干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)粉質(zhì)黏土動(dòng)力特性的影響研究與預(yù)測(cè)

陳 勇 趙 強(qiáng) Dave Chan

(1.三峽大學(xué) 三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 宜昌 443002;2.三峽大學(xué) 防災(zāi)減災(zāi)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 宜昌 3443002)

土的動(dòng)力特性直接關(guān)系著長(zhǎng)期循環(huán)荷載作用下基礎(chǔ)或邊坡的變形和穩(wěn)定性.近年來(lái),已有很多國(guó)內(nèi)外學(xué)者結(jié)合工程背景針對(duì)黏土開(kāi)展了一系列的動(dòng)力特性研究,先后分析了圍壓、加荷次數(shù)、排水條件、振動(dòng)條件、動(dòng)應(yīng)力比等控制因素對(duì)累積變形、土體強(qiáng)度、阻尼比等動(dòng)力特性的影響,建立了累積塑性應(yīng)變方程,取得了豐碩的研究成果[1-4].事實(shí)上,長(zhǎng)期服役條件下,巖土結(jié)構(gòu)不但可能承受循環(huán)荷載的作用,也必然直接遭受自然環(huán)境變化的影響(如降雨-蒸發(fā)交替作用、浸水-脫水周期作用).研究發(fā)現(xiàn),周期性的干濕循環(huán)導(dǎo)致土體長(zhǎng)期強(qiáng)度和變形模量明顯降低,且在第一次干濕循環(huán)后的衰減最大[5-6];干濕循環(huán)引起的裂隙發(fā)育還會(huì)導(dǎo)致土的滲透性[7]、壓縮性[8]逐漸增大,且在5～7次干濕循環(huán)后趨于穩(wěn)定;土體的持水性能[9]、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系[10]均發(fā)生不可逆變化.

動(dòng)力條件和水力環(huán)境變化的疊加作用效應(yīng),對(duì)巖土結(jié)構(gòu)的損傷和破壞是絕對(duì)不容忽視的.如:基于清江隔河巖水庫(kù)地震監(jiān)測(cè)網(wǎng)數(shù)據(jù)及多年滑坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)庫(kù)區(qū)的墓坪滑坡就是在水庫(kù)蓄水多次誘發(fā)微震疊加庫(kù)水位周期性變動(dòng)的共同作用下發(fā)生復(fù)活[11];2012年6月28日,金沙江白鶴灘水電站壩址近場(chǎng)區(qū)9條溝暴發(fā)了泥石流,其誘發(fā)原因也是強(qiáng)地震、干濕循環(huán)變化氣候的耦合作用[12].有關(guān)土體經(jīng)歷干濕循環(huán)后的動(dòng)力特性研究,成果相對(duì)較少.劉文化針對(duì)反復(fù)干濕循環(huán)下的粉質(zhì)粘土進(jìn)行了動(dòng)三軸試驗(yàn)研究,探討了干濕循環(huán)對(duì)累積塑性應(yīng)變發(fā)展規(guī)律和動(dòng)強(qiáng)度特性的影響,且由于風(fēng)干土樣內(nèi)部基質(zhì)吸力極大,造成土樣在干濕循環(huán)過(guò)程中不可逆體積收縮量與土體內(nèi)部微裂隙的開(kāi)展程度相比,前者對(duì)土體強(qiáng)度影響更大,從而導(dǎo)致累積塑性應(yīng)變小于原始試樣,且干濕循環(huán)后土體的臨界循環(huán)動(dòng)應(yīng)力以及動(dòng)強(qiáng)度明顯增大[13].然而,目前尚沒(méi)有土體動(dòng)力特性隨干濕循環(huán)次數(shù)變化規(guī)律的報(bào)道,也沒(méi)有建立干濕循環(huán)與動(dòng)荷載耦合作用下土體動(dòng)力特性參數(shù)的變化規(guī)律以及動(dòng)應(yīng)變發(fā)展的預(yù)測(cè)模型.

本文以庫(kù)水位周期性漲落為研究背景,通過(guò)室內(nèi)的“干濕循環(huán)”過(guò)程模擬土樣承受的“浸水-脫水”作用,以庫(kù)區(qū)頻發(fā)微震為動(dòng)力條件,采用電液伺服動(dòng)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)模擬不同的振動(dòng)條件,開(kāi)展干濕循環(huán)作用對(duì)土體動(dòng)力學(xué)特性的影響研究和預(yù)測(cè),為庫(kù)區(qū)微震作用下涉水邊坡的變形發(fā)展預(yù)測(cè)提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐.

1 試驗(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備采用SDT-10微機(jī)控制電液伺服土動(dòng)三軸試驗(yàn)系統(tǒng),能夠進(jìn)行單向激振和雙向激振,可以采集動(dòng)孔壓、軸向位移、軸向壓力等數(shù)據(jù),并運(yùn)用等體積測(cè)量原理解決了三軸試驗(yàn)中施加軸向作用對(duì)圍壓的影響問(wèn)題,通過(guò)特殊連接裝置,消除在軸向活塞運(yùn)動(dòng)過(guò)程中引起的圍壓波動(dòng)變化而產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)誤差.

1.2 試樣制備

試驗(yàn)中所用的黏土取自三峽庫(kù)區(qū)巴東段某滑坡前緣公路開(kāi)挖處,呈黃褐色,取樣深度約15m.對(duì)土樣進(jìn)行基本物理性質(zhì)試驗(yàn),測(cè)得參數(shù)見(jiàn)表1,顆粒級(jí)配曲線如圖1所示.

表1 滑坡土基本物理參數(shù)

圖1 土樣的顆粒級(jí)配曲線

顆粒級(jí)配分析發(fā)現(xiàn)土樣粒徑在1 mm以下的含量接近94.54%,小于0.075 mm的含量約為82%,細(xì)粒成分含量高,根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程(SL 237-1999)》確定土樣為粉質(zhì)粘土.土樣風(fēng)干木錘碾碎后過(guò)2 mm篩,根據(jù)初始含水率和天然密度,采用分層擊實(shí)法制備三軸試樣,試樣尺寸Φ61.8 mm×120 mm.試樣進(jìn)行真空吸水飽和后,含水率達(dá)到28.47%,飽和度94%.

1.3 試驗(yàn)方案

研究通過(guò)室內(nèi)多次“脫濕-浸水”步驟以模擬自然環(huán)境下土體的干濕循環(huán)過(guò)程:將飽和擊實(shí)樣置入電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱內(nèi)烘烤以模擬蒸發(fā)脫濕作用,溫度設(shè)為35℃,時(shí)間8 h,試樣含水率變化幅值約為10%;再置于蒸餾水中浸泡以模擬雨水浸潤(rùn)作用,兩個(gè)步驟作為一個(gè)干濕循環(huán)過(guò)程.為分析干濕循環(huán)次數(shù)的影響,試驗(yàn)所用試樣在分別經(jīng)歷0、1、3、6次“脫濕-浸水”過(guò)程后進(jìn)行了動(dòng)三軸剪切試驗(yàn),干濕循環(huán)過(guò)程中孔隙比及飽和度變化見(jiàn)表2,在經(jīng)歷干濕循環(huán)再達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí),試樣出現(xiàn)體積收縮.

將干濕循環(huán)后試樣安裝至動(dòng)三軸系統(tǒng),并逐步增大圍壓至300 k Pa并固結(jié)穩(wěn)定,然后關(guān)閉排水閥門(mén),并施加循環(huán)軸向動(dòng)荷載,荷載波形采用頻率為1 Hz的正弦波,軸向循環(huán)動(dòng)應(yīng)力σd加卸載的范圍為±150 k Pa.本試驗(yàn)設(shè)定試樣怕破壞指標(biāo)為累積塑性應(yīng)變達(dá) 到5%.

表2 土樣干濕循環(huán)過(guò)程中孔隙比及飽和度變化記錄表

土體在受迫振動(dòng)過(guò)程中,加載路徑與卸載路徑時(shí)呈現(xiàn)不同的變形特性,形成了環(huán)狀滯回圈.如圖2為應(yīng)力-應(yīng)變滯回曲線,其中峰值對(duì)應(yīng)的應(yīng)變和偏應(yīng)力分別為最大動(dòng)應(yīng)變?chǔ)臢max和最大偏應(yīng)力qmax;其谷值即對(duì)應(yīng)塑性應(yīng)變?chǔ)臢min和最小偏應(yīng)力qmin;則εNmaxεNmin為彈性變形,動(dòng)彈模EN=(qmax-qmin)/(εNmaxεNmin).qmax與qmin的絕對(duì)值大小與振幅σd相等.

圖2 應(yīng)力-應(yīng)變滯回圈示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 干濕循環(huán)對(duì)累計(jì)塑性應(yīng)變發(fā)展規(guī)律的影響

2.1.1 累積塑性應(yīng)變-振次關(guān)系曲線及分析

土體被壓縮后會(huì)產(chǎn)生不可恢復(fù)的塑性變形,隨著動(dòng)力荷載作用次數(shù)N的增加累積塑性變形εs不斷增大.干濕循環(huán)影響土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)和動(dòng)應(yīng)變的發(fā)展規(guī)律,圖3所示為經(jīng)歷不同干濕循環(huán)次數(shù)后土樣的累計(jì)塑性應(yīng)變與動(dòng)力加載次數(shù)關(guān)系曲線.可以看出:1)在上述應(yīng)力狀態(tài)和振動(dòng)條件下,累積塑性應(yīng)變最終值均＜5%且為曲線形態(tài),各試樣的累積塑性應(yīng)變曲線均呈現(xiàn)穩(wěn)定型;2)各試樣累計(jì)塑性應(yīng)變最終穩(wěn)定值隨試樣的干濕循環(huán)次數(shù)n逐漸增大,本研究采用烘箱35°烘干的方法與劉文化[13]等自然風(fēng)干的方法相比,含水率下降幅度僅約10%,土體最大內(nèi)部基質(zhì)吸力僅約300 kPa,形成的不可逆體積收縮量較小,在振動(dòng)過(guò)程中塑性變形發(fā)展相對(duì)較快,最終穩(wěn)定值相對(duì)較大.3)當(dāng)N＞5000之后,累計(jì)塑性應(yīng)變略有增長(zhǎng)并趨于穩(wěn)定.

為方便觀察累計(jì)塑性應(yīng)變發(fā)展規(guī)律,將圖3(a)的加載次數(shù)N采用對(duì)數(shù)坐標(biāo)表示,如圖3(b)所示,累計(jì)塑性應(yīng)變曲線呈S型,明顯可以看出:干濕循環(huán)對(duì)初期階段的累計(jì)塑性應(yīng)變影響不大;而在快速增長(zhǎng)階段累計(jì)塑性應(yīng)變受干濕循環(huán)次數(shù)的影響逐漸顯現(xiàn),各試樣應(yīng)變曲線之間距離逐漸拉大;進(jìn)入后期階段后累計(jì)塑性應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率變緩曲線開(kāi)始向右彎曲并有趨于水平的趨勢(shì).

圖3 各試樣εs-lg N關(guān)系曲線

2.1.2 累積塑性應(yīng)變模型改進(jìn)

生態(tài)學(xué)中種群增長(zhǎng)模型用來(lái)描述種群數(shù)量在一定條件下隨時(shí)間的發(fā)展規(guī)律.在食物匱乏、空間有限、斗爭(zhēng)激烈的條件下種群數(shù)量呈S型增長(zhǎng)模式,表達(dá)式為:M=a/(1+eb-ct),其中M為種群數(shù)量,a為種群數(shù)上限,e為自然數(shù),b、c為參數(shù),t為時(shí)間.

將種群增長(zhǎng)模型進(jìn)行改進(jìn)得到在不同干濕循環(huán)次數(shù)下累積塑性應(yīng)變?chǔ)舠關(guān)于lg N的模型,即

S型曲線表達(dá)式為:

其中,Gs為比重,h、i、j為擬合參數(shù).

干濕循環(huán)次數(shù)n=0、1、3的數(shù)據(jù)代入上述模型得到參數(shù)見(jiàn)表3,從表中可以得到干濕循環(huán)次數(shù)n對(duì)參數(shù)h、i、j的影響,即:h=-0.945/(1+0.623n)+4.399,i=1.459/(1+0.501n)+3.843,j=0.243/(1+0.203n)+1.601然后將n=6、12、18分別代入上述三式后得到干濕循環(huán)6、12、18次對(duì)應(yīng)的參數(shù)h、i、j(見(jiàn)表3),最后將其代入改進(jìn)模型得到干濕循環(huán)6、12、18次的預(yù)測(cè)εs-lg N關(guān)系.

表3 不同干濕循環(huán)次數(shù)下變形預(yù)測(cè)模型擬合參數(shù)

干濕循環(huán)6、12、18次條件下土體的εs-lg N關(guān)系預(yù)測(cè)曲線,如圖4所示.可知:1)干濕循環(huán)6次預(yù)測(cè)值略大于實(shí)際值,但兩曲線差值較小,整體上改進(jìn)的種群增長(zhǎng)模型能較好的預(yù)測(cè)累積應(yīng)變?chǔ)舠隨lg N變化的發(fā)展趨勢(shì).2)預(yù)測(cè)發(fā)現(xiàn),經(jīng)歷12、18次干濕循環(huán)后土樣的動(dòng)應(yīng)變發(fā)展與6次循環(huán)的差距不大,說(shuō)明在干濕循環(huán)次數(shù)達(dá)到6次以后,其對(duì)土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)和動(dòng)應(yīng)變的影響,基本可以忽略.

圖4 不同干濕循環(huán)次數(shù)作用下εs-lg N的預(yù)測(cè)曲線

2.2 干濕循環(huán)對(duì)土樣殘余孔壓比演化規(guī)律的影響

2.2.1 殘余孔壓比與振次比關(guān)系曲線及分析

等壓固結(jié)完成后,施加循環(huán)軸向動(dòng)荷載時(shí)關(guān)閉了排水閥門(mén),在動(dòng)荷載作用下,土體內(nèi)部孔隙水無(wú)法排出,必將產(chǎn)生孔隙水壓力.為了方便對(duì)比研究殘余孔壓uc隨振動(dòng)次數(shù)的變化規(guī)律,現(xiàn)對(duì)孔壓進(jìn)行歸一化處理,定義殘余孔壓比R=uc/σ3,σ3為固結(jié)階段的有效圍壓.定義振次比N/N1,其中N1為試驗(yàn)停止時(shí)振動(dòng)次數(shù).

圖5為不同干濕循環(huán)次數(shù)下土體殘余孔壓比隨振次比N/N1發(fā)展曲線,從圖中明顯可以看出:1)殘余孔壓比R隨振次比N/N1的增大而增大.在N/N1＜0.4階段內(nèi),R呈現(xiàn)出較快增長(zhǎng)的趨勢(shì),且隨著N/N1的增大增長(zhǎng)速率逐漸變緩,曲線緩慢向右彎曲;當(dāng)N/N1＞0.4后,R達(dá)到穩(wěn)定,曲線趨于水平.2)當(dāng)N/N1相同時(shí),經(jīng)歷干濕循環(huán)次數(shù)越多的土樣,殘余孔壓比越小,殘余孔壓比之間差值隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而減小.

圖5 不同干濕循環(huán)次數(shù)下R-N/N 1曲線

2.2.2 殘余孔壓比模型改進(jìn)及比較

根據(jù)圖5中R-N/N1曲線形態(tài)特征選取張建民A型改進(jìn)模型uc/σ3'=a(1-e-bN/N1)[14]進(jìn)行模型修正,得到不同干濕循環(huán)次數(shù)下殘余孔壓比預(yù)測(cè)模型,由于累積塑性應(yīng)變均小于5%試樣未達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn),故取Nf=N1.

在數(shù)學(xué)優(yōu)化分析軟件中對(duì)圖4中R-N/N1曲線進(jìn)行擬合,可以得到擬合參數(shù)a、b在不同干濕循環(huán)次數(shù)下的擬合值.將擬合的參數(shù)a、b整理成表4,從表中可以得到干濕循環(huán)次數(shù)n對(duì)參數(shù)a、b的影響,即:a=0.104/(1+0.571n)+0.260,b=0.852/(1+30.222n)+5.663然后將n=6、12、18代入修正后的模型中得到干濕循環(huán)6、12、18次對(duì)應(yīng)的參數(shù)a、b(見(jiàn)表4).

表4 不同干濕循環(huán)次數(shù)下模型擬合參數(shù)

圖6為干濕循環(huán)6、12、18次條件下R-N/N1實(shí)際曲線與模型預(yù)測(cè)曲線對(duì)比圖,明顯可以看出:

1)圖6中干濕循環(huán)6次預(yù)測(cè)曲線與實(shí)際曲擬合度很高.在0＜N/N1＜0.4階段內(nèi)預(yù)測(cè)值略大于實(shí)際值,兩者差值先增大后減小;0.4＜N/N1＜1階段內(nèi)預(yù)測(cè)曲線在實(shí)際曲線上方,預(yù)測(cè)值與實(shí)際值之間差值在逐漸增大.預(yù)測(cè)的干濕循環(huán)6次、12次、18次曲線之間差值,隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而減小,而且干濕循環(huán)12次與18次的曲線接近重合,印證了干濕循環(huán)對(duì)試樣作用效果逐漸減弱的結(jié)論.

2)修正后的張建民A型改進(jìn)模型能很好地?cái)M合多次干濕循環(huán)殘余孔壓比隨振次比的發(fā)展規(guī)律.

圖6 修正后的張建民A型改進(jìn)模型預(yù)測(cè)曲線

2.3 干濕循環(huán)對(duì)動(dòng)彈性模量發(fā)展規(guī)律的影響

動(dòng)彈性模量是土體在動(dòng)態(tài)荷載作用下彈性性質(zhì)的土動(dòng)力學(xué)特性參數(shù)描述,其值的大小能反映土體承受動(dòng)載影響性能.

圖7為不同干濕循環(huán)次數(shù)下彈性模量Ed與lg N關(guān)系曲線,從圖中明顯可以看出:1)在彈性模量Ed隨lg N快速下降,當(dāng)振動(dòng)次數(shù)達(dá)到1 000次后基本穩(wěn)定狀態(tài);2)隨著土樣經(jīng)歷干濕循環(huán)次數(shù)的增多,其彈性模量的初始值呈現(xiàn)明顯的降低,但降低的趨勢(shì)和幅度隨干濕循環(huán)次數(shù)而逐漸減小;3)土樣最終變形穩(wěn)定后,彈性模量的數(shù)值基本相同,說(shuō)明在本研究的應(yīng)力狀態(tài)下,干濕循環(huán)對(duì)最終彈性模量的影響很小.

圖7 動(dòng)彈性模量發(fā)展規(guī)律

3 結(jié)論與建議

本文通過(guò)對(duì)經(jīng)歷不同干濕循環(huán)次數(shù)后的粉質(zhì)黏土試樣進(jìn)行了不排水動(dòng)三軸剪切試驗(yàn).初步結(jié)論與建議如下:1)由于動(dòng)應(yīng)力水平較小,累積塑性應(yīng)變曲線均呈現(xiàn)穩(wěn)定型,且累計(jì)塑性應(yīng)變最終穩(wěn)定值隨干濕循環(huán)次數(shù)的增大而增大.2)當(dāng)加載次數(shù)N采用對(duì)數(shù)坐標(biāo)后改進(jìn)的種群增長(zhǎng)模型能很好預(yù)測(cè)6次、12次、18次εs-lg N曲線.3)修正后的張建民A型改進(jìn)模型能很好預(yù)測(cè)干濕循環(huán)6次、12次、18次的孔壓發(fā)展曲線.4)彈性模量Ed隨lg N先快速下降,振次達(dá)到一定次數(shù)后趨于穩(wěn)定,且經(jīng)歷干濕循環(huán)次數(shù)越多彈性模量最終穩(wěn)定值越小.

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