不同條件下粉砂融土動力參數(shù)試驗研究

熊宏強，孫 靜,甘霖睿

(黑龍江大學(xué) 建筑工程學(xué)院，哈爾濱 150080)

0 引 言

黑龍江省季節(jié)性凍土廣泛分布。土體在夏季融化，冬天凍結(jié)的反復(fù)凍融作用下，會發(fā)生凍脹融沉現(xiàn)象，尤其是粉質(zhì)砂土在春融期，超高含水率下，液化嚴(yán)重。受到車輛、地震等動荷載作用，天然地基承載力下降，易引起沉陷翻漿、失穩(wěn)和不均勻沉降等現(xiàn)象。直接影響建筑物和土工構(gòu)筑物的實際功能和安全使用。研究不同條件下粉砂融土動力參數(shù)意義重大，且由于融土動力特性相比凍土更為復(fù)雜，處于探索階段，存在很大的潛在研究價值[1-2]。徐學(xué)燕等[3]、王麗霞等[4]研究凍土動模量、阻尼比等動力參數(shù)與溫度、振動頻率等的關(guān)系；Wang等[5]、王立娜等[6]、許陽等[7]、馬玉濤等[8]研究凍結(jié)粉質(zhì)黏土動力特性；于嘯波等[9]重點研究3類典型土動力學(xué)參數(shù)的影響特征。孫靜等[10-11]研究土體動模量對土層地震反應(yīng)的非線性影響特性。Zhang[12]和Wilson[13]研究不同試驗條件對淤泥土動力學(xué)參數(shù)的影響。牛亞強等[14]研究得出黃土的非線性強度準(zhǔn)則。Ma等[15]研究了砂土動力性能的影響。Christ等[16]研究動態(tài)荷載下的凍土力學(xué)性能。還有學(xué)者提出并驗證了Martin Davidenkov模型、雙曲線模型[17]和本構(gòu)模型[18]。

目前融土研究存在以下不足：①國內(nèi)外大部分是對凍土的研究成果，對融土涉及不多；②受限于儀器設(shè)備，大多數(shù)動三軸采用壓力室外完成凍融的方式對土體擾動較大；③受限于試驗周期，試驗研究工況少，條件單一，且缺乏對動模量比的研究。本文針對以上不足，從融土角度，依托GDS動三軸儀在壓力室內(nèi)完成凍融，研究粉砂土動模量、動模量比和阻尼比與圍壓、初始含水率、振動頻率和固結(jié)時間的影響規(guī)律，為季節(jié)凍土區(qū)建設(shè)工程抗震設(shè)計和凍土動力學(xué)研究提供依據(jù)，給凍土區(qū)粉砂土地基服役性能評價提供參考。

1 試驗方案設(shè)計

1.1 試樣制備

試樣基本物性指標(biāo)：試驗土樣取自黑龍江省佳木斯地區(qū)，通過物理試驗確定土樣天然含水率9.86%；最優(yōu)含水率12.10%，最大干密度1.84 g/cm3；土樣粒徑主要為0.01～0.5 mm，粒徑為0.024 mm的含量最多占5.61%，不均勻系數(shù)4.66，曲率系數(shù)1.30，顆粒分布均勻，判定為級配不良的粉質(zhì)細(xì)砂。操作步驟：將烘干的土樣按含水率5%、10%、15%加蒸餾水反復(fù)拌勻，并保鮮膜覆蓋浸潤24 h測定實時含水率，保證符合設(shè)計要求。按照95%壓實度，制備三軸試樣，借助三瓣膜飽和模具，每次填土47.55 g，擊30下，并刮毛上下層，避免產(chǎn)生分層，分4層進行擊實。所得三軸試樣高度H=80 mm，直徑D=39.1 mm。

1.2 試驗內(nèi)容

本試驗使用進口GDS動三軸儀，采用應(yīng)力控制正弦波加載方式。相比其他動三軸儀，該儀器能夠在壓力室內(nèi)自主完成凍融循環(huán)且測量精度更高。在完成飽和、固結(jié)、凍融和動態(tài)加載等試驗?zāi)K的過程中有效地避免了外界干擾。按照工況要求，把制好的三軸試樣裝入壓力室內(nèi)，借助反壓飽和24 h，利用B-cherk試驗確認(rèn)飽和度是否達到90%以上。再以設(shè)定的恒圍壓固結(jié)8 h，完成后，開始凍融試驗，按設(shè)定負(fù)溫T=-10 ℃凍結(jié)12 h，標(biāo)準(zhǔn)室溫融化12 h為一次循環(huán)。結(jié)束凍融后，從初始應(yīng)力10 kPa開始，以10 kPa為一級，逐級施加正弦循環(huán)荷載，直至試樣完全破壞，設(shè)定數(shù)據(jù)采集點和周期數(shù)，依托GDS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同步自動完成各級數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測。試驗按照圍壓、初始含水率、振動頻率和固結(jié)時間4類試驗條件，以單一變量原則，設(shè)置圍壓σ3為100、150、200 kPa；初始含水率ω為5%、10%、15%；振動頻率f為0.5、1、1.5 Hz；固結(jié)時間t為8、16、24 h。

2 試驗結(jié)果分析2.1 動應(yīng)力

T=-10 ℃凍融后不同圍壓、初始含水率、振動頻率和固結(jié)時間下，粉砂融土的動應(yīng)力和動應(yīng)變的關(guān)系曲線見圖1。由圖1可見，隨著動應(yīng)變不斷增大，土體都經(jīng)歷從彈性變形到彈塑性變形，最后破壞的變化階段?；痉螲ardin-Drnevich經(jīng)典等效模型，非線性特征顯著。但不同條件對動應(yīng)力的影響程度差異很大，試驗表明，相同動應(yīng)變下，融土的動應(yīng)力與圍壓增大、初始含水率提高和振動頻率增大成正比，固結(jié)時間增加動應(yīng)力略有增大趨勢，但影響不大。

圖1 不同試驗條件的σd-εd關(guān)系曲線Fig.1 Curves of σd-εd with different test conditions

2.2 圍壓的影響

當(dāng)ω=5%,f=1 Hz,t=8 h時，不同圍壓下動模量和動應(yīng)變的關(guān)系曲線見圖2，同一動應(yīng)變下，圍壓越大，動模量越大，當(dāng)圍壓由100 kPa增加到150 kPa后動模量增長明顯，但繼續(xù)提高圍壓對動模量影響不大。不同圍壓下動模量比和動應(yīng)變的關(guān)系曲線見圖3，動模量比基本處于狹長區(qū)域，與圍壓增大呈負(fù)相關(guān)性。不同圍壓下阻尼比與動應(yīng)變的關(guān)系曲線見圖4，相同動應(yīng)變下，圍壓越大，阻尼比越小，說明一定范圍內(nèi)，隨著圍壓增大，土體固結(jié)密實度提高，孔隙比減小，引起動模量增大，同時動力波的傳播路徑增多，能量消耗減少，致使阻尼比減小。

圖2 不同圍壓的Ed-εd關(guān)系曲線Fig.2 Curves of Ed-εdfor different confining pressures

圖3 不同圍壓的Ed/Edmax-εd關(guān)系曲線Fig.3 Curves of Ed/Edmax-εd for different confining pressures

2.3 初始含水率的影響

當(dāng)σ3=100 kPa,f=1 Hz,t=8 h時，不同初始含水率下動模量與動應(yīng)變的關(guān)系曲線見圖5，試驗表明，在一定范圍內(nèi)，同一動應(yīng)變下，隨著含水率提高，動模量增大，當(dāng)含水率超過10%后影響逐漸減弱。不同初始含水率下動模量比和動應(yīng)變的關(guān)系曲線見圖6，動模量比隨著動應(yīng)變增大而減小，含水率變化對其影響不大。不同初始含水率下阻尼比與動應(yīng)變的關(guān)系曲線見圖7，含水率對阻尼比的影響沒有其它因素顯著，相同動應(yīng)變下，初始含水率提高，阻尼比略微減小，說明隨著含水率的提高，在土體融化后，排水固結(jié)達到穩(wěn)定的土體接近最優(yōu)含水率，孔隙比減小，有利于土體整體強度提高，動模量增大，同時土體中的水增強了整體的結(jié)構(gòu)性，使土體更密實，相對減弱對動力波能量的消耗能力，阻尼比減小。

圖4 不同圍壓的λ-εd關(guān)系曲線Fig.4 Curves of λ-εd for different confining pressures

圖5 不同初始含水率的Ed-εd關(guān)系曲線Fig.5 Curves of Ed-εd with different water contents

圖7 不同初始含水率的λ-εd關(guān)系曲線Fig.7 Curves of λ-εdwith different water contents

2.4 振動頻率的影響

當(dāng)σ3=100 kPa,ω=5%,t=8 h時，不同振動頻率下動模量與動應(yīng)變的關(guān)系曲線見圖8，同一動應(yīng)變下，振動頻率增大，動模量微弱增大，當(dāng)動應(yīng)變超過10-3后頻率增加，動模量基本不變。不同振動頻率下動模量比和動應(yīng)變的關(guān)系曲線見圖9，動模量比隨著動應(yīng)變發(fā)展區(qū)分并不明顯，可見頻率對其影響不大。不同頻率下阻尼比與動應(yīng)變的關(guān)系曲線見圖10，同一動應(yīng)變下，當(dāng)動應(yīng)變小于10-3時，粉砂融土阻尼比無明顯變化，超過10-3后頻率越高，阻尼比顯著減小。試驗表明振動頻率越大，荷載作用時間越短，土體形變滯后，變形量減小，動模量越大，相對增加了動力波的傳播途徑，減少能量損耗，阻尼比減小。

2.5 固結(jié)時間的影響

當(dāng)σ3=100 kPa,ω=5%,f=1 Hz時，不同固結(jié)時間下動模量與動應(yīng)變的關(guān)系曲線見圖11，同一動應(yīng)變下，固結(jié)時間越長，動模量越大，但存在范圍限制，固結(jié)16 h后再增加固結(jié)時間對粉砂融土動模量的影響不大。不同固結(jié)時間下動模量比與動應(yīng)變的關(guān)系曲線見圖12，相同動應(yīng)變下，固結(jié)時間增加，動模量比略有增大趨勢。不同固結(jié)時間下阻尼比與動應(yīng)變的關(guān)系曲線見圖13，同一動應(yīng)變下，當(dāng)動應(yīng)變小于10-3時固結(jié)時間對阻尼比基本無影響，超過10-3后固結(jié)時間越長，阻尼比越小。試驗表明，在一定范圍內(nèi)，增加粉砂融土的固結(jié)時間，能夠有效減小孔隙比，提高土體強度，使動模量增大，引起阻尼比減小。

圖8 不同振動頻率的Ed-εd關(guān)系曲線Fig.8 Curves of Ed-εd under different frequencies

圖9 不同振動頻率的Ed/Edmax-εd關(guān)系曲線Fig.9 Curves of Ed/Edmax-εdunder different frequencies

圖10 不同振動頻率的λ-εd關(guān)系曲線Fig.10 Curves of λ-εdunder different frequencies

圖11 不同固結(jié)時間的Ed-εd關(guān)系曲線Fig.11 Curves of Ed-εd for different consolidation time

圖12 不同固結(jié)時間的Ed/Edmax-εd關(guān)系曲線Fig.12 Curves of Ed/Edmax-εd for different consolidation time

圖13 不同固結(jié)時間的λ-εd關(guān)系曲線Fig.13 Curves of λ-εd for different consolidation time

3 結(jié) 論

1) 隨動應(yīng)變發(fā)展，粉砂融土經(jīng)歷彈性變形到彈塑性變形，最后破壞趨于穩(wěn)定，非線性特征顯著。相同動應(yīng)變的動應(yīng)力與圍壓、初始含水率和振動頻率成正比，固結(jié)時間增加，動應(yīng)力略微增大。

2) 一定范圍內(nèi)，圍壓對粉砂融土動力特性影響突出，同一動應(yīng)變下，圍壓低于150 kPa時，圍壓越大，動模量越大；動模量比與圍壓增大呈負(fù)相關(guān)性；圍壓增大，土體密實度提高，孔隙比減小，利于動力波傳遞，阻尼比減小。

3) 初始含水率對粉砂融土動力特性影響差異大，同一動應(yīng)變下，含水率低于10%時，隨含水率提高，動模量明顯增大；動模量比隨含水率變化呈增大趨勢；含水率對阻尼比影響沒有其它因素顯著，初始含水率越高，阻尼比略微減小。

4) 振動頻率對粉砂融土不同動力參數(shù)影響區(qū)間化，同一動應(yīng)變下，動應(yīng)變低于10-3時，頻率增大，動模量增大，超過10-3，動模量基本不變；動模量比隨著動應(yīng)變發(fā)展區(qū)分并不明顯；動應(yīng)變小于10-3時，阻尼比無明顯變化，超過10-3后頻率越高，阻尼比顯著減小。

5) 固結(jié)時間對粉砂融土動力特性影響一般，同一動應(yīng)變下，固結(jié)時間越長，動模量越大，超過16 h后增加固結(jié)時間影響不大；固結(jié)時間增加，動模量比略有增大趨勢；動應(yīng)變超過10-3后固結(jié)時間越長，孔隙比越小，動力波能量消耗越少，阻尼比越小。