基于动三轴试验的压实黄土动强度特性研究①

王军海， 刘亚明

(1.山西省勘察设计研究院，山西 太原 030013； 2.西北大学地质学系/大陆动力学国家重点实验室，陕西 西安 710069)

基于动三轴试验的压实黄土动强度特性研究①

王军海1， 刘亚明2

(1.山西省勘察设计研究院，山西 太原 030013； 2.西北大学地质学系/大陆动力学国家重点实验室，陕西 西安 710069)

摘要：选取吕梁地区黄土，通过静压压实制备三轴试样，在GDS振动三轴仪上研究含水率、干密度和加载频率对压实黄土动强度的影响规律。结果表明：压实黄土的动强度及动强度参数均随振次的增加而减小，随含水率的增大而减小，随干密度和加载频率的增大而增大，动强度与振次之间的关系可用对数方程进行拟合。研究对黄土地区填方区基础建设具有重要意义。

关键词：地区吕梁； 动三轴； 压实黄土； 动强度

0引言

黄土分布在我国地震多发且烈度较高的中西部地区，其干旱、半干旱的地域特征以及黄土自身的大孔隙架空结构和对水的特殊敏感性均决定了黄土动、静力学特性研究在黄土地区工程实践中的重要地位[1]。王志杰[2-4]、王家鼎[5]、谷天峰[6]、郭乐[7]、王念秦[8]、王峻[9]、张希栋[10]、SunJing[11]、YangChuancheng[12]等学者在黄土的动力学性质研究方面都取得了丰硕的成果。

随着黄土地区城市用地紧张的矛盾日益突出，在高填方地区进行基础建设成为了新趋势。因此进行压实黄土的动力稳定性研究对黄土地区的抗震减灾具有重要意义。刘保健等[13]通过动三轴试验分析了压实黄土的应力松弛随湿度、围压、激振频率和初始应变变化的关系；李焱等[14]利用动扭剪三轴仪得出压实黄土动强度及其参数均随振动频率的增大而增大；杨利国等[15-17]利用改进后的DTC-199型周期扭转荷载三轴仪研究了初始应力条件对压实黄土动力学性质的影响；李又云等[18]在大量动三轴试验的基础上研究了干密度、含水率及围压对压实黄土的动弹性模量、阻尼比影响。由于目前对压实黄土的动强度特性研究较少，且不够系统全面，造成对压实黄土的动强度特性认识不足。

本文选取吕梁压实黄土为研究对象，在GDS振动三轴仪上进行动三轴试验，研究含水率、干密度和加载频率等因素对压实黄土动强度特性的影响。

1试验概述

1.1试验仪器与试样制备

试验所用仪器为英国GDS振动三轴仪。该仪器主要由三轴压力室、轴向及侧向加压系统、反压压力体积控制器、数据采集器和计算机组成，可以精确完成动态应力下小应变三轴试验。

试验所用土样为吕梁第四系上更新统的马兰黄土。该黄土呈浅黄色，具大孔隙，结构疏松，垂直节理发育，含少量钙质结核，湿陷性较强。其基本物理指标见表1。

表 1　黄土物理性质指标

采用静压压实的方法制得三轴试样。制样过程如下：首先将土碾碎，烘干，过0.5mm细筛；然后按照预定的含水率进行配水，搅拌均匀后将土样密封放置;待其充分浸润后，取一定质量的黄土装入磨具中，将其放置于千斤顶上，通过静压将土体均匀压实，然后脱模,将制备好的试样风干到预定含水率，放入干燥器中养护。

1.2试验方案

本次压实黄土的动力学试验采用应力控制加载方式，对试样施加动荷载。试验固结比选取1.69。

试验控制含水率分别为6%、10%、12%、14%和18%，控制干密度分别为1.6g/cm3、1.7g/cm3和1.8g/cm3，控制加载频率分别为0.1Hz、0.5Hz、1Hz、5Hz和10Hz。试验过程中围压选取100kPa、200kPa和300kPa。

1.3破坏标准

土的动强度通常被定义为在一定次数动荷载作用下产生某一指定破坏应变所需要的动应力[19]。王兰民[1]研究发现对黄土来说，这一指定应变分别取为屈服应变和3%较为合理；当动应力-动残余应变曲线上屈服点很明显时，试样破坏应变取屈服应变；当动应力-动残余应变曲线上屈服点不太明显时，取3%作为破坏应变。

在压实黄土动强度试验过程中发现：由于黄土经过重塑后压实，其结构和含水率与原状黄土差异很大，屈服点不明显时使用应变3%的破坏标准与压实黄土的实际破坏情况不符。根据试样破坏的实际情况，在试验过程中，当有明显屈服点时取屈服点；没有明显的屈服点时，取累积残余应变5%为破坏标准。

2试验结果

2.1各因素对动强度的影响

由图1可以看出，压实黄土的动强度随振次的增加而减小。如图1(a)所示，振次相同时动强度随含水率的增大而减小。这是因为黄土对水的作用非常敏感，含水率的增大降低了土粒之间的摩阻力，黏土颗粒表面的结合水膜增厚，导致原始黏聚力减小，此外，黏粒遇水导致其胶结性弱化，削弱了黄土的结构连接强度。

如图1(b)所示，在振次相同的情况下动强度随干密度的增大而增大。干密度较小时，土体结构松散，土颗粒间联接力较小；随着干密度的增大，单位体积内的土颗粒明显增多，土颗粒间联接力增大，滑移困难，导致土体动强度增大。

图1　不同因素对压实黄土动强度的影响Fig.1　The dynamic strength of compacted loess under different affecting factors

如图1(c)所示，相同振次下动强度随加载频率的增大而增大。这是因为在高频时，每个振次中应力加载在土体上的时间较短，土体来不及在该级动应力下发生完全变形，即土颗粒滑移进行重新排列的时间不充分，造成土的抗剪强度增大；反之，低频时土体变形充分。剪力一定时，低频荷载下土体达到破坏所需的循环荷载相对更少，表现为土体抗剪强度的减小。

2.2动强度随振次变化规律

由图1可知，动强度σdf随lgN的增大大致呈线性下降。为了对压实黄土动强度与振次的关系有更加直观的认识，用式(1)对所有实验数据进行拟合，拟合结果见表2。

(1)

式中：σdf为为动强度(Pa)；N为振次；a、b均为公式拟合常数。

表 2　σdf与N公式系数

由表2可以看出，对动强度σdf与振次N的关系进行拟合后，拟合所得公式的相关系数基本上均在0.9以上。这表明动强度σdf与振次N相关性明显，可用对数方程进行拟合，常数a、b仅随着土体的条件不同而取值不同。

因此，根据上述拟合所得公式可以较为准确地确定不同条件下的压实黄土在各振次下破坏所需的动应力。

2.3各因素对动强度参数的影响

根据上述拟合所得公式，分别求取振次为5、10、20、40、60、80、100、120、140和160次时，压实黄土在100、200和300kPa围压下破坏所需动应力，再根据文献[8]的方法求得其动强度参数，绘制cd-N、φd-N散点图。

由图2可以看出，在相同振次下压实黄土的动黏聚力cd和动内摩擦角φd均随土体含水率的增大而降低。这表明随着含水率的增大，压实黄土的颗粒胶结明显减弱，在动应力作用下结构强度受含水率的影响迅速降低，cd和φd均显著降低。

图2　含水率对压实黄土动强度参数的影响Fig.2　Effect of moisture content on dynamic strength parameters of compacted loess

由图3可以看出，在振次相同的情况下，压实黄土的动黏聚力cd和动内摩擦角φd均随土体干密度的增大而增大。这是因为随着压实黄土干密度的增大，单位体积内的土颗粒数增加，促使黄土颗粒咬合更加紧密，在联结力增大的同时土颗粒间不易产生相对滑动，导致土体结构强度增加，表现为cd和φd的同时增大。

图3　干密度对压实黄土动强度参数的影响Fig.3　Effect of dry density on dynamic strength parameters of compacted loess

由图4可以看出，振次相同时压实黄土的动黏聚力cd和动内摩擦角φd均随加载频率的增大而增大。这是因为加载频率不同时，土体在动应力作用下的变形特点不同。低频时，在动应力作用下土体变形充分，在较少的振次下土体即被振松，土颗粒之间的摩擦力和咬合力减小；高频时，土体来不及在动应力下发生变形，需在更多的振次下才能达到低频较小振次下的变形效果。因此，与低频振动相比，高频时土的cd和φd较大。

图4　加载频率对压实黄土动强度参数的影响Fig.4　Effect of loading frequency on dynamic strength parameters of compacted loess

由图2～图4可知，压实黄土的动黏聚力cd和动内摩擦角φd均随振次的增加而减小并最终趋于稳定。这是由于初始状态下土体内部土颗粒之间呈现一种平衡和稳定的状态，产生一定的摩擦力和咬合力；随着在土体上持续施加动应力，动剪力逐渐将处于稳定位置的土颗粒拖离，导致土体从弹性变形阶段进入塑性变形阶段，土体被振松，土颗粒间的摩擦力和咬合力减小，表现为黏聚力和内摩擦角的减小。随着振次的增加，土颗粒重新排列并重新达到一种稳定的平衡状态，表现为黏聚力和内摩擦角逐渐趋于稳定。

3结论

本文利用英国进口的GDS振动三轴仪研究含水率、干密度和加载频率等因素对吕梁压实黄土动强度特性的影响，得出以下结论：

(1) 压实黄土的动强度和动强度参数均随振次的增加而减小，动强度和振次的关系可用对数方程进行拟合。

(2) 压实黄土的动强度和动强度参数均随含水率的增大而减小，随干密度和加载频率的增大而增大。

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DynamicStrengthPropertiesofCompactedLoessBased

onDynamicTriaxialTest

WANGJun-hai1,LIUYa-ming2

(1. Shanxi Investigation Research and Design Institute, Taiyuan 030013, Shanxi, China;2.State Key Laboratory of Continental Dynamics, Department of Geology, Northwest University, Xi’an 710069, Shaanxi, China)

Abstract：With ongoing western development, new urban construction in high-fill areas is a growing trend. Therefore, conducting research on the dynamic strength properties of compacted loess has important significance for the construction of large-scale infrastructure in loess areas of high seismic intensity. In this paper, with Lvliang compacted loess as the research object, we prepared triaxial specimens by static compaction. During the dynamic triaxial tests, we used stress control loading to apply dynamic load to the specimens. After sample loading, first, we applied a predetermined confining pressure to the specimen. Second, we applied a bias voltage to it. After consolidation was complete, dynamic stress was applied to the sample. When the specimen became damaged, we stopped loading. We preset the number of dynamic stress vibration times as 200. We performed many dynamic triaxial tests using dynamic triaxial apparatus to study the dynamic strength properties of Lvliang compacted loess including moisture content, dry density, and loading frequency. The results indicate that the dynamic strength of compacted loess decreases with an increased number of vibration times, and this relationship can be fitted to a logarithmic equation. The dynamic strength parameters of compacted loess decrease with an increase in moisture content and increase with increases in dry density and loading frequency. The dynamic cohesive force and dynamic internal friction angle decrease with an increase in the number of vibration times and then finally tend to stabilize.

Key words：Lvliang area; dynamic triaxial; compacted loess; dynamic strength

收稿日期：①2015-08-31

基金项目：国家自然科学基金(41372269)

作者简介：王军海(1970-)，男，河南林州人，高级工程师，从事岩土工程勘查与设计的生产与科研工作。E-mail：wjh4036@126.com。

中图分类号:TU352.1

文献标志码：A

文章编号:1000-0844(2016)03-0439-06

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2016.03.0439