非饱和绢云母片岩残积土动力特性试验分析

夏 雨， 张庆文， 李重阳， 刘 欢， 聂广影， 徐国林

(西南林业大学土木工程学院， 昆明 650224)

大临铁路作为中国面向东南亚和南亚文明对话和经济交流的前沿窗口和重要通道，对于落实“一带一路”倡议和孟中印缅经济走廊战略，打开中国和云南面向印度洋的大物流通道具有战略意义，绢云母片岩残积土广泛分布于大临铁路沿线浅层地表，因其风化程度高，遇水易湿化、崩解等特性，对沿线的工程设计与施工建设带来严峻的挑战。随着工程建设的不断推进，动荷载下工程病害时有发生，如路基开裂、边坡失稳及车辆荷载下残积土液化等现象。如何保证大临铁路沿线及其周边配套建筑设施在动荷载作用下安全建设和后续的健康运营，对工程建设人员及科研人员都是一个重点难点问题。

土的动剪切模量与阻尼比作为描述土体动力特性的重要参数，是分析和评估构筑物场地动力稳定性不可或缺的内容。一些学者基于此对盐渍土、膨胀土、黄土等的动力参数做了深入研究。赵福堂等[1]针对路基盐渍土开展了室内动三轴试验，研究了盐渍土在室内温度变化条件下动应力-动应变及动剪切模量的变化规律，指出温度的变化及动荷载频率的增加对盐渍土的动力特性参数影响较大。刘斌等[2]通过室内动三轴试验测定了重复荷载作用下非饱和黄土的动力参数及动本构关系，指出其动应力动应变关系可用双曲线模型表达，各类因素的影响对动弹性模量及阻尼比的影响较大。文少杰等[3]分析了在循环荷载作用下含水率及固结围压对海东地区原状黄土的动剪切模量与阻尼比的影响，发现当超过一定循环次数后含水率与固结围压对其动力参数影响显著。王志杰等[4]对重塑黄土在预剪应力的作用下，研究了土的干密度对其动剪切模量和阻尼比的影响。黄志全等[5]利用英国GDS公司生产的固定-自由型共振仪(RCA)对非饱和膨胀土进行了动力特性试验，研究了在不同自由膨胀率下非饱和膨胀土的动剪切模量和阻尼比的变化规律。陈国兴等[6]、刘雪珠[7]利用共振柱试验研究了南京地区新近沉积土的动力特性规律，详细探讨了围压大小，剪应变水平，土的颗粒组成和结构性对土的剪切模量及阻尼比的影响，并给出了动剪切模量比、阻尼比与动剪应变的试验曲线。白玉等[8]应用共振柱试验研究了两类黏土动剪切模量和阻尼比随剪应变和固结围压的变化规律，并结合了双曲线模型与前人的研究进行了对比，验证了其试验的正确性。蔡辉腾等[9]对福州地区6类典型土进行了室内共振柱试验，详细探讨了土的性质及固结围压对其动力参数的影响。

对于绢云母片岩残积土而言，其主要由粒状变晶石英及白云石组成，其物理力学性质异于其他残积土。当前对于非饱和状态下绢云母片岩残积土的动力特性尚不明确，基于此，对分布于大临铁路白石头试验段的绢云母片岩残积土开展室内共振柱试验，测定其动力参数，并研究不同含水率、干密度及固结围压对动剪切模量及阻尼比的影响，从非饱和微观角度对影响机理进行解释，以期为后续工程场地设计及地震安全评估提供理论依据和技术参考。

1 试验方案

1.1 试验仪器

试验采用江苏永昌科教仪器制造有限公司生产的GZZ-50型电磁激励式共振柱试验仪，该仪器可在土样未破损的小应变范围内(10-6～10-4)测定土样的动剪切模量和阻尼比。试样为直径50 mm、高100 mm的实心土柱，采用自由振动法。共振柱系统装置组成如图1所示。

图1 GZZ-50型电磁激励式共振柱试验仪

1.2 试验土样及物理力学参数

根据《云南省区域地质志》[10]，绢云母片岩残积土的母岩属于下古生界澜沧群绢云母片岩、绢云母石英片岩夹炭质绢云片岩，主要由石英、白云母等矿物组成，遇水后触摸具有柔滑腻感，且具有油脂、蜡状或丝绢光泽。

试样取自云南省大临铁路白石头试验段的强风化绢云母片岩残积土，多呈灰色。对绢云母片岩残积土进行电镜扫描，发现石英已完全重结晶呈他形粒状，具波状消光，颗粒之间彼此镶嵌。片状变晶白云母、绿泥石断续-连续定向排列构成片状结构，它形粒状白云石不均匀分布于石英粒间。取样示意图及电镜扫描结果如图2所示。

图2 绢云母片岩残积土及其天然状态下扫描电镜(SEM)图像

根据《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)[11]，对绢云母片岩残积土进行基本物理力学试验，其物理性质指标如表1所示。

表1 绢云母片岩残积土的基本物理参数

1.3 试验方案

试验在控制含水率及干密度条件下，通过加载不同固结围压测定土样的动剪切模量及阻尼比。试验方案如表2所示。

表2 试验方案

2 试验结果及分析

2.1 动剪切模量

2.1.1 固结围压对动剪切模量的影响

图3给出了在4种围压下试样的动剪切模量Gd与动剪应变γd的关系曲线。

如图3所示，不同固结围压下Gd随γd的不断增大呈衰减趋势。在小应变范围内，当10-6<γd<10-5时，Gd基本不随γd的增大而发生变化，当γd>10-5时，Gd随γd的增大而迅速减小。这是由于当应变幅值较小时，土体呈弹性变形状态；随着动剪应变的不断增加，非饱和绢云母片岩残积土的应力-应变关系逐步向非线性过渡，动剪切模量的衰减趋势陡然增大，动剪应变越大，动剪切模量衰减速率越大。

图3 各级固结围压下 Gd-γd 关系曲线

当γd相同时，Gd随着固结围压的增大而增大。这主要是由于在各级固结围压下土体的孔隙比随着固结围压的增大先是缓慢降低，当土体到达屈服强度后迅速下降，绢云母片岩残积土内部的片状结构在固结围压的逐步增大下易破碎，造成内部土颗粒重组，固结围压逐渐加大，土颗粒间的咬合力及胶结面积逐步增大，土体变得越来越密实，土颗粒间相对错动变得困难，使得土体抗剪能力增强，动剪切模量变大；此外，随着固结围压的增大，绢云母片岩残积土的相对密度变大，土颗粒间的孔隙变小的同时使得应力波在粒间的传播速度加快，从而使动剪切模量变大。

2.1.2 含水率及干密度对动剪切模量的影响

如图4所示，当含水率较低时，Gd较小；含水率逐渐增加，Gd逐渐提高。到界限含水率时，Gd到达最大值。此后随着含水率继续增加，Gd逐渐衰减。

图4 含水率对Gd 的影响

该类型土壤含水率对动剪切模量的影响趋势与一些学者的研究成果截然不同[12-13]，其原因在于：土颗粒间存在湿吸力，与表征土体负压力势的基质吸力不同，该吸力与土颗粒结构吸力共同构成土颗粒粒间吸力[14-16]。对于绢云母片岩残积土而言，含水率较低时，作用在土颗粒间悬挂孔角毛细水的湿吸力较小，由此产生的总有效应力较小。

由于绢云母片岩残积土内部呈片状结构，当含水率逐渐增加，其内部孔隙通道迅速发展，悬挂状的毛细水会由此连通成为索状的水气运移通道，此时湿吸力随前进接触角的增大而增大，土体总有效应力逐渐增大，抗剪强度由此提高。从图4可看出各级围压下残积土动剪切模量均在含水率为6%～10%出现峰值，定义峰值对应的含水率为临界含水率ωlim，湿吸力为最大值，此时动剪切模量达到最大值。此后动剪切模量随着含水率的增加而单调下降，这是由于该土样主要由粒状变晶石英和片状变晶状白云母构成，随着含水率的逐渐增加，土体发生湿化破坏，抗剪能力逐渐下降。

图5给出了ω=8.55%时不同干密度下Gd随γd变化的关系曲线。在同一固结围压和含水率条件下，γd相同时Gd随干密度的增大而增大，干密度愈大，其土体结构愈密实，内部孔隙通道相应减少，土体粒间接触面积增大，使得土体难以发生相互错动，抗剪强度随之增强，动剪切模量也随之增大。

图5 不同干密度条件下 Gd-γd、D-γd关系曲线

2.1.3 动剪切模量比与动剪应变的关系

为初始动剪切模量(或最大动剪切模量)；τy为最大剪切强度。

(1)

将式(1)两边同时除以Gd得到动剪切模量比表达式为

(2)

为了便于比较不同围压及不同含水率下残积土土体Gd随γd变化规律，通常将Gd随γd的衰减关系曲线进行归一化处理即动剪切模量比，各级围压下Gd/G0-γd关系拟合曲线如图6所示。

图6 各级固结围压下 Gd/G0-γd关系拟合曲线

由图6可知，该土样在各级围压下的动剪切模量比Gd/G0与动剪应变γd关系曲线大致相同，试验点离散性较小，其落点分布带较窄，说明该模型对试验数据的拟合性较好，H-D模型能较好地反映非饱和绢云母片岩残积土动剪切模量与动剪应变之间的关系。

2.1.4 初始动剪切模量

初始动剪切模量G0是指在小应变条件下时的剪切模量，其实质是土体处于完全弹性状态下的剪切模量。G0能够反映土体的极限动强度势能和土体在弹性阈值范围内线弹性特征[18]。利用式(2)得到各级固结围压下G0值，然后采用Seed室内初始动剪切模量经验关系式[19]对非饱和状态下绢云母片岩残积土的初始动剪切模量与不同固结围压的关系进行拟合。其表达式为

(3)

式(3)中：σ0为固结围压；Pa为标准大气压强值；kp、n为试验拟合参数。

由图7可知，随着σ0的增加，G0随着其非线性增加，说明Seed模型能较好地反映出绢云母片岩残积土初始动剪切模量G0随固结围压的非线性增幅趋势。

图7 各级固结围压下 G0散点图及拟合曲线

2.2 阻尼比

2.2.1 阻尼比与动剪应变的关系

阻尼比用于描述土体等材料承受动载时其幅值的衰减快慢，阻尼比越大，说明动荷载衰减得越快，土体介质耗散动载能量的性能越强。

由图8看出，当10-6<γd<10-5时，阻尼比D值较小且几乎不随γd变化，D-γd关系曲线呈线性状态；当γd时，D随γd的增大而迅速增大。这是由于在γd较小时，残积土土体近似于完全弹性体，加之残积土内部为片状结构，动荷载应力波在土体内部传播时基本不消耗能量；γd逐渐增大，意味着土颗粒开始重组，颗粒间易出现相对滑移，使得动荷载应力波在土体内部的传播阻力增大，所消耗的能量越来越多，导致阻尼比D变大。

图8 各级固结围压下 D-γd关系曲线

固结围压对阻尼比D的影响并不明显，不同固结围压下D-γd关系曲线集中分布在狭长的分布带内，离散型较小，γd相同时D随固结围压的增大有减小的趋势，这是由于随着固结围压的增大，土体趋于密实，非饱和状态下的水气运移通道逐渐变窄，颗粒间接触面增大，使得动荷载应力波在颗粒间的传播路径变多，所损耗的能量变少，表现为阻尼比的减小。

2.2.2 含水率及干密度对阻尼比的影响

为探究含水率对D的影响，采用由陈兴国等[20]提出的阻尼比经验模型对不同含水率的D-γd关系进行描述：

D=Dmin+D0(1-Gd/G0)n

(4)

式(4)中：n、D0为与土壤性质有关的拟合参数；Dmin为对应于土体初始动剪切模量D0的土体最小阻尼比。

通过图9可以看出，含水率对D的变化规律影响显著，D随含水率的增大而逐渐增加，且含水率越大D的增幅越明显。这是由于含水率的增加，土颗粒间的结合水膜增加，颗粒间容易出现相对滑移，使动荷载应力波传播的阻力增大，阻尼比增大。通过拟合曲线可以看出，在高围压下含水率较高时D-γd关系曲线有重合的趋势，这是由于在高围压下由母岩微结构及矿物胶结力所带来的粒间结构吸力减弱，绢云母片岩残积土在超过一定的含水率后，土体微观结构受损，湿化破坏严重，土颗粒间重组后含水率对阻尼比的影响减弱。

图9 不同含水率下 D-γd 关系曲线及拟合曲线

由图5可知，γd相同时，D随干密度的增大而减小。干密度越大，土体越密实，内部孔隙通道相应减少，土颗粒接触面积变大，土颗粒间难以发生相对滑移，动荷载应力波在颗粒间的传播路径增多，在孔隙中传播的路径减少，对应的土体中损耗的能量变少，土体阻尼比变小。

3 结论

以大临铁路白石头试验段的强风化绢云母片岩残积土为研究对象，利用GZZ-50型电磁激励式共振柱试验仪研究并分析了含水率、干密度及固结围压对动剪切模量、阻尼比的影响，其结果表明：

(1)小应变范围内(10-6<γd<10-4)，绢云母片岩残积土在不同固结围压下动剪切模量Gd随动剪应变γd的增大呈衰减趋势，γd相同时Gd随干密度的增大而非线性增加。含水率对Gd影响显著，存在一界限含水率ωlim，当含水率小于ωlim时，Gd随含水率的增大而逐渐增加，到达ωlim后Gd随含水率的增加而逐渐衰减。

(2)阻尼比D随动剪应变γd的增大呈非线性增加，固结围压对D的影响不明显，但随固结围压的增大D有减小的趋势，γd相同时D随干密度的增大而减小。D随含水率的增大而逐渐增加，含水率越大D的增幅越明显。

(3)Hardin-Drnevich模型及选用的阻尼比经验模型能较好地反映动剪切模量比Gd/G0和D随γd的变化规律。由于土体微观结构的受损及粒间结构吸力的减弱，在高围压、高含水率时D-γd关系曲线有重合的趋势。