不同沖擊頻率與中主應(yīng)力下細(xì)砂力學(xué)響應(yīng)研究

劉錦偉，李彰明

（廣東工業(yè)大學(xué)巖土工程研究所，廣州510006）

不同沖擊頻率與中主應(yīng)力下細(xì)砂力學(xué)響應(yīng)研究

劉錦偉，李彰明

（廣東工業(yè)大學(xué)巖土工程研究所，廣州510006）

使用SPAX—2000改進(jìn)型真三軸試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)飽和細(xì)砂進(jìn)行循環(huán)沖擊動(dòng)力固結(jié)試驗(yàn)，研究不同固結(jié)條件、不同沖擊荷載作用頻率與不同中主應(yīng)力作用下細(xì)砂應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系等力學(xué)響應(yīng)；并結(jié)合三軸剪切試驗(yàn)，分析對(duì)比了不同條件下沖擊荷載作用后試樣強(qiáng)度的變化特征。試驗(yàn)結(jié)果表明：中主應(yīng)力增大，試樣在沖擊荷載的作用下更容易趨于密實(shí)，抗剪強(qiáng)度得到較大的提高；頻率降低，在中主應(yīng)力較小時(shí)動(dòng)力固結(jié)后試樣抗剪強(qiáng)度有明顯的提高，而在中主應(yīng)力較大時(shí)試樣抗剪強(qiáng)度沒有太大變化；表明了中主應(yīng)力和沖擊荷載頻率是影響試樣動(dòng)力固結(jié)效果的重要因素。

真三軸試驗(yàn)；循環(huán)沖擊荷載；中主應(yīng)力；細(xì)砂；力學(xué)響應(yīng)規(guī)律

1 研究背景

利用沖擊荷載來進(jìn)行砂土地基或上覆砂土的軟土地基處理已經(jīng)是常見的一種加固方法［1］，沖擊荷載下砂土的力學(xué)性狀一直是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。室內(nèi)試驗(yàn)以其有效控制邊界條件，精確地量測(cè)土體的應(yīng)力、應(yīng)變等參數(shù)，可較方便模擬土體實(shí)際的受力特性。飽和砂性土在沖擊荷載下的沉降情況已有相關(guān)試驗(yàn)研究［2］，砂性土的宏細(xì)觀強(qiáng)夯加固機(jī)制也進(jìn)行了試驗(yàn)研究［3］。還有學(xué)者做了飽和砂土動(dòng)力特性的動(dòng)三軸試驗(yàn)研究工作［4］。然而，模擬地基沖擊加固的真三軸循環(huán)沖擊荷載下的試驗(yàn)研究卻鮮有報(bào)道。

本試驗(yàn)使用SPAX—2000改進(jìn)型真三軸試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)飽和細(xì)砂進(jìn)行循環(huán)沖擊動(dòng)力固結(jié)試驗(yàn)。動(dòng)三軸試驗(yàn)分別采用不同的固結(jié)條件、沖擊荷載作用頻率，研究在此過程中細(xì)砂的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系等力學(xué)響應(yīng)。

2 試驗(yàn)方法

2．1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用由美國GCTS公司制造的、完全由計(jì)算機(jī)控制并采集數(shù)據(jù)的SPAX—2000改進(jìn)型真三軸試驗(yàn)系統(tǒng)，該儀器可選擇采用應(yīng)力或應(yīng)變控制模式，同時(shí)可輸入各種波形（如方形波、正弦波和自定義波形等）進(jìn)行試驗(yàn)。

2．2 沖擊荷載模擬

夯擊時(shí)，強(qiáng)大的沖擊能量在地基中產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)，并以波動(dòng)形式向四周傳播。對(duì)于夯錘與地表接觸動(dòng)應(yīng)力的分析，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做了很多研究［1，5，6］。研究表明，盡管在沖擊荷載作用期間表面接觸應(yīng)力會(huì)出現(xiàn)一定的波動(dòng)和起伏，但總的趨勢(shì)表現(xiàn)出是脈沖荷載的形式，即大致可分為加荷和卸荷2個(gè)階段［4］。試驗(yàn)沖擊荷載的加載過程采用自定義脈沖荷載的波形，如圖1所示。為了模擬實(shí)際情況，沖擊時(shí)關(guān)閉排水閥門，以便較好模擬夯擊時(shí)沖擊荷載的作用。

圖1 沖擊荷載作用形式Fig．1 Form of im pact load

2．3 試驗(yàn)土料及其物性指標(biāo)

試驗(yàn)采用的砂樣為福建標(biāo)準(zhǔn)砂，并對(duì)砂樣進(jìn)行過篩。選取砂樣的粒徑范圍為0．1～0．25 mm之間，按照《土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)GB／T50145—2007》砂樣定名為細(xì)砂。砂樣的最小干密度ρdmin＝1．347 g／cm3，最大干密度ρdmax＝1．795 g／cm3，砂樣的相對(duì)密度ds＝2．445，初始孔隙比e0＝0．511。

2．4 試驗(yàn)步驟

（1）裝樣：采用控制干密度ρd＝1．617 g／cm3的方法，稱取所需的砂樣，并分3等份在水中煮沸，冷卻后采用分層濕搗將試樣制成50 mm×50 mm× 120 mm的長方體。

（2）反壓飽和：采用SPAX—2000改進(jìn)型真三軸系統(tǒng)自身的反壓飽和系統(tǒng)，并通過設(shè)置反壓飽和程序來進(jìn)行反壓飽和，并使飽和度B值到達(dá)0．98以上，結(jié)束飽和程序。

（3）靜動(dòng)力固結(jié)模擬：按照試驗(yàn)方案進(jìn)行相應(yīng)的模擬靜動(dòng)力固結(jié)。本次試驗(yàn)選擇每個(gè)試樣循環(huán)沖擊4次，2次沖擊的間隔時(shí)間為2 min。沖擊時(shí)關(guān)閉排水閥門，沖擊間隔打開排水閥門。

（4）剪切：靜動(dòng)力固結(jié)完畢后，采用0．5%的軸向應(yīng)變速率進(jìn)行固結(jié)排水的三軸剪切試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

采用1，5，10 Hz 3種不同頻率以及100，150，200 kPa 3種不同中主應(yīng)力進(jìn)行循環(huán)沖擊試驗(yàn)，以尋求相應(yīng)力學(xué)響應(yīng)規(guī)律。沖擊試驗(yàn)方案見表1，以下為試驗(yàn)結(jié)果及分析。

表1 沖擊試驗(yàn)方案Table 1 Schemes of the impact test

3．1 固結(jié)條件的影響

圖2是相同頻率、不同中主應(yīng)力條件下沖擊固結(jié)階段軸向應(yīng)力－軸向應(yīng)變關(guān)系，從圖中可以得到：頻率為1 Hz時(shí)，不同中主應(yīng)力的試樣在第一次沖擊時(shí)軸向應(yīng)力都達(dá)到了預(yù)設(shè)值。頻率為5 Hz、中主應(yīng)力為150，200 kPa時(shí)，第一次沖擊時(shí)軸向應(yīng)力基本達(dá)到預(yù)設(shè)值，而中主應(yīng)力為100 kPa時(shí)，第一次沖擊時(shí)軸向應(yīng)力為280 kPa，只達(dá)到了預(yù)設(shè)值的80%。頻率為10 Hz時(shí)，當(dāng)中主應(yīng)力為200 kPa時(shí)，第一次沖擊時(shí)軸向應(yīng)力達(dá)到預(yù)設(shè)值，而中主應(yīng)力為150 kPa時(shí)，第一次沖擊時(shí)軸向應(yīng)力為280 kPa，只達(dá)到了預(yù)設(shè)值的80%。中主應(yīng)力為100 kPa時(shí)，第一次沖擊時(shí)軸向應(yīng)力為260 kPa，只達(dá)到了預(yù)設(shè)值的60%。隨著擊數(shù)增加，沖擊時(shí)軸向應(yīng)力值也逐次提高，說明沖擊固結(jié)后試樣變得更加密實(shí)。

軸向應(yīng)變量變化規(guī)律表現(xiàn)為：在相同中主應(yīng)力條件下，每次試驗(yàn)過程中第一次沖擊下軸向應(yīng)變量為最大，軸向應(yīng)變量隨著沖擊次數(shù)的增加而減少。隨著沖擊數(shù)增加，試樣越來越密實(shí)，軸向應(yīng)變量越來越小。不同中主應(yīng)力、相同次序的沖擊作用下，軸向應(yīng)變?cè)隽侩S著中主應(yīng)力的增大而減小。

不同中主應(yīng)力下累積軸向應(yīng)變量也隨中主應(yīng)力的增大而減小。中主應(yīng)力對(duì)試樣的側(cè)向變形有著類似環(huán)箍作用，進(jìn)而制約試樣軸向變形。中主應(yīng)力越大，在相同的軸向沖擊作用下，軸向應(yīng)變量越小。

3．2 沖擊頻率的影響

圖3是相同中主應(yīng)力下沖擊固結(jié)階段軸向應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系。從圖中可見：中主應(yīng)力為200 kPa時(shí)，不同頻率下的第一次沖擊時(shí)軸向應(yīng)力達(dá)到預(yù)設(shè)值。中主應(yīng)力為150 kPa時(shí)，頻率為1 Hz，第一次沖擊時(shí)軸向應(yīng)力達(dá)到預(yù)設(shè)值。頻率為5 Hz時(shí)，第一次沖擊時(shí)軸向應(yīng)力為290 kPa，只達(dá)到了預(yù)設(shè)值的90%。頻率為10 Hz時(shí)，第一次沖擊時(shí)軸向應(yīng)力為280 kPa，只達(dá)到了預(yù)設(shè)值的80%。中主應(yīng)力為100 kPa時(shí)，頻率為1 Hz，第一次沖擊時(shí)軸向應(yīng)力達(dá)到預(yù)設(shè)值，而頻率為5 Hz時(shí)，第一次沖擊時(shí)軸向應(yīng)力為280 kPa，只達(dá)到了預(yù)設(shè)值的80%。頻率為10 Hz時(shí)，第一次沖擊時(shí)軸向應(yīng)力為260 kPa，只達(dá)到了預(yù)設(shè)值的60%。但隨著沖擊次數(shù)增加，軸向應(yīng)力值也都在提高，說明沖擊固結(jié)后使得試樣變得更加密實(shí)。

圖3 相同中主應(yīng)力下沖擊固結(jié)階段軸向應(yīng)力－軸向應(yīng)變關(guān)系Fig．3 Relations between axial stress and axial strain under the same intermediate principal stress during consolidation

中主應(yīng)力為100，150 kPa時(shí)，在不同頻率、相同次序的沖擊作用下，軸向應(yīng)變隨著沖擊作用頻率的增大而減小。不同頻率下的累積軸向應(yīng)變量也隨頻率增大而減小。頻率高的情況下沖擊荷載作用的時(shí)間較短，因而軸向應(yīng)變量較小。

3．3 剪切結(jié)果分析

圖4表示相同頻率、不同中主應(yīng)力條件下剪切階段的軸向應(yīng)力－軸向應(yīng)變關(guān)系。從圖中可見，試樣剪切試驗(yàn)軸向應(yīng)力－軸向應(yīng)變曲線隨中主應(yīng)力的增大而升高，表現(xiàn)為抗剪強(qiáng)度的增大。

圖5表示相同中主應(yīng)力、不同頻率條件下剪切階段軸向應(yīng)力－軸向應(yīng)變關(guān)系。當(dāng)中主應(yīng)力為100 kPa時(shí)，剪切試驗(yàn)的軸向應(yīng)力－軸向應(yīng)變曲線為平緩曲線。當(dāng)中主應(yīng)力為150，200 kPa時(shí)，剪切試驗(yàn)曲線表現(xiàn)為應(yīng)變軟化。

圖4 相同頻率下剪切階段軸向應(yīng)力－軸向應(yīng)變關(guān)系Fig．4 Relations between axial stress and axial strain under impact of the same frequency during shear stage

圖5 不同中主應(yīng)力下剪切階段軸向應(yīng)力－軸向應(yīng)變關(guān)系Fig．5 Relations between axial stress and axial strain under different intermediate principal stresses during shear stage

將圖4、圖5與對(duì)應(yīng)的沖擊固結(jié)過程軸向應(yīng)力－軸向應(yīng)變關(guān)系圖2、圖3進(jìn)行對(duì)比分析，從中可以發(fā)現(xiàn)，若沖擊荷載作用最后一擊的軸向應(yīng)力值沒有達(dá)到預(yù)設(shè)值，并且軸向應(yīng)變量較大，此時(shí)試樣還較為松散，在壓縮剪切試驗(yàn)時(shí)軸向應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線就較為平緩；若沖擊荷載作用最后一擊的軸向應(yīng)力值達(dá)到預(yù)設(shè)值，并且軸向應(yīng)變量較小，此時(shí)試樣已經(jīng)較為密實(shí)，在壓縮剪切試驗(yàn)時(shí)軸向應(yīng)力－軸向應(yīng)變曲線就呈現(xiàn)出應(yīng)變軟化。

4 結(jié) 論

采用1，5，10 Hz 3種不同頻率以及100，150，200 kPa 3種不同中主應(yīng)力進(jìn)行循環(huán)沖擊試驗(yàn)，其力學(xué)響應(yīng)主要規(guī)律如下。

（1）中主應(yīng)力影響：①?zèng)_擊固結(jié)階段，中主應(yīng)力越大，對(duì)試樣的類似環(huán)箍作用越大，軸向沖擊應(yīng)力隨著中主應(yīng)力就越大；軸向應(yīng)變?cè)隽侩S著中主應(yīng)力的增大而減?。虎诩羟须A段，隨中主應(yīng)力增大，試樣剪切試驗(yàn)中軸向應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線峰值段抬高，表現(xiàn)出抗剪強(qiáng)度的增大；剪切階段的軸向應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線表現(xiàn)應(yīng)變軟化更加明顯，應(yīng)力峰值更大。

（2）頻率影響：①?zèng)_擊固結(jié)階段，頻率越低，沖擊荷載作用時(shí)間越長，在中主應(yīng)力較小時(shí)，軸向應(yīng)力和軸向應(yīng)變都隨著頻率的降低而增大；在中主應(yīng)力較大時(shí)，軸向應(yīng)力達(dá)到設(shè)定值，軸向應(yīng)變較??；②剪切階段，中主應(yīng)力較小時(shí)，頻率的降低使得動(dòng)力固結(jié)試樣抗剪強(qiáng)度明顯提高；而中主應(yīng)力較大時(shí)，剪切強(qiáng)度無明顯改變。由此也可見，試樣動(dòng)力固結(jié)時(shí)頻率選擇應(yīng)與側(cè)向約束設(shè)定綜合考慮。

［1］ 李彰明．軟土地基加固的理論、設(shè)計(jì)與施工［M］．北京：中國電力出版社，2006．（LI Zhang-ming．Theory，Design and Construction of Soft Soil Reinforcement［M］．Beijing：The Electric Power Press of China，2006．（in Chinese））

［2］ 張均鋒，盂祥躍，談慶明，等．沖擊荷載下飽和砂土砂面沉降的實(shí)驗(yàn)研究［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2001，20（4）：519－523．（ZHANG Jun-feng，MENG Xiangyue，TAN Qing-ming，et al．Laboratory Study on the Settlement of Sand Surface of Saturated Sand under Impact Loading［J］．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2001，20（4）：519－523．（in Chinese））

［3］ 賈敏才，王 磊，周 ?。靶酝梁昙?xì)觀強(qiáng)夯加固機(jī)制的試驗(yàn)研究［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，28（增1）：3282－3290．（JIA Min-cai，WANG Lei，ZHOU Jian．Experimental Research on Macro-meso Consolidation Mechanism of Sandy Soil with Dynamic Compaction［J］．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2009，28（Sup．1）：3282－3290．（in Chinese））

［4］ 王艷麗，胡 勇．飽和砂土動(dòng)力特性的動(dòng)三軸試驗(yàn)研究［J］．地下空間與工程學(xué)報(bào)，2010，6（2）：295－299．（WANG Yan-Li，HU Yong．Dynamic Triaxial Testing Study on Dynamic Characteristics of Saturated Sand［J］．Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2010，6（2）：295－299．（in Chinese））

［5］ 孔令偉，袁建新．強(qiáng)夯的邊界接觸應(yīng)力與沉降特性研究［J］．巖土工程學(xué)報(bào)，1998，21（2）：86－92．（KONG Ling-wei，YUAN Jian-xin．Study on Surface Contact Stress and Settlement Properties During Dynamic Consolidation［J］．Chinese Journal of Geotechnical Engineering，1998，21（2）：86－92．（in Chinese））

［6］ 李彰明，林軍華．靜動(dòng)力排水固結(jié)法淤泥軟基處理振動(dòng)試驗(yàn)研究［J］．巖土力學(xué)，2008，29（9）：2378－2382．（LI Zhang-ming，LIN Jun-hua．In-situ Tests and Analysis on Vibration Influences During Mud Ground Improvement with Static-Dynamic Drainage Consolidation［J］．Rock and Soil Mechanics，2008，29（9）：2378－2382．（in Chinese））

（編輯：曾小漢）

M echanical Responses of Fine Sand under Different Im pact Loading Frequencies and Intermediate Principal Stresses

LIU Jin-wei，LIZhang-ming
（Institute of Geotechnical Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China）

We carried out cyclic impact and consolidation testswith different intermediate principal stresses on saturated fine sand by using improved SPAX-2000 true triaxial testing system，and investigated themechanical responses of the sand such as stress-strain relations and strength variation of specimen after the impact loading under different conditions．Results showed that：when intermediate principal stress increased，the specimen under impact loading was easily tend to be dense，and shear strength was largely improved；when the frequency of impact load

was lower and the intermediate principal stress smaller，shear strength of the specimen increased significantly，while when the second principal stresswas larger，shear strength of the specimen rarely varied．The results indicate that intermediate principal stress and frequency of impact load are important factors affecting the dynamic consolidation．

true triaxial test；cyclic impact load；intermediate principal stress；fine sand；law ofmechanical response

TU411．7

A

1001－5485（2012）08－0089－04

10．3969／j．issn．1001－5485．2012．08．017 2012，29（8）：89－92，99

2011－05－22

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51178122）

劉錦偉（1985－），男，湖北天門人，碩士研究生，從事地基與基礎(chǔ)工程的研究，（電話）15918793687（電子信箱）liujinwei20101103＠163．com。