风荷载下的黄家仑地区残积土动静力特性研究

易 军

(四一四地质队，湖南 益阳 413000)

残积土作为一种孔隙率大、压缩性高和抗剪强度低等特点的土体，工程性质较差[1]，在我国中南部山区分布广泛[2].随着我国对山区资源的开发，受条件制约，许多工程以残积土作为持力层.在后期运营过程中受到外部荷载影响，特别是例如冲击荷载和风荷载等动荷载作用下极易引发工程事故.国内外学者从20世纪80年代开始对于残积土的工程性能研究逐渐增多[3]，并取得了许多有借鉴价值的研究成果.

室内土工试验方面，黄志崙等[4]对深圳花岗残积土进行了一系列类土工试验，发现常规试验方法不能准确反映残积土的真实性状，其针对一些参数(液性指数、土的单位容量、比重、颗粒分析等)总结了花岗岩残积土的土工试验流程.原位试验方面，阳发清等[5]对厦门某建筑持力层进行了原位测试实验，通过比较常规地勘资料提出了垂直固结系数和变形特性之间的联系，并提出了指标要求.针对残积土的崩解特性，张抒等[6]自制了崩解试验仪器对广州片区花岗岩残积土的崩解特性做了进一步研究，从微观角度分析了花岗岩残积土的崩解机理.在三轴试验研究方面，方祥位[7]和蒋刚等[8]利用GDS三轴试验，对花岗岩残积土重塑土试样进行了剪切试验，得出了不同加载条件下的应力-轴应变曲线，并且对其应变特性进行了总结，其压缩模量会随轴压升高而升高，试样加载时有剪缩特性.

目前我国对于残积土的研究集中在花岗岩残积土，但是，不同残积土的成因和矿物组成差异性较大，其抗剪特性也不尽相同.本文以黄家仑地区的拟建山区风电场的残积土层为研究对象，对其进行了一系列的三轴试验，研究了其动静力学特性，对指导此类土的工程设计具有重要的实际意义.

1 黄家仑地区残积土的类别

国内对于残积土的分类一般参照刘立明[9]和张永波[10]等根据母岩类型和颗粒粒径来划分残积土的类别，随着研究深入，发现残积土的细颗粒含量较多，许多学者参照细粒土的分类标准也将塑性指数作为分类标准[11].

1.1 地层情况

通过区域勘查的方法揭露了黄家仑的地层主要为第四系残坡积层(Q4el+dl)和石炭系(C1d)石英砂岩及灰岩层，各地层特征分述如下：

(1)第四系残坡积层(Q4el+dl)

主要由人工填土和砾质黏性土组成，厚度0～10m，主要分布于山前坡麓地带、斜坡坡面及平台、谷底，土体结构松散.

(2)石炭系(C1d)

石英砂岩分别在边坡的岩土接触面以下，沿深度向下呈强～中风化，近地表呈强风化状态，风化厚度约1～3m，裂隙发育，岩石破碎；石英砂岩以下为中风化灰岩，岩溶不发育，岩石完整，分布于整个滑坡区.

根据地勘所揭露的地层情况来看，此区域的残积土多由石英砂岩风化而来，其特性可能遗留自石英砂岩[12]，根据母岩性质可以将黄家仑地区的残积土划分为泥沙质岩残积土.

1.2 颗粒粒径分析

从原地貌残积土边坡取回原状土，挑出大块碎石和草梗，将土样风干后碾碎，根据《公路土工试验规程SL 237-1999》[13]，过10mm筛后取土2kg进行标准筛分试验，并根据筛分结果绘制级配曲线，如图1所示.

根据上述筛分试验的结果，土样中粒径大于0.5mm的颗粒占土体总质量的73.5%，大于界限值35%，判定此残积土为砂砾质土.

1.3 黄家仑残积土液塑限试验

根据《公路土工试验规程SL 237-1999》，取具有天然含水率的原状土样，过0.5mm筛，制备三种接近液限、塑限和中间状态三种不同稠度的土膏，并用湿润的毛巾覆盖，静置24h后使用圆锥仪进行试验，记录三个试样的圆锥下沉刻度和含水率，并绘制入土深度和试样含水率的对数曲线，如图2所示.

由图可知，对应于圆锥探头入土深度20mm的含水率为35.7%.根据土工试验规程，此深度对应的含水率即为该土体液限ωL.再通过查表可知该土体的塑限ωP，即圆锥锥入深度2mm对应的含水率为22.1%.又因为此土体的天然含水率为25.2%，通过公式计算可得该地区土体的塑性指数IP和液性指数IL分别为12.44和0.23，判定此土体属于黏性土.

根据以上试验分析，可以将黄家仑地区的残积土判定为砂砾质黏性泥沙质岩残积土，并且此土体在自然状态下处于硬塑状态(0

2 试验方案

2.1 试验材料

三轴试验所采用的试验土样均来自于黄家仑地区山体边坡的残积土层，将其过2mm孔径的筛，剔除碎石和草梗等杂质对试样的影响，并排除尺寸效应.

2.2 试验步骤

本次试验的方案是利用GDS动三轴试验仪对黄家仑地区残积土重塑土土样进行不同围压情况下的动静三轴试验，研究砂砾质黏性泥沙质岩残积土在围压改变的情况下力学特性的变化.

试样的制备按照《公路土工试验规程SL 237-1999》中对于扰动土样的制备要求进行处理.在土体的最优含水率(26%)的条件下击实，为了确保在最优含水率时击实，土体在制样前复测含水量；为了使试样均匀击实，将土体等分为5层击实，并在模具和垫片上涂抹凡士林方便脱模.

试验考虑土的最不利状况，所以需要将土体进饱和处理，将制备好的试样装入饱和器中静置24h，进行100%饱和后取出立即装样，安装好的试样如图3所示.

在进行静三轴试验时设置试验工况分为围压100kPa、200kPa和300kPa的不固结不排水试验.实验采用控制轴压控制器下沉速率的方法对试样进行加载，当轴向应变达到20%时默认试样发生破坏，实验终止.

动三轴试验选用的动荷载为此区域主风速(11m/s)所对应的随机风荷载作用下的风力发电机最大基底压力波动曲线[14].由于动三轴试验加载周期过长，试验围压设定为100kPa和300kPa，仅设置一组对照组.在进行抗剪强度试验时采用分级加载的方式进行加载，为了保证实验数据的完整可靠，每一级加载都将荷载循环四次，具体的初始加载曲线如图4所示，并假定初始加载曲线为第一级加载阶梯，加载阶梯差为15kPa，当试样累计应变达到5%时停止加载，默认试样发生破坏.

在确定动荷载的基础上设置疲劳试验，将初始荷载循环333次，实际冲击试样超10000次，测试此残积土的疲劳特性.

3 试验结果分析

3.1 静三轴试验试样破坏形态及应力-应变关系

按照试验方案得到了不同围压条件下的试样的破坏形态数据.具体的破坏情况如图5所示.

如图所示试样出现了两种破坏形式，在围压为100kPa和200kPa的情况下，试样均在顶部出现鼓胀，但是在围压提升到300kPa后，试样在下部出现鼓胀，出现剪切破坏初期特征.

围压的提升会在加载初期对实验起到约束颗粒移动的作用，在荷载达到临界点后，试样内部薄弱面会有裂隙发展诱发试样破坏.

图6是三种不同围压下的黄家仑地区残积土试样的应力-应变曲线，应力-应变曲线除了可以直接表现试样的变形特征和抗剪强度，还可以作为绘制摩尔应力圆的依据，进一步得出土体的抗剪强度参数.

图中可以看出，试样的抗剪强度随围压的上升而上升，其中围压100kPa至200kPa的抗剪强度提升明显.围压300kPa下的应力应变曲线的偏压在经历峰值后有小幅下降，在应变为20%的位置和围压200kPa下的应力应变曲线相交，说明黄家仑地区残积土受土体承载力影响，围压对抗剪强度的提升存在边际效应.

通过绘制摩尔应力圆，以此分析土体的内摩擦角φ和黏聚力c.考虑到土的应力应变曲线较为光滑，破坏点不明确，根据应力应变曲线中出现的第一个空载点绘制摩尔应力圆如图6所示.

图抗剪强度包络线中的切线夹角为土体的内摩擦角φ大小，在y轴上的截距为土体的黏聚力c值，由图可知黄家仑地区的残积土内摩擦角大小为13.12°，黏聚力大小为28.90kPa.

3.2 动力特性分析

3.2.1 应力应变曲线分析

围压为100kPa和300kPa时的动三轴试验应力-应变曲线如图7所示.

围压为100kPa的应力应变曲线前期应变很小，但在第六级阶梯上出现明显突变，应变出现几何式增长，并且出现“空载”现象，应力无法有效施加，试样微观结构已经出现破坏.当围压提升到300kPa后，应力应变曲线在经过前期的小形变时期后，围压很好地约束了土体颗粒位移，后期形变稳定增长，直至加载阶梯到达第十级，应变达到5%，试验自然终止，破坏时试样偏压由228kPa上升至298kPa左右.并且相对于静三轴试验，围压为100kPa时试样的动抗剪强度得到了大幅提升，提升幅度为63%，当围压提升至300kPa后，应变为5%时动静三轴对应的偏压基本一致.

根据国内学者的研究，风荷载作用下，风力发电机持力层的动力响应范围有限，在1～1.5倍基础半径范围内[15].根据黄家仑地区的主要风速情况，一般会选用的风机发电机型号为湘电风能XE93-2000 型，基础半径为9.25m.由此可知黄家仑拟建风电场在动力响应范围内的土体在动荷载作用下的固结效果显著，抗剪强度大幅提升，地基稳定性可以得到保障.

3.2.2 动弹性模量分析

由于动弹模随动应变的变化而变化，并且动弹模的倒数和动应变存在线性关系.根据土的动弹性模量的定义，绘制动弹模的倒数和动应变的关系曲线如图8所示，在数据的选取上为了避免加载阶梯对曲线曲率的影响，去除实验中前期应变增长较快的压实阶段，对应变平稳增长的每级加载阶梯的最后一次循环取代表数据，直至曲线出现明显转折，试样进入塑性应变.土的弹性模量定义式如下所示[16]：

Ed=σd/εd

(1)

其中：Ed表示动弹性模量；σd和εd分别表示轴向应力和轴向应变.

由上图易知,围压为100kPa和300kPa时，此残积土试样的动弹模的倒数基本保持一致，和一般研究所得的土体动弹性模量随围压上升而上升有明显区别[17].这是由于选取的动荷载为波动规律不显的风力发电机基底压力，选取的应力应变点是在加载阶梯末期，应变基本达到极限，围压对于前期应变的影响较小，所以在此曲线中围压的增加对土体的动弹性模量的影响十分有限.

3.2.3 动泊松比分析

动泊松比的定义为动弹性模量Ed和动环向弹性模量Edr的比值，根据泊松比的定义绘制动泊松比和应变的关系曲线如图9所示，其中动环向弹性模量的定义式和动弹性模量类似，如下所示：

Edr=σdr/εdr

(2)

式中：σdr和εdr分别表示滞回曲线环向应力和滞回曲线环向应变.

动泊松比的分布较为离散，泊松比和轴向应变间不存在线性关系，围压也没有明显的改变动泊松比的大小，泊松比的波动范围为0.33～0.37，和黏性土在不排水条件下的泊松比经验取值基本一致.

3.3 疲劳特性分析

利用GDSLAB记录试样的应力应变数据绘制成的曲线图如图10所示.试样在加载初期应变上升较快，但进入第二个循环后试验应变明显减小，加载后期试样基本不发生形变，应变维持在同一数值附近波动，由此可以判定此残积土在疲劳荷载下不易出现大幅值形变，对疲劳荷载响应不敏感，在主风速作用下的风力发电机基础不会发生疲劳破坏.

4 讨论

由于随机风荷载引起的风力发电机基底压力曲线的波动较大，并且不具有规律性，所以在绘制滞回曲线时滞回圈的形状并不圆润，在计算面积时会有较大的误差，所以本文没有进行分析.

受篇幅限制，本文选用的动荷载单一并且具有一定的局限性，有待在今后进行更加系统的分析.

5 结论

通过对黄家仑地区的残积土进行了一系列的室内土工试验和三轴试验，分析了其物理力学特性，得出以下主要结论：

(1)黄家仑地区的残积土属于砂砾质黏性泥沙质岩残积土；

(2)围压的提升能在一定程度上提升土体的静抗剪强度，但黄家仑地区残积土受土体承载力影响，围压对抗剪强度的提升存在边际效应；

(3)动荷载作用下，浅层土体的抗剪强度得到显著提升，但对于深层土体的影响有限；围压的提升对动强度的提升十分明显，主要约束了加载后期试样颗粒里的位移；在基底压力作用下的土体动弹模不随围压发生明显变化；动泊松比分布呈离散分布，分布范围为0.33～0.37；

(4)疲劳荷载对黄家仑地区残积土的应变影响有限，土体不会出现大幅形变；

(5)此区域残积土在天然状态下处于硬塑状态，静荷载作用下的抗剪强度较大，并且在基底压力作用下抗剪强度会得到进一步提升，可以考虑作为风力发电机的持力层.