残积土含水率对其动力特性影响试验研究①

残积土含水率对其动力特性影响试验研究①

胡华, 蔡亮

(厦门大学建筑与土木工程学院，福建 厦门 361005)

摘要：选取厦门某建筑工程地基浅层残积土重塑试样，利用SDT-10微机控制电液伺服动态三轴测试系统，在呈正弦变化的动态荷载作用下，测试含水率分别为10%、15%、20%和23%时残积土试样的动应力-应变、动变形-作用时间(作用次数)、动弹性模量等动力学特性曲线与参数。分析试验数据表明：试样在动荷载作用下表现为黏弹塑性变形特性，且随着含水率提高，试样累积塑性轴向变形逐步增大，最大弹性模量逐步减少，但含水率由20%增至23%时，最大动弹性模量降低幅度不大。

关键词：残积土； 含水率； 动三轴试验； 动力特性； 弹性模量

收稿日期：①2014-08-20

基金项目：国家自然科学

作者简介：胡华，男，教授，从事岩土力学、岩土工程减灾、地质灾害防治等方面的教学和科研工作。E-mail:xmhuh@xmu.edu.cn。

中图分类号:TU411.8文献标志码：A

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2015.03.0754

Test Study of the Influence of Moisture Content on Dynamic

Characteristics of Residual Soil

HU Hua, CAI Liang

(CollegeofArchitectureandCivilEngineering,XiamenUniversity,Xiamen361005,Fujian,China)

Abstract：In this study, we chose the shallow residual soil from a constructional engineering site in Xiamen as our remolded specimen, and used the SDT-10 microcomputer control electro-hydraulic servo dynamic triaxial test system as the main test equipment. Under sine dynamic loading, we tested the dynamic characteristic curves and parameters of the residual soil’s dynamic stress-strain, dynamic deformation times (number of loads), and dynamic modulus of elasticity with moisture contents of 10%, 15%, 20%, and 23%. The analysis of the test data indicates that the specimens showed viscoelastic-plastic behavior, and the higher the moisture content of the specimen, the greater the cumulative plastic axis deformation, but the most elastic modulus slowly decreases. The extent of the decrease in the most elastic modulus is not great when the moisture content of specimen increases from 20% to 23%.

Key words： residual soil; moisture content; dynamic triaxial test; dynamic characteristics; elastic modulus

0引言

厦门地区位于中国东南沿海，濒临台湾海峡，而台湾海峡多台风暴雨，中小地震活动频繁。厦门地区广泛分布着燕山期花岗岩和侏罗纪火山岩，区域地质构造以断裂构造为主，断裂带及附近场地内基岩构造裂隙发育、岩体破碎，抗风化能力弱，岩体的风化作用能向纵深发展，因此花岗岩残积土在厦门地区广泛分布[1-3]。花岗岩残积土孔隙比大、承载力较高，但结构性强，受地震等动态荷载扰动和降雨渗流作用后，软化崩解快，强度急剧降低，导致严重地质灾害和各种工程破坏。随着厦门各类基础设施和岩土工程建设项目的增多，岩土动力学特性和岩土工程防灾减灾等问题日益突出。熊伟等[4]研究了动荷载作用下饱和砂土动剪模量；周健[5-6]等研究了饱和层状砂土液化特性的动三轴试验及细粒含量对饱和砂土液化特性的影响；杨庆[7]等进行了非饱和粉土静、动强度对比试验；何晓民[8]等进行了武汉砂土动剪切模量与阻尼比的试验。本文拟系统开展动态荷载作用下软弱岩土动态流变力学特性、动态流变损伤力学模型、流变损伤演化规律等研究，以分析含水率对残积土的动应力-应变特性、动弹性模量等动力特性的影响。

1试验测试设备与试验方案

1.1试验测试设备

采用SDT-10微机控制电液伺服动态三轴测试系统，该系统主要用于岩石、砂土、岩浆的轴向压力和侧向压力的强度试验、土动力学试验，也用于测定细粒土和砂土的总抗剪强度和有效抗剪强度的参数。该设备采用两套电液伺服做动器加载，分别实现轴向、侧向加载功能；轴向、侧向既可实现分别激振，也可实现复合激振；基于电液伺服控制技术，能实现正弦波、三角形、方波、梯形波、斜波、随机波等多种波形试验载荷谱；在轴向、侧向以同种波形激振时，相位在为0°～360°内可进行自由调节；轴向、侧向激振频率为0～10 Hz；三轴压力室压力为0～1 MPa。 一套动阻尼、动弹性模量、动强度数据处理软件。试验控制软件在Windows环境下运行，操作简单，能完成试验条件、试样参数等的设置以及试验数据处理。

1.2试验方案

采集厦门某建筑工程地基浅层残积土为试验测试对象，制备含水率分别为10%、15%、20%和23%等四种重塑试样，依据《土工试验规程》要求进行试验测试。试验方法为动三轴固结不排水(CU)试验。试样尺寸为φ39 mm×80 mm，在试验之前试样都要经过饱和，且在固定围压下固结一个小时，在制备同一组试样时密度的差值不宜大于0.03 g/cm3,含水率差值不宜大于2%[3-5]。采用SDT-10微机控制电液伺服动态三轴测试系统，动三轴围压设置为200 kPa，选呈正弦变化的动态荷载，动载作用频率设置为1 Hz，振幅最大值为20 N。通过动三轴固结不排水加载试验，得到试样的动应力-应变、动变形-作用次数等关系曲线和动弹性模量，通过测试数据分析，得到不同含水率对试样动力特性和动力学参数的影响规律。动三轴固结不排水(CU)试验装样和试验情况如图1所示。

图1　动三轴固结不排水(CU)试验装样和试验情况 Fig.1　Specimen and situation of the dynamic 　　　 triaxial consolidated undrained test

2试验结果及分析

2.1试样动应力-应变和滞回圈曲线分析

理想弹性体在动载荷作用下，其动应力和动应变的两条波形线在时间上同步对应，但试验土样并非理想的弹性体，在动载荷作用下其动应力和动应变的波形并不同步，动应变波形线较动应力波形线有一定的时间滞后。试验仪器数据处理程序将每一周期的振动波形按照同一时刻的应力和应变描绘到坐标上，得到动应力-应变关系曲线。重复动荷载作用下的动应力-应变曲线组成系列的应力-应变滞回圈。四种不同含水率条件下试样在外部正弦载荷作用下的滞回圈曲线如图2所示。

由图2可见，在相同动载作用下试样的滞回圈大致为斜椭圆形状，随着含水率的提高，试样在受动荷载过程中产生了不可恢复的塑性变形，且不断积累增大，反映了试样在动载作用下的黏弹性塑变形特性。随着含水率增大，滞回圈的偏移量越大，累积塑性变形和变形过程中能量耗损也越大。

2.2试样轴向变形与动载作用次数的关系

试样轴向变形与动载作用次数的关系曲线见图3所示。由于系统内部的初始位置有偏差，因此有的图形是从相对位置开始计算变形的，但是对于绝对变形差没有影响。从图3中可以看出，随着含水率增大，试样的轴向变形量逐步增大，分别为0.075 mm、1.7 mm、12.5 mm和13.5 mm。试样含水率与轴向变形量之间的关系见图4所示。根据回归原理，其数学函数关系为：y= 429.79x2-24.477x-2.368 9，拟合度为R2=0.917 7。

图2　不同含水率条件下动应力-应变和滞回圈曲线(振幅为20 N，频率为1 Hz) Fig.2　Dynamic stress-strain circle curves with different water contents (amplitude=20 N,frequency=1 Hz)

图3　不同初始含水率条件下试样的变形与动载作用次数的关系 Fig.3　Relationship between specimen deformation and number of dynamic loads with different initial water contents

图4　试样含水率与轴向变形量之间的 　　　曲线和函数关系 Fig.4　Relationship curve and functional relation between 　　　 specimen water content and axial deformation

2.3试样含水率对动弹性模量的影响

试样在动载作用的过程中，其动弹性模量可以通过滞回曲线得到，由每个滞回环可以得到一个动弹性模量，其表达式为:E=σmax/εmax；σmax和εmax分别是该滞回环的最大应力和最大应变。随着振动周数的增加，滞回环不断增大并且偏向应变轴，土样结构强度趋于破坏，因此每一振动周期的滞回环不重合。随着振动周期数的增加，土样动应变不断增大，而载荷振幅不变，动弹性模量逐渐减小[6-7]。通过动三轴试验设备生成的数据，得到不同初始含水率情况下试样动弹性模量随动应变的变化曲线关系如图5所示。

图5　不同含水率试样动弹性模量与动应变关系 　　　曲线(振幅20 N，频率1 Hz) Fig.5　Relationship curve between dynamic elastic modulus 　　　 and dynamic strain of specimen with different water 　　　 contents (amplitude=20 N,frequency=1 Hz)

从图5中可以看出，四种含水率试样，其动弹性模量都随动应变的增大而逐渐减小，说明随着加载过程的进行，土样总的变形在逐渐增加，而产生单位应变所需的应力却在减小；而且开始阶段动弹性模量随动应变的增加而减小速度较快，之后动弹性模量减小的幅度逐渐变缓，表明大部分变形是在初始阶段完成，这是由于土样的孔隙结构在振动初期遭到破坏，变形量急剧增大。

在相同动应变条件下，随着含水率增大，试样的最大弹性模量逐步减少，表明在合理的含水范围内，水有利于土颗粒之间的连接和粘联，能降低其松散性，提高其整体性和抗变形的能力，但含水量超过一定程度时，由于过量水的润滑作用，土颗粒内部连接变弱，导致动弹性模量大幅度减少，试样受动载作用后软化变形明显。但含水率由20%增至23%时，试样最大动弹性模量降低幅度不大。

3结论

在相同动载作用下试样的滞回圈大致为斜椭圆形状，随着含水率的提高，试样在受动荷载过程中产生了不可恢复的塑性变形不断积累增大，反映试样在整个动态加载过程中表现出黏弹塑性变形特性，且随着含水率增大，变形过程中能量耗损也越大。随着重塑试样含水率由10%、15%、20%到23%逐步增大，试样轴向动力变形量也随之增加，分别为0.075 mm、1.7 mm、12.5 mm及13.5 mm，表明含水率增大不利于残积土的稳定性。

对不同含水率试样，其动弹性模量都随动应变的增大而逐渐减小，而且开始阶段动弹性模量减小速度较快，之后减小的幅度逐渐变缓，表明大部分变形是在初始阶段完成的。在相同动应变条件下，随着含水率增大，试样的最大弹性模量逐步减少，但含水率由20%增至23%时，试样最大动弹性模量降低幅度不大。

参考文献(References)

[1]胡华.动载作用下淤泥质软土流变模型与流变方程[J].岩土力学,2007,28(2):237-240.

HU Hua.The Rheological Model and Rheological Equation of Sullage Soft Soil Under Dynamic Loading[J].Rock and Soil Mechanics,2007,28(2):237-240.(in Chinese)

[2]胡华,顾恒星，俞登荣.淤泥质软土动态流变特性与流变参数研究[J].岩土力学, 2008,29(3):696-700.

HU Hua，GU Heng-xing，YU Deng-rong.Research on Dynamic Rheological Characteristics and Rheologic Parameters of Sullage Soft Soil[J].Rock and Soil Mechanics,2008,29(3):696-700.(in Chinese)

[3]胡华,郑晓栩.动载作用频率对海相沉积软土动态流变力学特性影响试验研究[J].岩土力学,2013,34(增刊1):9-13.

HU Hua，ZHENG Xiao-xu.Experimental Research on Dynamic Rehelogical Characteristics of Marine Deposit Soft Soil Under Different Frequencies of Dynamic Loading[J].Rock and Soil Mechanics,2013,34(Supp1):9-13.(in Chinese)

[4]熊伟,尚守平,刘方成,等.动荷载作用下饱和砂土动剪模量试验研究[J].地震工程与工程振动,2007,27(6):176-180.

XIONG Wei,SHANG Shou-ping,LIU Fang-cheng,et al.Laboratory Expermiental Research on Dynamic Shear Modulus of Saturated Soil Subjected to Dynamic Loading[J].Journal of Earthquake Engineering and Engineering Vibration,2007,27(6):176-180.(in Chinese)

[5]周健,陈小亮,杨永香,等.饱和层状砂土液化特性的动三轴试验研究[J].岩土力学,2011,32(4):967-972.

ZHOU Jian,CHEN Xiao-liang,YANG Yong-xiang,et al.Study of Liquefaction Characteristics of Saturated Stratified Sands by Dynamic Triaxial Test[J].Rock and Soil Mechanics,2011,32(4):967-972.(in Chinese)

[6]周健,杨永香,贾敏才,等.细粒含量对饱和砂土液化特性的影响[J].水利学报,2009,40(10):1184-1188.

ZHOU Jian,YANG Yong-xiang,JIAMin-cai,et al.Effect of Fines Content on Liquefaction Properties of Saturated Silty Sands[J].Journal of Hydraulic Engineering,2009,40(10):1184-1188.(in Chinese)

[7]杨庆,王猛,栾茂田,等.非饱和粉土静、动强度对比试验研究[J].岩土力学,2010,31(1):71-75.

YANG Qing,WANG Meng,LUAN Mao-tian,et al.Experimental Research of Correlation on Static and Dynamic Strength of Unsaturated Silty Clay[J].Rock and Soil Mechanics,2010,31(1):71-75.(in Chinese)

[8]何晓民,陈志强,张婷.武汉砂土动剪切模量与阻尼比的试验研究[J].世界地震工程,2010,36(增刊1):41-45.

HE Xiao-min,CHEN Zhi-qiang,ZHANG Ting.Experimental Studies on Dynamic Shear Modulus and Damping Ratio of Sandy Soil in Wuhan[J].World Earthquake Engineering,2010,36(Supp1):41-45.(in Chinese)