振動(dòng)頻率對(duì)重塑粉質(zhì)黏土動(dòng)力響應(yīng)特性的影響

吳 豪 鄧全勝 張國棟 謝 強(qiáng)

(1. 三峽大學(xué) 湖北長江三峽滑坡國家野外科學(xué)觀測(cè)研究站， 湖北 宜昌 443002；2. 三峽大學(xué) 三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心， 湖北 宜昌 443002； 3. 三峽大學(xué) 湖北省地質(zhì)災(zāi)害防治工程技術(shù)研究中心， 湖北 宜昌 443002)

動(dòng)荷載作用下土體動(dòng)力響應(yīng)的主要影響因素包括三個(gè)方面：一是土體固有的物理特性(土體類別、級(jí)配和粒徑大小、密度、孔隙比等)；二是初始應(yīng)力條件；三是加載條件(應(yīng)力水平或動(dòng)應(yīng)力幅值、動(dòng)載波形、頻率、持續(xù)時(shí)間及作用方向等)．在動(dòng)荷載作用下，土體累計(jì)變形量、累計(jì)孔隙水壓力和動(dòng)強(qiáng)度是土體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、土體變形控制的關(guān)鍵指標(biāo)．由于不同類型的土，其動(dòng)力響應(yīng)具有顯著的差異，不同的學(xué)者開展了不同類型土體的動(dòng)力響應(yīng)研究．

Matsui[1]對(duì)Ip=55 Senri黏土，在振動(dòng)頻率0.02～0.5 Hz作用下的動(dòng)三軸試驗(yàn)結(jié)果表明，循環(huán)次數(shù)一定情況下，加荷頻率越低(0.02～0.5 Hz)，產(chǎn)生的孔隙水壓力和軸向應(yīng)變?cè)酱螅驴肆琛⒃S才軍等[2-4]對(duì)飽和黏土的孔壓增長特性進(jìn)行了研究，正常固結(jié)飽和黏土，在確定的循環(huán)剪應(yīng)力作用下，孔隙水壓力隨振動(dòng)頻率(0.02～0.5 Hz)的增高而降低．張茹等[5]開展了振動(dòng)頻率對(duì)飽和黏性土動(dòng)力特性影響的研究，認(rèn)為頻率在0.1～4 Hz時(shí)，動(dòng)強(qiáng)度隨頻率的升高而增大，頻率繼續(xù)升高后，動(dòng)強(qiáng)度有下降趨勢(shì)，頻率在0.1～1 Hz時(shí)，頻率愈高，動(dòng)孔壓比愈大，頻率在1～6 Hz時(shí)，總的趨勢(shì)是頻率愈高，動(dòng)孔壓比愈小，動(dòng)模量隨頻率增高而增大．鄭剛[6]等做了一系列原狀和重塑樣黏土動(dòng)荷載試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)頻率(0.2～5 Hz)對(duì)重塑土孔壓發(fā)展影響較小，振動(dòng)頻率對(duì)動(dòng)彈性模量有較大影響．

上述研究成果集中反映了振動(dòng)頻率對(duì)黏性土強(qiáng)度、變形和孔壓的影響特性，尚未取得較為一致的研究成果．對(duì)于粉質(zhì)黏土，其物理力學(xué)特性與黏性土有本質(zhì)差異，振動(dòng)頻率對(duì)其累計(jì)變形和孔壓的影響如何?為此，本文以粉質(zhì)黏土為研究對(duì)象，以動(dòng)三軸為試驗(yàn)手段，開展振動(dòng)頻率對(duì)粉質(zhì)黏土累計(jì)變形、動(dòng)模量和孔壓發(fā)展特性的影響研究，為粉質(zhì)黏土在工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用提供參考．

1 試樣制備及試驗(yàn)方案

1.1 試樣制備

試驗(yàn)土樣取自于三峽庫區(qū)樹坪滑坡的東側(cè)滑帶土．按照土工試驗(yàn)規(guī)程推薦的方法對(duì)土樣進(jìn)行采集、運(yùn)輸及保管．試驗(yàn)土樣采取先清除表層碎土和雜土，然后用土工試驗(yàn)篩篩選出粒徑小于2 mm的土樣，取出的土樣用兩層塑料袋密封保存．試驗(yàn)所用的土樣最大粒徑為2 mm，采用篩分法與密度計(jì)法對(duì)試驗(yàn)土樣進(jìn)行顆粒級(jí)配分析，小于0.075 mm的含量為86%，所用土樣的基本物理指標(biāo)見表1．該土樣為粉質(zhì)黏土．試樣直徑61.8 mm，高120 mm．試樣制備完備后，采用真空飽和法飽和，飽和度為97.6%．

表1 主要物理參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)儀器采用陜西力創(chuàng)研發(fā)的應(yīng)變控制式的SDT-10微機(jī)控制電液伺服土動(dòng)三軸試驗(yàn)機(jī)．將制備好的試樣排水固結(jié)24 h后關(guān)閉排水閥．循環(huán)荷載試樣采用應(yīng)力控制加載方式，加載波形由伺服系統(tǒng)生成，選用正弦波，振動(dòng)頻率分別為2 Hz、5 Hz和6 Hz．有效圍壓采用200 kPa，循環(huán)應(yīng)力幅值為100 kPa，固結(jié)比取1.0．加載過程中，加載次數(shù)、軸向壓力、孔壓、軸向變形等數(shù)據(jù)由電腦采集處理．以試驗(yàn)軸向累計(jì)變形5%為破壞標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果分析．

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 振動(dòng)頻率對(duì)累計(jì)變形的影響

圖1～2分別為圍壓200 kPa，動(dòng)應(yīng)力幅值100 kPa下，在振動(dòng)頻率為2 Hz、5 Hz和6 Hz作用下飽和粉質(zhì)黏土的軸向累計(jì)變形的時(shí)程曲線和軸向累計(jì)變形隨振動(dòng)次數(shù)的變化曲線．

圖1 不同振動(dòng)頻率下軸向累計(jì)變形時(shí)程曲線

圖2 不同振動(dòng)頻率下振動(dòng)次數(shù)與軸向累計(jì)變形關(guān)系曲線

從累計(jì)變形的時(shí)程曲線圖1可以看出，不同頻率下土體的變形變化趨勢(shì)較為一致，試樣軸向累計(jì)變形達(dá)到穩(wěn)定與振動(dòng)頻率和作用的時(shí)間有關(guān)．振動(dòng)頻率越小，試樣軸向累計(jì)變形越大．圖2反映隨振動(dòng)次數(shù)的增加，土體的變形不斷增大，并最終趨于穩(wěn)定，振動(dòng)頻率越低，變形達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的所需次數(shù)越少，累計(jì)變形越大．當(dāng)振動(dòng)頻率為2 Hz時(shí)，振動(dòng)次數(shù)達(dá)N=1 500以后趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定時(shí)變形為12.5%，當(dāng)振動(dòng)頻率為5 Hz時(shí)，振動(dòng)次數(shù)達(dá)N=2 500以后趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定時(shí)變形為10%，當(dāng)振動(dòng)頻率為6 Hz時(shí)，振動(dòng)次數(shù)達(dá)N=4 000以后趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定時(shí)變形為8.9%．若以變形5%為破壞標(biāo)準(zhǔn)，頻率為2Hz時(shí)達(dá)到破壞需要N=250次，頻率為5Hz時(shí)達(dá)到破壞需要N=400次，頻率為6Hz時(shí)達(dá)到破壞需要N=750次．

圖3表示飽和粉質(zhì)黏土在不同振動(dòng)頻率下，振動(dòng)頻率與最大軸向累計(jì)變形的關(guān)系，隨著振動(dòng)頻率的增大，達(dá)到變形穩(wěn)定時(shí)的變形值減?。霈F(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是：頻率越高，振動(dòng)越快，試樣固結(jié)程度越高，孔隙比越小，試樣越穩(wěn)定，在相同動(dòng)應(yīng)力作用下，累計(jì)變形越?。?/p>

圖3 不同振動(dòng)頻率與最大軸向累計(jì)變形關(guān)系

2.2 振動(dòng)頻率對(duì)孔壓的影響

圖4、5分別為圍壓200 kPa，動(dòng)應(yīng)力幅值100 kPa下，振動(dòng)頻率為2 Hz、5 Hz和6 Hz作用下飽和粉質(zhì)黏土累計(jì)孔壓發(fā)展的時(shí)程曲線和孔壓比隨振動(dòng)次數(shù)的變化曲線．從累計(jì)孔壓的時(shí)程曲線圖4中可以看出，在不同振動(dòng)頻率作用下試樣累計(jì)孔壓的發(fā)展較為類似．振動(dòng)頻率為2 Hz和5 Hz時(shí)，累計(jì)孔壓的發(fā)展在設(shè)定的振動(dòng)次數(shù)范圍內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定，其值分別在120 kPa和100 kPa左右，而振動(dòng)頻率為6 Hz時(shí)，累計(jì)孔壓的發(fā)展在設(shè)定的振動(dòng)次數(shù)內(nèi)還有緩慢增加的趨勢(shì)．

圖4 不同振動(dòng)頻率下累計(jì)孔壓的時(shí)程曲線

圖5 不同頻率下振動(dòng)次數(shù)與孔壓比關(guān)系

圖5反映振動(dòng)頻率對(duì)孔壓比的影響，隨著振動(dòng)次數(shù)的增加，孔壓比先增加，其中，在頻率為2 Hz時(shí)，孔壓比發(fā)展較快，在頻率6 Hz時(shí)，孔壓比發(fā)展較為緩慢，振動(dòng)頻率越高，孔壓比增長越慢．通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，當(dāng)振動(dòng)頻率為2 Hz時(shí)試樣孔壓達(dá)到穩(wěn)定時(shí)動(dòng)孔壓比為0.6；頻率為5 Hz時(shí)試樣孔壓達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的孔壓比約為0.53；當(dāng)振動(dòng)頻率為6 Hz時(shí)，隨著振動(dòng)次數(shù)的增加，孔壓增長最慢，振動(dòng)次數(shù)超過N=20 000次時(shí)，隨著振動(dòng)次數(shù)的增加，孔壓仍在緩慢增加．本文的試驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)[5，7-9]中一些黏性土孔壓的發(fā)展模式有相似之處．即粉質(zhì)黏土中含有一定粘粒，滲透系數(shù)較小，頻率越高，在振動(dòng)開始階段，動(dòng)孔隙水壓力來不及上升和擴(kuò)散，致使孔隙水壓力增長較快，試樣有吸水現(xiàn)象，表現(xiàn)在圖形上即孔壓比越小，斜率越小．

2.3 振動(dòng)頻率對(duì)動(dòng)彈性模量的影響

圖6為固結(jié)圍壓200 kPa，動(dòng)應(yīng)力幅值100 kPa，在振動(dòng)頻率為2 Hz、5 Hz和6 Hz作用下飽和粉質(zhì)黏土的動(dòng)彈性模量隨軸向累計(jì)動(dòng)應(yīng)變的變化曲線．圖中3組動(dòng)彈性模量的發(fā)展高度重合，隨著累計(jì)動(dòng)應(yīng)變的發(fā)展，土體動(dòng)彈性模量在初期迅速減小，表現(xiàn)出應(yīng)變軟化的性質(zhì)，當(dāng)累計(jì)動(dòng)應(yīng)變超過2%后，動(dòng)彈性模量基本保持不變．振動(dòng)頻率對(duì)動(dòng)彈性模量影響較?。?/p>

圖6 不同頻率下動(dòng)應(yīng)變與動(dòng)彈性模量關(guān)系

3 結(jié) 論

通過對(duì)三峽庫區(qū)樹坪滑坡重塑飽和粉質(zhì)黏土進(jìn)行不同振動(dòng)頻率下的動(dòng)力三軸試驗(yàn)，分析了振動(dòng)頻率對(duì)軸向累計(jì)變形、孔壓比和動(dòng)彈性模量的影響，得出以下結(jié)論．

1)振動(dòng)頻率越高，變形達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的所需次數(shù)越少，累計(jì)變形也越小．

2)振動(dòng)頻率越高，孔壓增長越慢，達(dá)到穩(wěn)定時(shí)孔壓比越?。?/p>

3)振動(dòng)頻率對(duì)動(dòng)彈性模量的發(fā)展影響不大，隨著振動(dòng)次數(shù)的增加，土體動(dòng)彈性模量不斷減小，當(dāng)動(dòng)應(yīng)變超過2%后，動(dòng)彈性模量基本保持不變．

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