河南湿陷性黄土的动剪切模量和阻尼比试验

胡鑫 胡超 顾晓强 奚妍

摘要：为了研究河南地区湿陷性黄土的动力特性，对不同有效围压下的原状黄土样和饱和黄土样进行了GDS共振柱试验，测定了小应变范围内黄土的动剪切模量与阻尼比。试验结果表明，原状黄土样和饱和黄土样的动剪切模量随着有效围压的增大而增大;在相同的有效围压下，原状黄土样的动剪切模量大于饱和黄土样的动剪切模量;原状黄土样和饱和黄土样的动剪切模量随着动剪应变的增大而减小，在初始阶段，原状黄土样的动剪切模量衰减速度大于饱和样的，后期两者衰减速度趋于相等;原状黄土样和饱和黄土样的阻尼比随着动剪应变的增大而增大，在初始阶段，原状黄土样的阻尼比增速大于饱和样的，后期两者增速趋于相等。

关键词：河南地区湿陷性黄土;共振柱;动剪切模量;阻尼比;动剪应变

中图分类号：P333

文献标志码：A

doi：10. 3969/j .issn.1000 -1379.2020. 01.028

河南省分布着大面积的湿陷性黄土，一遇水即崩解、湿陷，引起杆塔基础出现不同程度的变形，严重影响输电线路的安全稳定。土的动剪切模量与阻尼比是必不可少的重要动力参数，其选择是否合理，直接影响到工程的安全和经济性[1]。因此，十分有必要对河南地区的湿陷性黄土进行动力特性研究，以指导实际工程的开展。

众多学者针对黄土的动剪切模量和阻尼比展开过相关研究。李启鹞等[2]在模拟地震荷载作用下，对西安地区原状黄土开展循环三轴试验，试验表明剪应变幅值、孔隙比、平均有效周围压力、土的湿度和结构性对土的动剪切模量和阻尼比有重要影响，并发现黄土的阻尼比随应变幅值变化的规律较为复杂。朱克廉等[3]通过动三轴试验，研究了黄土动剪切模量和阻尼比的影响因素，并得到了可用于工程实践的黄土动剪切模量和阻尼比的经验公式。王志杰等[4]基于动扭剪三轴试验，研究了陕西原状黄土的含水率与不同初始平均主应力对原状黄土动剪切模量与阻尼比的影响，研究表明含水率越大则阻尼比越大，而初始平均主应力对原状黄土阻尼比随动剪应变变化的影响不明显。王洋等[5]利用GDS共振柱试验系统，分析总结了兰州某地区黄土的动剪切模量与剪应变、动阻尼比与剪应变的关系，得出围压对黄土动剪切模量和阻尼比的影响规律，对研究黄土的动力特性进行了一些探索，为实际工程设计提供动力参数。李铮等[1]对山西某土石坝坝基黄土进行了共振柱与动三轴试验，试验结果表明，山西黄土动剪切模量与阻尼比均显著受初始含水率影响，其归一化的动剪切模量能够用修正的Hardin模型进行拟合，并给出了相关参数。

黄土在我国分布面积较广，但由于各地的地理位置、环境特点和气候条件不同，因此所呈现出的孔隙结构和力学特性各不相同，有必要对各个区域的黄土进行专门研究。河南输电线路沿线地区湿陷性黄土的动剪切模量与阻尼比相关研究较少，因此笔者以河南地区的湿陷性黄土为研究对象，研究其饱和前后动剪切模量和阻尼比的变化规律。

1 试验方法

1.1 试验仪器及方法

试验采用英国GDS的带有弯曲元功能的共振柱系统，如图1所示[6]。该共振柱为下端固定一上端自由的Stokoe型，围压可通过气压加载，也可通过水围压和气压联合加载。在试样顶帽和底座中心处内置弯曲元，宽11 mm，厚1.2 mm，插入土的深度为2 mm。通过外部控制盒改变接线方式，该弯曲元能同时进行压缩波和剪切波测试，因此可称为弯曲一伸展元。试验输入信号波形和频率可根据用户自定义输入。试样为直径50 mm、高度100 mm的圆柱形。

1.2 试验土料及制备

试验采用河南地区的黄土原状样。该黄土表面呈浅黄色，土质较硬，触手呈粉状，表观多孔。黄土样的基本物理性质指标见表1.采用比重计法测定的黄土颗粒级配曲线见图2。饱和样制备，是将一个干燥的原状黄土样放到饱和器内超过24 h，将土样抽真空饱和。试样饱和后测量其饱和度。在试样周围施加各向均等围压△σ3，并量测产生的孔隙水压力△μ，确定孔隙水压力系数B，来反映饱和度，试验结果显示B大于0.95。

1.3 試验方法

试验过程分为准备过程和测试过程。准备过程主要是将土样装样，并进行加压固结，仪器中内置的高精度LVDT可以测定土样固结过程中的竖向应变。共振柱测试阶段，首先在30-150 Hz范围内以5 Hz为增量频率进行粗扫，大致确定共振频率范围。在粗略共振频率的±10 Hz范围内以1 Hz为增量频率进一步粗扫，确定粗扫频率。最后在粗扫频率的±1 Hz范围内以0.1 Hz为增量频率进行细扫，确定土样的共振频率和阻尼比。因试样在振动过程中应变小于10-4时受损很小，故可认为试样不受损伤。对每个试样施加4个不同的围压进行试验，本次试验采取的围压分别为50、100、150、200 kPa，测定相应围压下土样的共振频率。在150、200 kPa围压下，测试每个土样的共振频率和阻尼比随剪切应变的衰退曲线。

2 动剪切模量

2.1 有效围压对动剪切模量的影响

原状黄土样和饱和黄土样的动剪切模量Go与有效围压P的关系如图3所示。有效围压对原状样和干燥样的动剪切模量的影响一致，围压越大，动剪切模量越大，王志杰等[4.7-8]在试验过程中都发现了这一规律。有效围压的增大对黄土有明显的箍紧作用，可减小黄土的孔隙比，使土颗粒间结合更紧密，有效围压越大，土样抵抗剪切变形的能力越大，表现为动剪切模量增大。

2.2 试样饱和对动剪切模量的影响

在相同有效围压下，饱和黄土样的动剪切模量相比原状黄土样大幅度减小。天然黄土在干旱、半干旱的气候条件下自然沉积，形成了大孔隙骨架结构，颗粒间形成复杂的物理化学胶结作用，导致原状黄土样具有较好的结构性，因而具有较强的抵抗剪切变形的能力。骆亚非等[8-9]对黄土在不同含水率下的动剪切模量进行研究，均发现随着黄土含水率的增大，动剪切模量减小。目前有两种假说可以解释这种现象：一是凝聚力降低或消失的假说，该假说认为黄土颗粒间楔入的水膜溶解了颗粒间的胶结物，导致颗粒间凝聚力消失，黄土内部骨架孔隙结构被破坏，黄土整体抗剪能力下降;二是黄土中含有的黏土颗粒膨胀导致土粒间抗剪强度丧失的假说，它指出黏土颗粒因吸附大量水分而发生体积膨胀，将黄土的骨架结构分开，导致抗剪强度大幅度降低。这两种假说从不同的角度说明了黄土会因含水率的增大而引起动剪切模量大幅减小。

2.3 剪应变对动剪切模量的影响

原状黄土样和饱和黄土样在200 kPa围压下的归一化动剪切模量G/Go与剪应变y的关系见图4。由图4可知，原状样和饱和样的归一化动剪切模量都随着剪应变的增大而减小，原因是随着剪应变的增大，土颗粒发生相互错动，土体逐渐破坏并降低抗剪切变形的能力，剪应变越大，归一化动剪切模量越小。

在动应力施加的初始阶段，原状黄土样的归一化动剪切模量随着剪应变的增大而减小的速度比饱和样的快。因为原状黄土样具有天然的孔隙骨架结构，抵抗剪切变形的能力较强，所以在动应力施加的初始阶段，原状黄土样除了因剪应变增大而引起土颗粒错动外，还因孔隙骨架结构破坏而导致动剪切模量减小。而饱和样因水膜作用，天然的孔隙骨架作用已经被破坏，故在动应力施加初期，归一化动剪切模量的减小只是受剪应变引起的土颗粒错动影响。这就解释了初始阶段原状样归一化动剪切模量衰减速率大于饱和样的原因。随着剪应变的增大，原状样和饱和样都失去了黄土的原生结构，因此两者的归一化动剪切模量后期衰减速度随着剪应变的增大大致相同。

3 阻尼比

黄土阻尼比反映了地震能量在黄土中传播时损失的程度，也就是地震波在传播过程中的衰减情况，它是黄土动力特性的一个重要指标[10]。原状黄土样和饱和黄土样在150 kPa围压下的归一化阻尼比D/Do与剪应变的关系见图5。由图5可见，原状样和飽和样的阻尼比都随着剪应变的增大而增大，原因是剪应变越大，土颗粒间发生的错动越剧烈，因互相摩擦而消耗的能量越多，土体逐渐被剪坏。同时，在应力初始施加阶段，原状样的归一化阻尼比上升速度明显大于饱和样的归一化阻尼比上升速度，原因类似2.3中所述，原状黄土在初始阶段除了因剪应变增大而导致土样错动外，还因黄土原生结构破坏而引起归一化阻尼比上升，而饱和黄土的原生结构在水膜的楔入作用下已经破坏了。在应力施加的后期阶段，原状样与饱和样的归一化阻尼比上升速度相近，都是因剪应变引起土样错动而导致的。在王志杰等[11]的研究中有类似的发现。

4 结语

以河南地区的湿陷性黄土为研究对象，通过GDS共振柱试验对在不同围压下的原状样和饱和样动剪切模量和阻尼比进行了分析，得出如下结论。

（1）有效围压和试样饱和与否对黄土的动剪切模量有显著影响。原状黄土样和饱和黄土样的动剪切模量都会随着固结应力的增大而增大;在相同的有效围压下，原状黄土样的动剪切模量大于饱和黄土样的动剪切模量。

（2）原状黄土样和饱和黄土样的动剪切模量都随着剪应变的增大而逐渐减小，在初始阶段，原状黄土样动剪切模量减小的速度大于饱和黄土样的减小速度，随着剪应变的增大，两者的减小幅度趋于相等。

（3）原状黄土样和饱和黄土样的阻尼比都随着剪应变的增大而逐渐增大，在初始阶段，原状黄土样阻尼比增大的速度明显大于饱和黄土样的增大速度，随着剪应变的增大，两者的上升速度趋于相等。

参考文献：

[1]李铮，李宏恩，何勇军，山西黄土动剪切模量与阻尼比试验研究[J].防灾减灾工程学报，2014，34（4）：523-528.

[2] 李启鹞，程显尧，蔡东艳，地震荷载下黄土的动力特性[J].西安建筑科技大学学报（自然科学版），1985（3）：9-37.

[3]朱克廉，周新赞，黄土动模量和阻尼比的试验研究[J].西安建筑科技大学学报（自然科学版），1991（2）：151-157.

[4] 王志杰，骆亚生，杨利国，等，预剪应力作用下原状黄土动力特性试验研究[J].岩土力学，2011（ s2）：290-295.

[5] 王洋，杨焕玲，兰州某地区黄土动剪切模量与阻尼比试验研究[J].工程勘察，2017（2）：293-300.

[6]顾晓强，杨峻，黄茂松，等，砂土剪切模量测定的弯曲元、共振柱和循环扭剪试验[J].岩土工程学报，2016，38（4）：740-746.

[7] 崔文鉴，孙远茹.陕西东坡地区原状黄土动剪切模量及阻尼比的试验研究[J].地震工程学报，1990（4）：60-68.

[8]骆亚生，田堪良，非饱和黄土的动剪模量与阻尼比[J].水利学报，2005，36（7）：830-834.

[9] 陈存礼，何军芳，高鹏，不同含水量下原状黄土的动力变形特性[J].西安理工大学学报，2006，22（4）：390-394.

[10]张振中，黄土地震灾害预测[M].北京：地震出版社，1999：10.

[11] 王志杰，骆亚生，王瑞瑞，等，不同地区原状黄土动剪切模量与阻尼比试验研究[J].岩土工程学报，2010，28（9）：1464-1469.

【责任编辑 张华岩】

收稿日期：2018- 04- 27

基金项目：国网河南省电力公司科技项目（ 5217L016000J）

作者简介：胡鑫（1975-），男，河南郑州人，高级工程师，主要从事高压输电线路技术研究工作