analysis on characteristics of deformation and strength of the unsaturated and saturated sandy pebble soils under different test conditions，the test results indicated that：shear displacement is almost the same when unsaturated and saturated soils reach shear failure；with pressure increase，shear displacement increases；with vibration number increase，cohesion and internal friction angle decrease；under differentwater contents，the strength of saturated soil uniform ly increases；under the same vibration number，and different consolidation stresses，the failure stress is almost arithmetic progression relationship；but the strength of unsaturated soil ununiformly increases，sometime，the difference is very greatly.The strength parameter of unsaturated soil is bigger than that of the saturated soil.

sandy pebble soil；static-dynamic behavior；comparative test；strength

TU411.3

A

1001-5485（2010）08-0040-04

2009-10-16

何建平（1969-）女，河南偃师人，副教授，硕士，主要从事岩土工程的实验与教学科研工作，（电话）15937982659（电子信箱）hejp1348＠163.com或hejp1348＠lit.edu.cn。