不同振動頻率下酸性壓實黃土的動力特性研究

寇曉輝， 張 強， 董曉強

(太原理工大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院， 山西 太原 030024)

不同振動頻率下酸性壓實黃土的動力特性研究

寇曉輝， 張 強， 董曉強

(太原理工大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院， 山西 太原 030024)

為研究不同振動頻率下受酸液侵蝕壓實黃土的動彈性模量、 阻尼比、 振陷變形以及孔壓發(fā)展變化的規(guī)律， 進行了一系列動三軸試驗. 通過GDS動三軸試驗系統(tǒng)提供不同頻率的振動荷載， 選取pH=5的酸液配制黃土模擬酸性壓實黃土. 結(jié)果表明： 當(dāng)試樣達到同一動應(yīng)變時， 隨著振動頻率從1 Hz增加到5 Hz， 動彈性模量、 阻尼比、 動孔壓均不斷增大； 同一頻率下， 振陷變形隨著振動次數(shù)的增加而增大； 同一振次下， 振陷變形隨著振動頻率的增加而減少； 同一頻率下， pH=5酸液配制的試樣較pH=7蒸餾水配制的試樣的動彈性模量、 阻尼比、 孔壓減小， 振陷變形增大.

振動頻率； 酸性壓實黃土； 動力特性

公路事業(yè)作為促進經(jīng)濟快速發(fā)展的重要環(huán)節(jié)之一， 在近二十年取得了顯著的成就， 但也出現(xiàn)了一些問題. 比如， 隨著道路使用年限的增加， 路面變形隨之增大， 車輛在行駛過程中發(fā)生顛簸會對道路路基產(chǎn)生不同頻率的振動作用. 而車流量、 車輛重量、 行駛速度等因素的不同導(dǎo)致車輛產(chǎn)生的振動頻率也在一定范圍發(fā)生變化[1]. 同時， 隨著工業(yè)的快速發(fā)展， 化石燃料的大量使用導(dǎo)致部分地區(qū)出現(xiàn)了酸雨， 酸雨會透過路面表面層進入路基， 致使路基的化學(xué)成分以及土體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化. 因此研究不同振動頻率下， 酸液侵蝕后壓實黃土動力特性的變化有一定的實際工程意義[2].

關(guān)于土體動力特性的研究， 前人已經(jīng)取得了一些成果[3-12]. 鄭剛等[3]對取自天津臨港工業(yè)園的土體進行動力測試， 結(jié)果表明隨著頻率的增大， 原狀土變形曲線由破壞型向發(fā)展型再向漸穩(wěn)型過渡， 重塑土變形曲線多為直線型； 王建榮等[4]通過對原狀黃土(Q4)施加不同振動頻率的振動荷載， 研究振動頻率對試驗常數(shù)、 動彈性模量和阻尼比的影響； 陳存禮等[5]通過對飽和擊實黃土進行動三軸試驗研究其動彈性模量、 阻尼比、 動強度、 動孔壓及抗液化特性； 李又云等[6]通過大量的動三軸試驗對壓實黃土的動力特性進行研究， 并得出一些規(guī)律； 萬戰(zhàn)勝等[7]通過動三軸試驗研究列車振動荷載對原狀黃土的動力特性的影響； 李焱等[8]對壓實黃土進行了不同頻率的試驗研究， 認為黃土動強度隨振動頻率增加而增大， 且與振動頻率呈正相關(guān)關(guān)系； 徐學(xué)燕等[9]在對凍結(jié)粉質(zhì)粘土進行動三軸試驗后認為凍結(jié)粘土的動彈性模量與阻尼比均隨著荷載振動頻率的增加而減小； Yasuhara等[10]認為振動頻率對土體變形影響較小. 可見， 振動頻率對各類土體動力特性的影響并不相同， 這與土質(zhì)、 土體狀態(tài)等因素有關(guān). 朱春鵬等[11]對人工制備的4種不同濃度的酸堿污染土試樣進行力學(xué)測試， 認為黏聚力隨著酸堿濃度的增加而增大， 摩擦角隨著酸堿濃度的增加而震蕩減小； 趙宇等[12]通過對取自三峽庫區(qū)的土樣進行測試， 認為受酸液侵蝕的試樣內(nèi)摩擦角減小幅度明顯， 而黏聚力變化微弱. 可見， 酸堿性對土體力學(xué)性質(zhì)有一定的影響. 本試驗利用硫酸溶液侵蝕黃土制備壓實黃土試樣， DYNTTS動三軸試驗系統(tǒng)提供不同頻率的振動荷載， 探究不同振動頻率下受酸液侵蝕壓實黃土的動力特性， 具有一定的學(xué)術(shù)意義和工程意義.

1 試驗方案及方法

1.1 試驗儀器

試驗采用英國GDS公司生產(chǎn)的DYNTTS動三軸試驗系統(tǒng)， 如圖 1 所示. 該系統(tǒng)是由動力驅(qū)動部分、 三軸壓力室、 圍壓控制器、 反壓控制器、 信號控制系統(tǒng)5個部分構(gòu)成. GDS試驗系統(tǒng)中計算機采集試樣振動過程中的軸向應(yīng)力、 應(yīng)變、 孔壓等數(shù)據(jù)， 然后經(jīng)過數(shù)據(jù)分析換算得出動彈性模量、 阻尼比等指標(biāo). 本系統(tǒng)可達到的振動頻率為0.1～10 Hz. 圍壓和反壓控制器的精度可達到1 kPa. 體積量測控制精度為1 mm3.

圖 1 GDS動三軸試驗系統(tǒng)Fig.1 GDS dynamic triaxial apparatus

1.2 試驗材料

試驗土樣取自太原某工地現(xiàn)場， 原狀土基本物理指標(biāo)如表 1 所示.

重塑土試樣的制備： 將取回的土體烘干、 碾碎、 過1 mm篩， 分別采用pH=7的蒸餾水和pH=5 的硫酸溶液配制含水率為16.9%的土體， 配制完成后將其密封于袋中24 h， 以保證土體含水率均勻. 本次試驗試樣的直徑為38 mm， 高度為80 mm， 通過干密度、 含水率和試樣體積計算確定每個試樣的質(zhì)量. 為保證試樣上下均勻壓實， 制備過程中將土體分8層壓入試樣筒內(nèi)， 各層之間刮毛以避免層間分層. 制備完成后將各試樣放入保濕皿， 保證含水率不發(fā)生變化. 試樣制備過程嚴格遵守《土工試驗規(guī)程》(GB/T50123-1999).

表 1 原狀土基本物理指標(biāo)

1.3 試驗方法

固結(jié)階段： 試樣在圍壓為100 kPa， 固結(jié)應(yīng)力比為1.69的條件下進行固結(jié)， 固結(jié)速度為0.2 mm/min， 當(dāng)固結(jié)時間超過5 min而試樣的體積變化小于5 mm3時認為固結(jié)完成.

動力加載階段： 為模擬不同交通荷載的振動作用， 試驗設(shè)置 1, 2, 5 Hz 3個頻率的正弦動力荷載， 各頻率下選取3個平行試樣， 采用逐級增加的動應(yīng)力進行加載， 加載數(shù)值如表 2 所示.

表 2 各級振動荷載數(shù)值

正弦動力加載曲線如圖 2 所示. 整個試驗過程中GDS動三軸系統(tǒng)通過相應(yīng)的傳感器采集應(yīng)力-應(yīng)變、 孔壓等數(shù)據(jù)以待進行數(shù)據(jù)處理.

圖 2 動力加載曲線Fig.2 The curve of dynamic loading

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 不同振動頻率下動彈性模量的變化規(guī)律

動彈性模量是土動力學(xué)的重要力學(xué)參數(shù). 在計算機自動采集到的數(shù)據(jù)文件中， 選取數(shù)據(jù)并繪制出不同階段的應(yīng)力-應(yīng)變滯回曲線， 經(jīng)過計算得出不同頻率下， 動彈性模量(Ed)與動應(yīng)變(εd)的關(guān)系如圖 3 所示， 由圖可以看出：

1)動彈性模量隨著動應(yīng)變的增加而降低， 且呈現(xiàn)出應(yīng)變軟化的現(xiàn)象， 這主要是由于動應(yīng)變的增加使部分土體結(jié)構(gòu)被破壞， 以至應(yīng)變產(chǎn)生后， 土體自行恢復(fù)至初始狀態(tài)的能力減弱， 從而導(dǎo)致動彈性模量下降. 其降低過程可以分為3個階段： 第一階段是動應(yīng)變小于1.44 mm， 在該階段試樣動彈性模量隨著動應(yīng)變的增加而呈現(xiàn)線性減小的趨勢， 這是試樣主要發(fā)生彈性變形所致； 第二階段是動應(yīng)變?yōu)?.44～4 mm時， 在該階段試樣軸向發(fā)生彈性變形和塑性變形， 動彈性模量隨著動應(yīng)變下降的趨勢明顯減緩， 但仍然保持下降趨勢； 第三階段為動應(yīng)變大于4 mm時， 該階段試樣產(chǎn)生的變形主要為塑性變形， 動彈性模量隨著動應(yīng)變的增加基本保持不變.

圖 3 不同頻率下動彈性模量與動應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.3 Relation curves between dynamic elastic modulus and dynamicstrain under different frequency

2) 同一動應(yīng)變下， 動彈性模量隨著振動頻率的增加而增大. 本試驗發(fā)現(xiàn)在頻率較大的動力荷載作用下， 應(yīng)變雖然開始產(chǎn)生， 但是并沒有發(fā)生完全就受到阻礙應(yīng)變繼續(xù)發(fā)展的相反方向作用力， 因此才會出現(xiàn)動彈性模量隨著振動頻率增加而增大的現(xiàn)象.

3) 同一頻率下， pH=5酸液配制的試樣較pH=7蒸餾水配制的試樣的動彈性模量小. 這主要是由于酸液與土體中的堿性氧化物發(fā)生反應(yīng)， 使土體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化， 導(dǎo)致動彈性模量的減小.

2.2 不同振動頻率下阻尼比的變化規(guī)律

土的阻尼比反映了動應(yīng)力作用下土體能量因內(nèi)阻而耗散的性質(zhì). 在試樣受到每一級動力加載的過程中， 采集動應(yīng)力-動應(yīng)變數(shù)據(jù)， 繪制應(yīng)力應(yīng)變滯回曲線.

經(jīng)過整理， 不同頻率下阻尼比(λ)與動應(yīng)變關(guān)系曲線如圖4， 由圖可以看出：

圖 4 不同頻率下阻尼比與動應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.4 Relation curves between damping ratio and dynamic strain under different frequency

1) 同一振動頻率下， 阻尼比隨著動應(yīng)變的增加而增大， 但在動應(yīng)變達到約4.8 mm以后， 阻尼比逐漸趨于平緩. 這說明小應(yīng)變條件下， 動應(yīng)變對阻尼比的影響比較明顯， 而隨著動應(yīng)變的增加， 阻尼比受動應(yīng)變的影響逐漸減弱. 通過試驗分析， 在低應(yīng)變條件下， 當(dāng)振動荷載接觸試樣的一瞬間， 由于土體受力后處于彈性應(yīng)變狀態(tài)， 試樣應(yīng)變的產(chǎn)生像勁度系數(shù)較小的彈簧受力壓縮一樣， 是一個漸進的過程， 但是這個漸進的過程因土樣較好的彈性而持續(xù)時間較短. 而在土體應(yīng)變逐漸由小應(yīng)變條件向大應(yīng)變條件變化的過程中， 土體逐漸由彈性應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化為塑性應(yīng)力狀態(tài)， 土粒位置發(fā)生變化， 重新排列， 相互之間的間距減小， 即土體結(jié)構(gòu)逐漸破壞. 當(dāng)振動荷載接觸試樣后， 試樣像一個勁度系數(shù)逐漸增大的彈簧， 試樣變形從開始到發(fā)展完成需要的時間逐漸增加， 應(yīng)變滯后于應(yīng)力的現(xiàn)象越來越明顯， 即表現(xiàn)為阻尼比逐漸增大.

2) 同一動應(yīng)變下， 阻尼比隨著振動頻率的增加有增大的趨勢， 但當(dāng)動應(yīng)變達到4.8 mm以后， 各振動頻率之間的阻尼比相差不大. 這說明在小應(yīng)變條件下， 振動頻率的增加使動應(yīng)變落后于動應(yīng)力的現(xiàn)象表現(xiàn)得更為明顯； 而在高應(yīng)變條件下， 振動頻率的增加對動應(yīng)變落后于動應(yīng)力的現(xiàn)象影響甚微. 造成這一現(xiàn)象的可能原因是小應(yīng)變時， 土體處于彈性狀態(tài)， 動力加載過程中， 振動頻率較高時， 各振次作用過程中， 動應(yīng)力對試樣產(chǎn)生的應(yīng)變效果并不能完成就受到下一振次的作用， 因此高頻率下， 動應(yīng)變滯后于動應(yīng)力的現(xiàn)象更為明顯， 即阻尼比隨著頻率的增加而增大.

3) 同一頻率下， pH=5酸液配制的試樣較pH=7蒸餾水配制的試樣的阻尼比減小.

2.3 不同振動頻率下動孔壓的變化規(guī)律

不同頻率下， 動孔壓(ud)與振動次數(shù)(N)的關(guān)系曲線如圖 5 所示， 動孔壓與動應(yīng)變的關(guān)系曲線如圖6， 為保持圖像清晰， 圖 6 只繪制pH=7時，f=5 Hz 的圖像，f=1 Hz,f=2 Hz的圖像與其相似， 可得出相同的結(jié)論.

圖 5 不同頻率下動孔壓與振次的關(guān)系曲線Fig.5 Relation curves between dynamic pore pressure and vibration times under different frequency

圖 6 不同頻率下動孔壓與動應(yīng)變的關(guān)系曲線Fig.6 Relation curves between dynamic pore pressure and dynamic strain under different frequency

由圖 5 可以看出：

1) 動孔壓隨著振動次數(shù)的增加而增大， 在0～1 000次的振動過程中， 這種增大的趨勢較緩慢， 但是當(dāng)振動次數(shù)超過1 000次以后， 這一趨勢顯著， 幾乎呈線性增長；

2) 同一頻率下， pH=5酸液配制的試樣較pH=7蒸餾水配制的試樣的動孔壓減小.

由圖 6 可以看出：

1) 在不同的振動頻率下， 動孔壓隨著動應(yīng)變的增加而增大， 并且具有很好的線性關(guān)系；

2) 達到同一動應(yīng)變時， 頻率越高， 動孔壓越大；

3) 同一頻率下， pH=5酸液配制的試樣較pH=7蒸餾水配制的試樣的動孔壓減小.

2.4 不同振動頻率下振陷變形的變化規(guī)律

黃土的振陷變形在土動力學(xué)上是用殘余應(yīng)變來表示的. 通常認為振陷變形的大小與土體起始密度、 濕度、 起始應(yīng)力狀態(tài)、 動荷作用強度、 振動持續(xù)時間等因素有關(guān). 通過本次試驗的研究發(fā)現(xiàn)， 振陷變形還與動荷載的振動頻率有關(guān)， 不同振動頻率下， 振陷變形隨著振動次數(shù)變化關(guān)系如圖 7 所示. 由圖可以看出：

圖 7 不同頻率下振陷變形與振次的關(guān)系曲線Fig.7 Relation curves between vibration deformation and vibration times under different frequency

1) 同一頻率下， 振陷變形隨著振動次數(shù)的增加而增大. 振動次數(shù)在0～2 000次時， 增長趨勢逐漸增大， 當(dāng)振動次數(shù)超過2 000次后， 振陷變形隨振動次數(shù)近似呈線性增長. 這主要是由于振動前期發(fā)生彈性變形， 而后期試樣塑性變形不斷增加.

2) 同一振次作用下， 振陷變形隨著振動頻率的增加而減小.

3) 同一頻率下， pH=5酸液配制的試樣較pH=7蒸餾水配制的試樣的振陷變形增大. 這主要是由于酸液與土體中的堿性氧化物發(fā)生反應(yīng)， 使承擔(dān)有效應(yīng)力的物質(zhì)減少， 造成振陷變形的增加.

3 結(jié) 論

1) 動彈性模量隨著動應(yīng)變的增加而降低， 呈現(xiàn)出應(yīng)變軟化的現(xiàn)象； 同一動應(yīng)變下， 動彈性模量隨著振動頻率的增加而增大； 同一頻率下， pH=5 酸液配制的試樣較pH=7蒸餾水配制的試樣的動彈性模量減小.

2) 同一頻率下， 阻尼比隨著動應(yīng)變的增加而增大， 但在動應(yīng)變達到約4.8 mm以后逐漸趨于平緩； 同一動應(yīng)變下， 阻尼比隨著振動頻率的增加有增大的趨勢， 但當(dāng)動應(yīng)變達到4.8 mm以后， 各振動頻率之間的阻尼比相差不大； 同一頻率下， pH=5酸液配制的試樣較pH=7蒸餾水配制的試樣的阻尼比減小.

3) 動孔壓隨著振動次數(shù)的增加而增大； 同一頻率和振次下， pH=5較pH=7酸液配制的試樣的動孔壓減??； 動孔壓在不同的振動頻率下隨著動應(yīng)變的增加而增大； 達到同一動應(yīng)變時， 動孔壓隨著頻率的增加而增大； 同一頻率和動應(yīng)變下， pH=5酸液配制的試樣較pH=7蒸餾水配制的試樣的動孔壓減小.

4) 同一頻率下， 振陷變形隨著振動次數(shù)的增加而增大； 振陷變形隨著振動頻率的增加而減小； 同一頻率下， pH=5酸液配制的試樣較pH=7蒸餾水配制的試樣的振陷變形增大.

[1]陳華. 交通荷載作用下公路路基的動力有限元分析[D]. 蘭州： 蘭州理工大學(xué)， 2004.

[2]謝定義. 中國土動力學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀與存在的問題[J]. 西北地震學(xué)報， 2007， 29(1)： 94-95. Xie Dingyi. Developing situation and problems of soil dynamics in China[J]. Northwest Seismological Journal， 2007， 29(1)： 94-95. (in Chinese)

[3]鄭剛， 霍海峰， 雷華陽. 等. 振動頻率對飽和黏土動力特性的影響[J]. 天津大學(xué)學(xué)報， 2013， 46(1)： 38-43. Zheng Gang， Huo Haifeng， Lei Huayang， et al. Contrastive study on the dynamic characteristics of Saturated clay in different vibration frequencies[J]. Journal of Tianjin University(Science and Technology)， 2013， 46(1)： 38-43. (in Chinese)

[4]王建榮， 張振中， 王俊， 等. 振動頻率對原狀黃土動本構(gòu)關(guān)系的影響[J]. 西北地震學(xué)報， 1999， 21(3)： 310-314. Wang Jianrong， Zhang Zhenzhong， Wang Jun， et al. Effect of vibration frequency on dynamic constitutive relationship of loess [J]. Northwest Seismological Journal， 1999， 21(3)： 310-314. (in Chinese)

[5]陳存禮， 楊鵬， 何軍芳. 飽和擊實黃土的動力特性研究[J]. 巖土力學(xué)， 2007， 28(8)： 1551-1556. Chen Cunli， Yang Peng， He Junfang. Research on dynamic characteristics of saturated compacted loess [J]. Rock and Soil Mechanics， 2007， 28(8)： 1551-1556. (in Chinese)

[6]李又云， 謝永利， 劉保健. 路基壓實黃土動力特性的試驗研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)， 2009， 28(5)： 1037-1046. Li Youyun， Xie Yongli， Liu Baojian. Experimental research on dynamic characteristics of roadbed compaction loess [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2009， 28(5)： 1037-1046. (in Chinese)

[7]萬戰(zhàn)勝， 楊喆， 王家鼎. 列車振動荷載作用下原狀黃土動力特性試驗[J]. 煤田地質(zhì)與勘探， 2011， 39(2)： 47-51. Wan Zhansheng， Yang Zhe， Wang Jiading. Experimental study on dynamic properties of intact loess under train vibrating load[J]. Coal Geology & Exploration， 2011， 39(2)： 47-51. (in Chinese)

[8]李焱， 駱亞生， 譚東岳， 等. 振動頻率對壓實黃土動強度特性的影響[J]. 水土保持學(xué)報， 2009， 29(4)： 130-133. Li yan， Luo Yasheng， Tan Dongyue， et al. Effects of vibration frequency on dynamic strength properties of compacted loess[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation， 2009， 29(4)： 130-133. (in Chinese)

[9]徐學(xué)燕， 仲叢利， 陳亞明， 等. 凍土的動力特性研究及其參數(shù)確定[J]. 巖土工程學(xué)報， 1998， 20(5)： 80-84. Xu Xueyan， Zhong Congli， Chen Yaming， et al. Research on dynamic characters of frozen soil and determination of its parameters[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering， 1998， 20(5)： 80-84. (in Chinese)

[10]Yasuhara K， Yamanouchi T， Hirao K. Cyclic str-ength and deformation of normally consolidated clay[J]. Soil and Foundations， 1982， 22(3)： 77-79.

[11]朱春鵬， 劉漢龍， 沈揚. 酸堿污染土強度特性的室內(nèi)試驗研究[J]. 巖土工程學(xué)報， 2011， 33 (7)： 1146-1152. Zhu Chunpeng， Liu Hanlong， Shen Yang. Laboratory tests on shear strength properties of soil polluted by acid and alkali[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering， 2011， 33 (7)： 1146-1152. (in Chinese)

[12]趙宇， 崔鵬， 胡良博. 黏土抗剪強度演化與酸雨引發(fā)滑坡的關(guān)系——以三峽庫區(qū)滑坡為例[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報， 2009， 28(3)： 576-582. Zhao Yu， Cui Peng， Hu Liangbo. Relation between evolution of clay shear strength and landslide induced by acid rain—taking landslides in three gorges reservoir area for example[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2009， 28(3)： 576-582. (in Chinese)

Study on Dynamic Characteristics of Acid Compacted Loess Under Different Vibration Frequencies

KOU Xiao-hui， ZHANG Qiang， DONG Xiao-qiang

(College of Architecture and Civil Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China)

To study the influence of vibration frequency on the dynamic elastic modulus, damping ratio, vibration deformation and pore pressure in the loess subgrade with acid corrosion, a series of dynamic triaxial tests were conducted. The vibration loads of different frequencies were provided through the GDS dynamic tri-axial testing apparatus. The pH=5 acid was selected to prepare the loess to simulate acid compacted loess. The results show that when the same dynamic strain is achieved, the dynamic elastic modulus increases with the increase of vibration frequency, the damping ratio increases with the increase of vibration frequency, the dynamic pore pressure increases with the increase of vibration frequency; The vibration deformation increases with the increase of vibration times under the same vibration frequency； The vibration deformation decreases with the increase of vibration frequency under the same vibration times； The sample made with acid liquor of pH=5 compared with that with distilled water of pH=7, the dynamic elastic modulus, damping ratio, pore pressure decreases and the vibration deformation increases.

vibration frequency； acid compacted loess； dynamic characteristic

2016-09-03

國家自然科學(xué)基金資助項目(51178287)； 山西省科技創(chuàng)新重點團隊建設(shè)計劃(2014131019)； 黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室開放基金資助項目(KLTLR-Y13-4)

寇曉輝(1988-)， 男， 碩士生， 主要從事巖土工程方面的研究.

董曉強(1974-)， 男， 博士生導(dǎo)師， 教授， 主要從事巖土工程方面的研究.

1673-3193(2017)02-0249-06

TU411.8

A

10.3969/j.issn.1673-3193.2017.02.027