荷载频率对土体动强度影响分析

李治朋，陈雷，马希磊，姚晓伟

（交通运输部天津水运工程科学研究所，天津300456）

荷载频率对土体动强度影响分析

李治朋，陈雷，马希磊，姚晓伟

（交通运输部天津水运工程科学研究所，天津300456）

基于目前开展的受不同频率波浪荷载作用的土体动强度研究较少，而我国的港口岸线土质大多为粘性土和粉土，根据波浪荷载的特点，文章对不同类别的土样分别进行了不同振动频率的固结不排水动三轴剪切试验。试验表明，加荷频率对土体动强度有一定影响，而影响程度还受到土性条件的制约。通过试验得出，振动频率对粉质粘土和粉土的动强度有一定影响，在0.05～1.0 Hz范围内是单调增加；荷载频率对粉砂的动强度也有影响，但不是单调增加或递减，f=0.2 Hz时，动强度最高，f=0.5～1.0 Hz时，粉砂动强度变化不大。

波浪荷载；动三轴试验；频率；动荷载；动强度；固结

Matsui［1］对SenriIlri黏土进行频率范围为0.02～0.5 Hz的动三轴试验，试验结果表明低频荷载产生较大的孔隙水压力和轴向应变。

张建民等［2］对频率范围为1～20 Hz的均等和非均等固结条件下的砂土进行的动三轴试验表明：振动频率越高，砂土达到液化所需要的振动时间急剧减少，而砂土的动孔压则基本不受振动频率影响。

张健［3］的研究认为，振动频率对于不同密实度的粉土影响并不同，对于低密实度的粉土，动强度随着振动频率的提高而提高；而对于高密实度的粉土，随着振动频率的提高，粉土达到液化所需的振次先增加后降低，在f=0.2 Hz时，粉土的抗液化强度最大。

张茹等［4］对频率范围为0.1～6 Hz的黏土进行的动三轴试验发现，存在一个临界频率值使得黏土的动强度最低，该文献认为临界值f=4Hz；也存在一个临界频率使得黏土的动孔压最高，但是与动强度临界频率值不一致，该文献认为临界值f=1Hz。

孟凡丽等［5］对杭州湾粉土进行了一系列的不同频率的动三轴试验，结果表明，当围压由100 kPa逐级增加到200 kPa时，振动频率较高的f=1 Hz的土样动强度会随之提高，而f=0.5 Hz和f=0.2 Hz土样的动强度却随之降低。

郭莹等［6］进行的动三轴试验表明，饱和密砂和松砂在各种固结条件下，液化强度随着振动频率的增大而增大，相同破坏振次时，各种试验条件下的液化强度与振动频率的关系在双对数坐标上均符合线性关系。

闫澍旺［7］等模拟防波堤地基土在波浪循环荷载作用下的实际应力路径，对天津港原状软黏土进行了室内动、静三轴试验，由试验数据确定了不同荷载组合下软黏土抗剪强度折减率的规律性曲线，进而确定了波浪循环荷载作用下软黏土的强度弱化程度。结合软黏土强度折减规律及有限元方法，分析了波浪循环荷载作用下半圆体防波堤地基稳定性以及地基加固方案的有效性。

从前人对土体动力学的研究可以发现，荷载频率对土体的动强度有不同程度的影响，土体和加载频率不同，对动强度的影响程度不同，影响土体动强度的因素较多。我国港口码头、防波堤等水工建筑物地基长期受波浪动荷载作用，已有不少码头和防波堤地基出现了不同程度的破坏问题，而振动频率对码头和防波堤等水工建筑物地基土体动强度的影响，相关文献和研究较少，因此，有必要开展振动频率对粘性土和粉土动强度影响的试验研究。本文依托中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目（编号：TKS110207），主要对天津地区不同土体的动强度做了固结不排水动三轴剪切试验，通过对土体施加不同频率的动荷载，模拟土体受波浪荷载的作用，研究其动强度变化规律。

1 试验说明

本文试验取土点位于天津市汉沽区海挡外移工程某段，土层分布为表层0～6 m深度范围多为粉土，下部为粉质粘土，中间夹有粉土、粉砂以及淤泥质粘土层。

主要试验仪器为DDS-70型动三轴仪，仪器技术参数见表1，采用固结不排水动三轴剪试验，在周围压力σ3和σ1作用下固结，采用各向等压固结，即试样的固结应力比Kc=σ1/σ3=1.0，周围压力σ3=100 kPa。固结完成后在不排水条件下施加轴向激振力，试验波形选为正弦波。波浪荷载一般为低频，其周期一般为1～ 20 s，并且波浪荷载频率是经常变化的，为了研究振动频率对土体动强度的影响，对不同类的土样分别做了不同振动频率的固结不排水动三轴剪试验，加载频率分别为0.05、0.2、0.5、1.0 Hz。

试验所用土样的物理性质指标见表2，粉砂试样采用分3层击实成型，密度接近原状土密度，试样直径39.1 mm，高80 mm。土样的颗粒组成见图1～图3。

土体动强度是指在某种静应力条件下，循环周期荷载使土样在一定加载周期内达到某种破坏标准所需要的剪应力。本文试验中以试样在周期剪切时轴向周期应变达到5%作为破坏标准。

常规动三轴试验得到的土体动强度一般通过循环轴向动应力幅值的一半σd/2和相应的破坏振次Nf之间建立关系来表示，即σd-lgNf曲线；或者是建立循环剪应力比CSR（Cyclic Stress Ratio）和相应破坏振次Nf的关系，即σd/2σ'

0-lgNf曲线。该曲线可用幂函数式的关系曲线拟合，见式（1），式中A、B为试验参数。

表1 DDS-70型动三轴仪技术参数Tab.1Technical parameters of dynamic triaxial instrument

表2 土样的物理性质指标（统计指标）Tab.2Physical property indexes of soil samples

图1 粉质粘土颗粒分析曲线Fig.1Curve of analysis on particles of silty clay

图2 粉土颗粒分析曲线Fig.2Curve of analysis on particles of silt

图3 粉砂颗粒分析曲线Fig.3Curve of analysis on particles of silty sand

表3 循环剪应力比与破坏振次拟合参数Tab.3Fitting parameters of the CSR and Nf

图4 粉质粘土在不同振动频率下的动强度关系曲线（R2= 0.98～1.00）Fig.4Dynamic strength of silty clay at different vibrational frequencies

图5 粉土在不同振动频率下的动强度关系曲线（R=0.91～0.99）Fig.5Dynamic strength of silt at different vibrational frequencies

图6 粉砂在不同振动频率下的动强度关系曲线（R2=0.97～1.00）Fig.6Dynamic strength of silty sand at different vibrational frequencies

2 试验成果分析

振动频率是影响土体动力特性的一个重要因素，但是至今振动频率对土体动力特性的影响尚无一致的结论。由于影响土体动力特性的因素多而复杂，而且影响土体动力特性的因素之间又存在着交叉影响，故研究中不能简单考虑单一因素对土体动力特性的影响。一般来说，影响土体动力特性的因素包括：土性条件，初始应力条件，动荷载条件，围压以及排水条件等。从一些资料可以发现，在不同的土性条件下，频率对土体的影响具有不一致性，一般认为振动频率对砂土动强度的影响不大，比较有代表性的文献是张建民等对饱和标准砂做的一系列不同固结比下的动力试验，认为若采用时间尺度，则频率对砂土动力特性有影响，但若采用振次作为尺度，则频率对砂土动力特性的影响很小。

本文的试验数据表明，土体在不同频率荷载作用下循环剪应力比CSR（Cyclic Stress Ratio）与破坏振次Nf可用幂函数式（1）较好的拟合，其中拟合曲线的相关系数R2=0.91～1.00，均大于0.90。

由图4、5和6可以看出，振动频率对粉质粘土和粉土的动强度有一定影响，在0.05～1.0 Hz范围内是单调增加；对粉砂的动强度也有影响，但不是单调增加或递减，f=0.2 Hz时，动强度最高，f=0.5～1.0 Hz时，粉砂动强度变化不大。可见，加荷频率对土体动强度是有一定影响的，而影响程度还受到土性条件的制约。

粉质粘土、粉土和粉砂受不同频率的振动荷载作用时，其动强度表现有所不同，这主要是由于粉质粘土、粉土中细粒含量较多，有一定的粘粒含量，使得粉质粘土和粉土具有一定的结构强度和粘聚力，而粉砂中的细颗粒含量相对较少，施加动荷载时土体中的孔隙水压力消散程度不同，根据有效应力原理，其动强度表现也有所不同。对于本文试验得出的结果，其详细的机理研究还需进一步开展。

3 结论

（1）根据波浪荷载的特点，设计了动三轴试验方案，用于模拟挡土墙地基土体受不同频率的动荷载作用时，对不同土体动强度的影响。试验证明，加荷频率对土体动强度有一定影响，而影响程度还受到土性条件的制约。（2）通过试验得出，振动频率对粉质粘土和粉土的动强度有一定影响，在0.05～1.0 Hz范围内是单调增加。荷载频率对粉砂的动强度也有影响，但不是单调增加或递减，f=0.2 Hz时，动强度最高，f=0.5～1.0 Hz时，粉砂动强度变化不大。（3）由试验结果可知，对于粉土和粘性土地基上的码头或防波堤受波浪荷载作用时，其动强度随着波浪荷载频率的增加，其动强度增大；而对砂土地基上的码头或防波堤受波浪荷载作用时，荷载频率为0.2 Hz时其动强度最大。水工建筑物规划和设计时应考虑波浪荷载对地基土体动强度的影响，本文试验结果具有一定的参考价值。（4）本文试验只对波浪荷载的频率段进行试验，即试验施加的动荷载频率为0.05～1.0 Hz，对于1～10 Hz频率的动荷载试验没有进一步展开，另外，受限于土样数量不足，只做了100 kPa围压的动三轴试验，对于其它频率的动荷载和不同围压对土体动强度的影响还需进一步研究。

［1］Matsui T,Ohara H,Ito T.Cyclic stress⁃strain history and shear characteristics of clay［J］.Journal of Geotechnical and Geoenviro⁃mental Engineering,1980,106（8）∶1 101-1 120.

［2］张健.波浪荷载作用下饱和粉土动力特性试验研究［D］.南京∶河海大学,2011.

［3］张建民，王稳祥.振动频率对饱和砂土动力特性的影响［J］.岩土工程学报,1990,12（1）∶89-97. ZHANG J M,WANG W X.Effect of vibrationg frequency on dynamic behavior of saturated sand［J］.Chinese Journal of Geotechni⁃cal Engineering,1990,12（1）∶89-97.

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Analysis of loading frequency on dynamic strength of soil

LI Zhi⁃peng,CHEN Lei,MA Xi⁃lei,YAO Xiao⁃wei
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Tianjin 300456,China）

At present,little research has been done on the dynamic strength of soil that bears different frequen⁃cy wave loads,and there are mostly clayey soil and silt in Chinese port shoreline.According to the characteristics of wave load,the method of consolidated undrained dynamic triaxial test was designed.When soil of the retaining wall foundation was under different frequency of dynamic loads,the effects of different soils dynamic strength were stud⁃ied.Experiments show that the loading frequency has a certain influence on the soil strength,and the influence is af⁃fected by soil conditions.Some conclusions drew through tests are that vibration frequency has certain effect on dy⁃namic strength of silty clay and silty soil.In the 0.05～1.0 Hz range,the dynamic strength increases.There are ef⁃fects of loading frequency on dynamic strength of silty sand,but it is not monotonically increasing or decreasing.Dy⁃namic strength of silty sand is highest when loading frequency equals to 0.2 Hz,and when the load frequency is in the 0.5 Hz to 1.0 Hz range,the dynamic strength of silt changes little.

wave load;dynamic triaxial test;frequency;dynamic loads;dynamic strength;consolidation

TV 223

A

1005-8443（2015）05-0432-04

2015-04-14；

2015-06-11

李治朋(1984-)，男，安徽省阜阳人，工程师，主要从事岩土工程测试与研究方面工作。

Biography：LI Zhi⁃peng（1984-），male,engineer.