振动频率对重塑粉质黏土动力响应特性的影响

吴 豪 邓全胜 张国栋 谢 强

(1. 三峡大学 湖北长江三峡滑坡国家野外科学观测研究站， 湖北 宜昌 443002；2. 三峡大学 三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心， 湖北 宜昌 443002； 3. 三峡大学 湖北省地质灾害防治工程技术研究中心， 湖北 宜昌 443002)

动荷载作用下土体动力响应的主要影响因素包括三个方面：一是土体固有的物理特性(土体类别、级配和粒径大小、密度、孔隙比等)；二是初始应力条件；三是加载条件(应力水平或动应力幅值、动载波形、频率、持续时间及作用方向等)．在动荷载作用下，土体累计变形量、累计孔隙水压力和动强度是土体稳定性评价、土体变形控制的关键指标．由于不同类型的土，其动力响应具有显著的差异，不同的学者开展了不同类型土体的动力响应研究．

Matsui[1]对Ip=55 Senri黏土，在振动频率0.02～0.5 Hz作用下的动三轴试验结果表明，循环次数一定情况下，加荷频率越低(0.02～0.5 Hz)，产生的孔隙水压力和轴向应变越大．章克凌、许才军等[2-4]对饱和黏土的孔压增长特性进行了研究，正常固结饱和黏土，在确定的循环剪应力作用下，孔隙水压力随振动频率(0.02～0.5 Hz)的增高而降低．张茹等[5]开展了振动频率对饱和黏性土动力特性影响的研究，认为频率在0.1～4 Hz时，动强度随频率的升高而增大，频率继续升高后，动强度有下降趋势，频率在0.1～1 Hz时，频率愈高，动孔压比愈大，频率在1～6 Hz时，总的趋势是频率愈高，动孔压比愈小，动模量随频率增高而增大．郑刚[6]等做了一系列原状和重塑样黏土动荷载试验，发现振动频率(0.2～5 Hz)对重塑土孔压发展影响较小，振动频率对动弹性模量有较大影响．

上述研究成果集中反映了振动频率对黏性土强度、变形和孔压的影响特性，尚未取得较为一致的研究成果．对于粉质黏土，其物理力学特性与黏性土有本质差异，振动频率对其累计变形和孔压的影响如何?为此，本文以粉质黏土为研究对象，以动三轴为试验手段，开展振动频率对粉质黏土累计变形、动模量和孔压发展特性的影响研究，为粉质黏土在工程设计中的应用提供参考．

1 试样制备及试验方案

1.1 试样制备

试验土样取自于三峡库区树坪滑坡的东侧滑带土．按照土工试验规程推荐的方法对土样进行采集、运输及保管．试验土样采取先清除表层碎土和杂土，然后用土工试验筛筛选出粒径小于2 mm的土样，取出的土样用两层塑料袋密封保存．试验所用的土样最大粒径为2 mm，采用筛分法与密度计法对试验土样进行颗粒级配分析，小于0.075 mm的含量为86%，所用土样的基本物理指标见表1．该土样为粉质黏土．试样直径61.8 mm，高120 mm．试样制备完备后，采用真空饱和法饱和，饱和度为97.6%．

表1 主要物理参数

1.2 试验方案

试验仪器采用陕西力创研发的应变控制式的SDT-10微机控制电液伺服土动三轴试验机．将制备好的试样排水固结24 h后关闭排水阀．循环荷载试样采用应力控制加载方式，加载波形由伺服系统生成，选用正弦波，振动频率分别为2 Hz、5 Hz和6 Hz．有效围压采用200 kPa，循环应力幅值为100 kPa，固结比取1.0．加载过程中，加载次数、轴向压力、孔压、轴向变形等数据由电脑采集处理．以试验轴向累计变形5%为破坏标准，进行试验结果分析．

2 试验结果与分析

2.1 振动频率对累计变形的影响

图1～2分别为围压200 kPa，动应力幅值100 kPa下，在振动频率为2 Hz、5 Hz和6 Hz作用下饱和粉质黏土的轴向累计变形的时程曲线和轴向累计变形随振动次数的变化曲线．

图1 不同振动频率下轴向累计变形时程曲线

图2 不同振动频率下振动次数与轴向累计变形关系曲线

从累计变形的时程曲线图1可以看出，不同频率下土体的变形变化趋势较为一致，试样轴向累计变形达到稳定与振动频率和作用的时间有关．振动频率越小，试样轴向累计变形越大．图2反映随振动次数的增加，土体的变形不断增大，并最终趋于稳定，振动频率越低，变形达到稳定状态的所需次数越少，累计变形越大．当振动频率为2 Hz时，振动次数达N=1 500以后趋于稳定，稳定时变形为12.5%，当振动频率为5 Hz时，振动次数达N=2 500以后趋于稳定，稳定时变形为10%，当振动频率为6 Hz时，振动次数达N=4 000以后趋于稳定，稳定时变形为8.9%．若以变形5%为破坏标准，频率为2Hz时达到破坏需要N=250次，频率为5Hz时达到破坏需要N=400次，频率为6Hz时达到破坏需要N=750次．

图3表示饱和粉质黏土在不同振动频率下，振动频率与最大轴向累计变形的关系，随着振动频率的增大，达到变形稳定时的变形值减小．出现这一现象的原因是：频率越高，振动越快，试样固结程度越高，孔隙比越小，试样越稳定，在相同动应力作用下，累计变形越小．

图3 不同振动频率与最大轴向累计变形关系

2.2 振动频率对孔压的影响

图4、5分别为围压200 kPa，动应力幅值100 kPa下，振动频率为2 Hz、5 Hz和6 Hz作用下饱和粉质黏土累计孔压发展的时程曲线和孔压比随振动次数的变化曲线．从累计孔压的时程曲线图4中可以看出，在不同振动频率作用下试样累计孔压的发展较为类似．振动频率为2 Hz和5 Hz时，累计孔压的发展在设定的振动次数范围内达到稳定，其值分别在120 kPa和100 kPa左右，而振动频率为6 Hz时，累计孔压的发展在设定的振动次数内还有缓慢增加的趋势．

图4 不同振动频率下累计孔压的时程曲线

图5 不同频率下振动次数与孔压比关系

图5反映振动频率对孔压比的影响，随着振动次数的增加，孔压比先增加，其中，在频率为2 Hz时，孔压比发展较快，在频率6 Hz时，孔压比发展较为缓慢，振动频率越高，孔压比增长越慢．通过对试验数据分析，当振动频率为2 Hz时试样孔压达到稳定时动孔压比为0.6；频率为5 Hz时试样孔压达到稳定时的孔压比约为0.53；当振动频率为6 Hz时，随着振动次数的增加，孔压增长最慢，振动次数超过N=20 000次时，随着振动次数的增加，孔压仍在缓慢增加．本文的试验结果与文献[5，7-9]中一些黏性土孔压的发展模式有相似之处．即粉质黏土中含有一定粘粒，渗透系数较小，频率越高，在振动开始阶段，动孔隙水压力来不及上升和扩散，致使孔隙水压力增长较快，试样有吸水现象，表现在图形上即孔压比越小，斜率越小．

2.3 振动频率对动弹性模量的影响

图6为固结围压200 kPa，动应力幅值100 kPa，在振动频率为2 Hz、5 Hz和6 Hz作用下饱和粉质黏土的动弹性模量随轴向累计动应变的变化曲线．图中3组动弹性模量的发展高度重合，随着累计动应变的发展，土体动弹性模量在初期迅速减小，表现出应变软化的性质，当累计动应变超过2%后，动弹性模量基本保持不变．振动频率对动弹性模量影响较小．

图6 不同频率下动应变与动弹性模量关系

3 结 论

通过对三峡库区树坪滑坡重塑饱和粉质黏土进行不同振动频率下的动力三轴试验，分析了振动频率对轴向累计变形、孔压比和动弹性模量的影响，得出以下结论．

1)振动频率越高，变形达到稳定状态的所需次数越少，累计变形也越小．

2)振动频率越高，孔压增长越慢，达到稳定时孔压比越小．

3)振动频率对动弹性模量的发展影响不大，随着振动次数的增加，土体动弹性模量不断减小，当动应变超过2%后，动弹性模量基本保持不变．

[1] Matsui Tetal． Estmiation of shear characteristics degradation and stress strain relationship of saturated clays after cyclic loading[J]． Soils and Foundations，1992，32(1)：161-172．

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