不同影響因素對(duì)黃土動(dòng)彈性模量的影響研究

屈超鋒

（西安衛(wèi)光科技有限公司，陜西 西安 710000）

0 引言

工民建中涉及到的施工經(jīng)常遇到動(dòng)力學(xué)問題，如地基夯實(shí)、注漿振搗等。土的動(dòng)力問題力學(xué)機(jī)理復(fù)雜，影響程度較大，引起了眾多學(xué)者開展相關(guān)研究。如孫德安等[1]對(duì)非飽和及飽和粉土進(jìn)行動(dòng)力變形試驗(yàn)，在不同凈圍壓應(yīng)力、不同初始含水率的條件下，得到了非飽和及飽和粉土試樣的動(dòng)應(yīng)力應(yīng)變骨架曲線；楊帥東等[2]采用動(dòng)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)加筋土試樣進(jìn)行固結(jié)不排水三軸剪切試驗(yàn)。研究了在不同影響因素（加筋材料、加筋層數(shù)、圍壓、固結(jié)應(yīng)力比）影響下加筋土動(dòng)彈性模量演化規(guī)律；劉大鵬等[3]分析了不同影響因素（壓實(shí)度、圍壓、含水率）下礫類土的阻尼比和動(dòng)彈性模量的演化規(guī)律；李池龍[4]對(duì)上海羅北路某新建工程路段的石灰改良軟黏土開展動(dòng)三軸試驗(yàn)，分析研究摻灰量、圍壓、固結(jié)比和加荷頻率對(duì)其動(dòng)力指標(biāo)的影響。張凌凱[5]在室內(nèi)動(dòng)三軸試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研究了在循環(huán)荷載作用下飽和砂礫土的動(dòng)力特性規(guī)律，主要分析了振動(dòng)頻率、固結(jié)壓力和固結(jié)應(yīng)力比對(duì)動(dòng)本構(gòu)關(guān)系和動(dòng)彈性模量的影響規(guī)律。

綜上不難發(fā)現(xiàn)，對(duì)于地基土動(dòng)力學(xué)問題的研究已有大量研究基礎(chǔ)，但涉及黃土的相關(guān)研究較少，尤其是針對(duì)工民建方面的動(dòng)力學(xué)研究較少。土體的動(dòng)彈性模量是在工民建工程設(shè)計(jì)中必不可少的設(shè)計(jì)參數(shù)，應(yīng)對(duì)其開展專題研究，研究結(jié)論對(duì)工程設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。

1 工程概況

陜西某建筑工地在施工中采用了強(qiáng)夯法對(duì)濕陷性黃土地基進(jìn)行處理。該處地基土體濕陷性較小，土體粘性較大，土質(zhì)呈暗黃色，屬Q(mào)3黃土。由于施工中采用強(qiáng)夯法，需對(duì)土體進(jìn)行動(dòng)力特性測(cè)試試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)方案

以陜西某黃土基坑為工程依托，現(xiàn)場(chǎng)取樣，結(jié)合黃土自身特點(diǎn)，制定了一個(gè)含水率（w=12%）、兩個(gè)固結(jié)比（Kc=1.60、Kc=1.69）、三種干密度（ρd=1.5 g/cm3、ρd=1.6 g/cm3、ρd=1.7 g/cm3）、四個(gè)圍壓（σ3=100 kPa、σ3=200 kPa、σ3=300 kPa、σ3=400 kPa）的動(dòng)三軸試驗(yàn)方案。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

（1）圍壓對(duì)土體動(dòng)力指標(biāo)的影響規(guī)律分析

對(duì)動(dòng)三軸試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行整理分析，提取了不同狀態(tài)下四個(gè)圍壓時(shí)的動(dòng)彈性模量和動(dòng)應(yīng)變的數(shù)據(jù)，繪制了如圖1（a）～（e）的關(guān)系曲線。

圖1 不同狀態(tài)下圍壓對(duì)動(dòng)彈性模量的影響曲線

圖1為不同狀態(tài)下圍壓對(duì)動(dòng)彈性模量的影響曲線，由圖知在初始狀態(tài)相同時(shí)，動(dòng)彈性模量隨著動(dòng)應(yīng)變呈單調(diào)遞減關(guān)系。在相同的動(dòng)應(yīng)變下，動(dòng)彈性模量隨圍壓呈單調(diào)遞增關(guān)系。分析原因是因?yàn)楫?dāng)固結(jié)應(yīng)力比不變時(shí)，較大的圍壓引起較大的豎向固結(jié)應(yīng)力。而豎向固結(jié)應(yīng)力增大時(shí)，土體內(nèi)部顆粒間的咬合力增大，土體結(jié)合更密實(shí)，從而土顆粒間相對(duì)滑動(dòng)更加困難；同時(shí)，較大的圍壓產(chǎn)生了較大的粘聚力，使得土體顆粒之間的初始動(dòng)剪應(yīng)力增大。

（2）干密度對(duì)土體動(dòng)力指標(biāo)的影響規(guī)律分析

圖2 不同狀態(tài)下干密度對(duì)動(dòng)彈性模量的影響規(guī)律

通過圖2中（a）～（d）不難發(fā)現(xiàn)，不同干密度下壓實(shí)黃土動(dòng)彈性模量也隨動(dòng)應(yīng)變的增大而減小。動(dòng)應(yīng)變相同時(shí)，動(dòng)彈性模量隨著干密度的增大而增大。原因主要是隨著干密度的增大，土體趨向密實(shí)，土顆粒間的聯(lián)結(jié)力增大，促使土體抵抗剪切變形的能力增強(qiáng)，土體產(chǎn)生相同動(dòng)應(yīng)變所需要的動(dòng)應(yīng)力增大，即動(dòng)彈性模量增大。

（3）固結(jié)應(yīng)力比對(duì)土體動(dòng)力指標(biāo)的影響規(guī)律分析

圖3 不同狀態(tài)下固結(jié)應(yīng)力比對(duì)動(dòng)彈性模量的影響曲線

循環(huán)荷載施加前土體的初始狀態(tài)可由固結(jié)應(yīng)力比來反映。不同的固結(jié)應(yīng)力比反映了動(dòng)荷載施加前土體的不同初始應(yīng)力狀態(tài)。如圖3所示，不同固結(jié)應(yīng)力比下地基土體的動(dòng)彈性模量與動(dòng)應(yīng)變呈單調(diào)遞減關(guān)系。動(dòng)彈性模量與固結(jié)應(yīng)力比的關(guān)系則分為兩個(gè)階段：在動(dòng)應(yīng)變小于0.1%時(shí)，二者呈單調(diào)遞增關(guān)系；而在動(dòng)應(yīng)變大于0.1%時(shí)，隨固結(jié)應(yīng)力比的增大，動(dòng)彈性模量基本不受固結(jié)應(yīng)力比的影響。主要原因是隨著固結(jié)應(yīng)力比的增大，地基土體的初始主應(yīng)力增大，密實(shí)度提高，土顆粒之間的滑動(dòng)變得困難，使得土的動(dòng)彈性模量增大；相反，土的動(dòng)應(yīng)變?cè)趧?dòng)應(yīng)力作用下逐漸增大，土體顆粒變得松動(dòng)，土的粘聚力變小，表現(xiàn)為動(dòng)彈性模量幾乎不受固結(jié)應(yīng)力比的影響。

4 結(jié)語(yǔ)

土體的動(dòng)力問題在工民建設(shè)計(jì)中常會(huì)遇到，一般在設(shè)計(jì)時(shí)較少考慮此因素的影響。但隨著工程高度的不斷增大，動(dòng)力學(xué)問題的影響不容忽視。基于此，本文開展了地基土體的動(dòng)三軸試驗(yàn)，分析了圍壓、干密度、固結(jié)比對(duì)土體動(dòng)彈性模量的影響，得出了一些有益結(jié)論，相關(guān)結(jié)論可為工程設(shè)計(jì)施工提供指導(dǎo)。