土石復(fù)合介質(zhì)動力特性試驗(yàn)

汪金才，趙明階，陳 衛(wèi)，汪 魁

(1.重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶400074;2.重慶市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局208水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì)，重慶400700)

土動力學(xué)是土力學(xué)的一個新的學(xué)科分支，它是土力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、地震工程學(xué)以及土工抗震學(xué)等相結(jié)合的產(chǎn)物。它研究的對象不僅包括復(fù)雜的巖土介質(zhì)，而且包括了性質(zhì)復(fù)雜的動力荷載，具有廣闊的范圍。其主要研究內(nèi)容可以概括為土的動力特性、土的動力反應(yīng)與穩(wěn)定以及土與土體的動力測試技術(shù)3個方面［1］。土體動力特性的研究是巖土工程中的前沿課題之一。對土動力特性的研究主要表現(xiàn)在對土動力參數(shù)的變化規(guī)律的研究。為此，國內(nèi)外學(xué)者做了大量的努力。

數(shù)10年來，經(jīng)過各國學(xué)者的努力，土動力學(xué)已經(jīng)取得了令人矚目的成果，并在工程實(shí)踐中發(fā)揮著愈來愈重要的作用。目前，在巖土工程界，對動力特性的研究主要有對砂土［2］、粉土［3］、黃土［4－5］以及石灰土［6－7］等方面的研究。然而，以往學(xué)者們的研究主要是針對土質(zhì)介質(zhì)的動力研究，且大多是研究了應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、動彈性模量和阻尼比的變化，以及采用數(shù)值模擬等方法進(jìn)行動力響應(yīng)的模擬［8］，在土石復(fù)合介質(zhì)方面以及對動強(qiáng)度方面所做的工作則較少，成果也寥寥無幾。在實(shí)際工程中，會經(jīng)常遇到土石復(fù)合介質(zhì)，如地基、邊坡等，而純土則很少見。因此，研究土石復(fù)合介質(zhì)的動力特性具有極大的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

筆者主要采用動三軸試驗(yàn)對不同土石比的土石復(fù)合介質(zhì)進(jìn)行試驗(yàn)，測定相關(guān)動力指標(biāo)，分析其變化規(guī)律和趨勢。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

動三軸試驗(yàn)是將一定密度和濕度的圓柱體試樣在軸對稱的三軸應(yīng)力下進(jìn)行固結(jié)，固結(jié)完成后在不排水條件下作振動試驗(yàn)。

試驗(yàn)選擇土石比為 10∶0，9∶1，8∶2 和 7∶3 這4種土石復(fù)合介質(zhì)，分別進(jìn)行擊實(shí)實(shí)驗(yàn)，求出各自最大干密度和最優(yōu)含水量。然后對試件采用壓實(shí)度控制，即同一壓實(shí)度的控制方法，進(jìn)行動力三軸試驗(yàn)。

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

采用的試驗(yàn)設(shè)備為由英國GDS儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)的DYNTTS型動態(tài)三軸試驗(yàn)機(jī)，配有包括內(nèi)置式水下荷重傳感器和線性位移傳感器等各類傳感器，數(shù)據(jù)采集板和轉(zhuǎn)換器，用于數(shù)據(jù)采集和實(shí)驗(yàn)控制的GDSLAB模塊軟件等設(shè)備，所有測量數(shù)據(jù)均由計(jì)算機(jī)自動采集和處理。本系統(tǒng)可提供最大圍壓為2 MPa，頻率為 0 ～2 Hz，適用直徑 38.1 mm，高 80 mm及直徑100 mm，高200 mm的固體試樣，軸向最大壓力為16 kN。

1.2 土樣制備

選擇重慶地區(qū)黏土和石灰?guī)r碎石。用孔徑為2 mm的圓孔篩，篩出粒徑小于2 mm的土料作為本次試驗(yàn)的土質(zhì)材料;為了滿足擊實(shí)試驗(yàn)和三軸試驗(yàn)試樣對最大粒徑的要求，以及能夠嚴(yán)格的區(qū)分土石料，用孔徑大于2 mm，小于20 mm的碎石料作為本次試驗(yàn)的石質(zhì)部分?！笆敝懈髁剿嫉陌俜直确謩e為:20～10 mm占30%，10～5 mm占50%，5～2 mm占20%。

1.2.1 擊實(shí)試驗(yàn)

采用重型擊實(shí)儀，對4種工況分別制作5種含水量的試樣，含水量按一定差額布置。分別進(jìn)行擊實(shí)，對擊實(shí)試樣分別測定其含水量和干密度。測得其最優(yōu)含水量及其對應(yīng)的最大干密度如表1。

1.2.2 試樣制備

利用擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果，按一定土石比和最優(yōu)含水量配制4種工況的土石混合料。拌勻并在限制蒸發(fā)條件下保持6 h以使土的含水率及結(jié)構(gòu)均勻，然后分層裝模［9］。不同工況之間采用壓實(shí)度控制，均按85%的壓實(shí)度制備試樣，以保證各工況之間的可比性。在飽和器中進(jìn)行飽和。純土樣試件直徑為38 mm，高為80 mm，其他工況試樣直徑為100 mm，高為200 mm。

表1 4種土石復(fù)合介質(zhì)的擊實(shí)參數(shù)Table 1 Compaction parameters of four soil-rock medium

1.3 控制參數(shù)和破壞準(zhǔn)則

在地震荷載作用下，土的動力破壞可以解釋為低疲勞破壞;彎沉值是路基工程中一個重要的控制指標(biāo)。因此，在本次動三軸試驗(yàn)中，對試件破壞采用應(yīng)變破壞標(biāo)準(zhǔn)，即在試驗(yàn)中當(dāng)應(yīng)變值達(dá)到規(guī)定的破壞應(yīng)變時，認(rèn)為試件破壞。根據(jù)GB/T 50269—1997《地基動力特性測試規(guī)范》，一般可取土試樣彈性應(yīng)變和塑性應(yīng)變之和等于0.05時認(rèn)為試樣破壞。

1.4 試驗(yàn)方法

將制好的圓柱形試樣裝入三軸壓力室內(nèi)，通脫氣水。對試驗(yàn)進(jìn)行反壓飽和，通過B檢測，判定試樣是否達(dá)到飽和。當(dāng)孔壓系數(shù)B=(Δu/Δσ3)≥97%時，可認(rèn)為試樣已經(jīng)飽和，進(jìn)行下一步操作。

對4種工況的飽和試件分別進(jìn)行動三軸試驗(yàn)。對每種土石比條件下，均做3種圍壓(50，100，150 kPa)條件下的動強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)施行等壓固結(jié)。每一種圍壓，需要對3個相同的試件分別施加大小不同的軸向動荷載，直至試樣破壞。得到動應(yīng)變和動應(yīng)力等的時程曲線。試驗(yàn)施加軸向動荷載為等效的等幅正弦波荷載，其幅值根據(jù)含石量和圍壓之不同而調(diào)整;振動頻率始終取為1 Hz;根據(jù)文獻(xiàn)［10］，地震烈度確定諧波的等效循環(huán)次數(shù)，模擬6，7，8，9度的地震烈度時，分別取為5，12，20 和 30 次。

2 試驗(yàn)成果與分析

2.1 動抗剪強(qiáng)度

一般土的動強(qiáng)度表示為達(dá)到某種破壞標(biāo)準(zhǔn)時的振次Nf與作用動應(yīng)力的關(guān)系，即σd～lgNf曲線，稱為土的動強(qiáng)度曲線［1］。土力學(xué)中常用三軸試樣在45°面上的剪應(yīng)力 τd表示土的動強(qiáng)度，τd= σd/2。因而土的動強(qiáng)度曲線通常表示為動剪應(yīng)力曲線τdlgNf(σd是軸向動應(yīng)力幅值，Nf為達(dá)到某破壞標(biāo)準(zhǔn)時的振動周次)。按照應(yīng)變破壞標(biāo)準(zhǔn)，以動應(yīng)變εd=5%所對應(yīng)的振次為破壞振次Nf，從而算得各條件下的動剪應(yīng)力強(qiáng)度τd。圖1為土石復(fù)合介質(zhì)在不同土石比下的τd－lgNf關(guān)系曲線。

圖1 動三軸試驗(yàn)動強(qiáng)度與振次關(guān)系曲線Fig.1 Relation curves of the dynamic strength and vibration number of the dynamic tri-axial tests

由圖1可知，在相同壓實(shí)度條件下，土石復(fù)合介質(zhì)的動強(qiáng)度隨土石比的減小而增大;對單一土石比來說，動強(qiáng)度隨著圍壓增大而增大。這是由于當(dāng)壓實(shí)度相同，土石比減小，即含石量增大，導(dǎo)致介質(zhì)干密度增大，以及在同樣飽和條件下整體剛度增大。從圖1還可以看出，在壓實(shí)度、土石比和圍壓相同的條件下，隨振次增加，即因地震烈度的提高，迫使介質(zhì)動力破壞所需的動應(yīng)力明顯減小;在壓實(shí)度和圍壓相同的條件下，隨著土石比的減小，介質(zhì)動力破壞所需的動應(yīng)力明顯增大。

2.2 動摩爾庫侖強(qiáng)度參數(shù)

研究表明，摩爾－庫侖理論仍然適用于土動力學(xué)。根據(jù)摩爾－庫侖抗剪強(qiáng)度理論，有:

在固結(jié)比相同的動抗剪強(qiáng)度曲線上分別截取3個不同圍壓作用下與某一破壞振次相對應(yīng)的動剪應(yīng)力τd，由τd= σd/2，可以確定σd。從而得到σ1d和σ3d，分別為試樣在該固結(jié)壓力下產(chǎn)生動力破壞的大、小主應(yīng)力，進(jìn)而得到動摩爾圓，由3個動摩爾圓即可得出它們的動抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線，然后求在該破壞振次下的動抗剪強(qiáng)度參數(shù)cd和φd。計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 不同地震烈度下動抗剪強(qiáng)度指標(biāo)Table 2 The dynamic shear strength index of the different earthquake intensity

對表2進(jìn)行整理可以得到:土石復(fù)合介質(zhì)動黏聚力隨烈度的增大逐漸減小，并且隨土石比減小而減小得更快;動內(nèi)摩擦角也隨烈度的增大而減小，隨土石比減小而減小得更快;在烈度相同，動黏聚力隨土石比減小而增大;動內(nèi)摩擦角也隨土石比減小而增大。

3 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ屯魄?/h2>

3.1 動強(qiáng)度參數(shù)與烈度的關(guān)系變化規(guī)律

土的動強(qiáng)度指標(biāo)主要有動黏聚力和動內(nèi)摩擦角，由表2可以看出，動黏聚力和動內(nèi)摩擦角隨烈度的變化基本呈線性關(guān)系。對曲線進(jìn)行擬合得到擬合公式，見表3。

表3 不同土石比下動抗剪強(qiáng)度力指標(biāo)與烈度的擬合關(guān)系式Table 3 The fitted formulas between the dynamic shear strength index and earthquake intensity in different soil-rock ratio

通過對擬合公式的分析可以得出動黏聚力和動內(nèi)摩擦角隨烈度變化的總結(jié)為:

式中:a，b，c，d均為土石復(fù)合介質(zhì)有關(guān)土石比的參數(shù)，且可由具體土石比情況得出。

3.2 動強(qiáng)度參數(shù)與土石比的關(guān)系變化規(guī)律

由表2還可以看出，動黏聚力隨土石比的變化符合指數(shù)關(guān)系，動內(nèi)摩擦角隨土石比的變化符合二次多項(xiàng)式關(guān)系。對曲線進(jìn)行擬合得到擬合公式，見表4。

表4 不同地震烈度下土石復(fù)合介質(zhì)動力指標(biāo)與土石比的擬合關(guān)系式Table 4 The fitted formulas between the dynamic shear strength index and soil-rock ratio with different earthquake intensity

通過對擬合公式的分析可以得出動黏聚力和動內(nèi)摩擦角隨烈度變化的總結(jié)為:

式中:f，g，h，i，j均為土石復(fù)合介質(zhì)有關(guān)烈度的參數(shù)，且可由具體烈度情況得出。

從擬合公式可以看出，各式的相關(guān)系數(shù)基本都大于0.96，故其個式擬合效果好，擬合度高。

4 結(jié)語

1)在相同壓實(shí)度條件下，土石復(fù)合介質(zhì)的動強(qiáng)度隨土石比減小而增大，隨著圍壓增大而增大。

2)在壓實(shí)度、土石比和圍壓相同的條件下，隨振次增加，即因地震烈度的提高，迫使介質(zhì)動力破壞所需的動應(yīng)力明顯減小;在壓實(shí)度和圍壓相同的條件下，隨著土石比的減小，介質(zhì)動力破壞所需的動應(yīng)力明顯增大。

3)動黏聚力隨烈度增大逐漸減小，并且隨土石比減小而減小得更快;動內(nèi)摩擦角也隨烈度的增大而減小，隨土石比減小而減小得更快。動黏聚力隨土石比減小而增大;動內(nèi)摩擦角隨土石比減小而增大。

4)動黏聚力和動摩擦角隨烈度有線性變化關(guān)系;動黏聚力隨土石比變化符合指數(shù)關(guān)系，動內(nèi)摩擦角隨土石比變化復(fù)合二次多項(xiàng)式關(guān)系。

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