風(fēng)荷載下的黃家侖地區(qū)殘積土動靜力特性研究

易 軍

(四一四地質(zhì)隊，湖南 益陽 413000)

殘積土作為一種孔隙率大、壓縮性高和抗剪強度低等特點的土體，工程性質(zhì)較差[1]，在我國中南部山區(qū)分布廣泛[2].隨著我國對山區(qū)資源的開發(fā)，受條件制約，許多工程以殘積土作為持力層.在后期運營過程中受到外部荷載影響，特別是例如沖擊荷載和風(fēng)荷載等動荷載作用下極易引發(fā)工程事故.國內(nèi)外學(xué)者從20世紀(jì)80年代開始對于殘積土的工程性能研究逐漸增多[3]，并取得了許多有借鑒價值的研究成果.

室內(nèi)土工試驗方面，黃志崙等[4]對深圳花崗殘積土進行了一系列類土工試驗，發(fā)現(xiàn)常規(guī)試驗方法不能準(zhǔn)確反映殘積土的真實性狀，其針對一些參數(shù)(液性指數(shù)、土的單位容量、比重、顆粒分析等)總結(jié)了花崗巖殘積土的土工試驗流程.原位試驗方面，陽發(fā)清等[5]對廈門某建筑持力層進行了原位測試實驗，通過比較常規(guī)地勘資料提出了垂直固結(jié)系數(shù)和變形特性之間的聯(lián)系，并提出了指標(biāo)要求.針對殘積土的崩解特性，張抒等[6]自制了崩解試驗儀器對廣州片區(qū)花崗巖殘積土的崩解特性做了進一步研究，從微觀角度分析了花崗巖殘積土的崩解機理.在三軸試驗研究方面，方祥位[7]和蔣剛等[8]利用GDS三軸試驗，對花崗巖殘積土重塑土試樣進行了剪切試驗，得出了不同加載條件下的應(yīng)力-軸應(yīng)變曲線，并且對其應(yīng)變特性進行了總結(jié)，其壓縮模量會隨軸壓升高而升高，試樣加載時有剪縮特性.

目前我國對于殘積土的研究集中在花崗巖殘積土，但是，不同殘積土的成因和礦物組成差異性較大，其抗剪特性也不盡相同.本文以黃家侖地區(qū)的擬建山區(qū)風(fēng)電場的殘積土層為研究對象，對其進行了一系列的三軸試驗，研究了其動靜力學(xué)特性，對指導(dǎo)此類土的工程設(shè)計具有重要的實際意義.

1 黃家侖地區(qū)殘積土的類別

國內(nèi)對于殘積土的分類一般參照劉立明[9]和張永波[10]等根據(jù)母巖類型和顆粒粒徑來劃分殘積土的類別，隨著研究深入，發(fā)現(xiàn)殘積土的細顆粒含量較多，許多學(xué)者參照細粒土的分類標(biāo)準(zhǔn)也將塑性指數(shù)作為分類標(biāo)準(zhǔn)[11].

1.1 地層情況

通過區(qū)域勘查的方法揭露了黃家侖的地層主要為第四系殘坡積層(Q4el+dl)和石炭系(C1d)石英砂巖及灰?guī)r層，各地層特征分述如下：

(1)第四系殘坡積層(Q4el+dl)

主要由人工填土和礫質(zhì)黏性土組成，厚度0～10m，主要分布于山前坡麓地帶、斜坡坡面及平臺、谷底，土體結(jié)構(gòu)松散.

(2)石炭系(C1d)

石英砂巖分別在邊坡的巖土接觸面以下，沿深度向下呈強～中風(fēng)化，近地表呈強風(fēng)化狀態(tài)，風(fēng)化厚度約1～3m，裂隙發(fā)育，巖石破碎；石英砂巖以下為中風(fēng)化灰?guī)r，巖溶不發(fā)育，巖石完整，分布于整個滑坡區(qū).

根據(jù)地勘所揭露的地層情況來看，此區(qū)域的殘積土多由石英砂巖風(fēng)化而來，其特性可能遺留自石英砂巖[12]，根據(jù)母巖性質(zhì)可以將黃家侖地區(qū)的殘積土劃分為泥沙質(zhì)巖殘積土.

1.2 顆粒粒徑分析

從原地貌殘積土邊坡取回原狀土，挑出大塊碎石和草梗，將土樣風(fēng)干后碾碎，根據(jù)《公路土工試驗規(guī)程SL 237-1999》[13]，過10mm篩后取土2kg進行標(biāo)準(zhǔn)篩分試驗，并根據(jù)篩分結(jié)果繪制級配曲線，如圖1所示.

根據(jù)上述篩分試驗的結(jié)果，土樣中粒徑大于0.5mm的顆粒占土體總質(zhì)量的73.5%，大于界限值35%，判定此殘積土為砂礫質(zhì)土.

1.3 黃家侖殘積土液塑限試驗

根據(jù)《公路土工試驗規(guī)程SL 237-1999》，取具有天然含水率的原狀土樣，過0.5mm篩，制備三種接近液限、塑限和中間狀態(tài)三種不同稠度的土膏，并用濕潤的毛巾覆蓋，靜置24h后使用圓錐儀進行試驗，記錄三個試樣的圓錐下沉刻度和含水率，并繪制入土深度和試樣含水率的對數(shù)曲線，如圖2所示.

由圖可知，對應(yīng)于圓錐探頭入土深度20mm的含水率為35.7%.根據(jù)土工試驗規(guī)程，此深度對應(yīng)的含水率即為該土體液限ωL.再通過查表可知該土體的塑限ωP，即圓錐錐入深度2mm對應(yīng)的含水率為22.1%.又因為此土體的天然含水率為25.2%，通過公式計算可得該地區(qū)土體的塑性指數(shù)IP和液性指數(shù)IL分別為12.44和0.23，判定此土體屬于黏性土.

根據(jù)以上試驗分析，可以將黃家侖地區(qū)的殘積土判定為砂礫質(zhì)黏性泥沙質(zhì)巖殘積土，并且此土體在自然狀態(tài)下處于硬塑狀態(tài)(0

2 試驗方案

2.1 試驗材料

三軸試驗所采用的試驗土樣均來自于黃家侖地區(qū)山體邊坡的殘積土層，將其過2mm孔徑的篩，剔除碎石和草梗等雜質(zhì)對試樣的影響，并排除尺寸效應(yīng).

2.2 試驗步驟

本次試驗的方案是利用GDS動三軸試驗儀對黃家侖地區(qū)殘積土重塑土土樣進行不同圍壓情況下的動靜三軸試驗，研究砂礫質(zhì)黏性泥沙質(zhì)巖殘積土在圍壓改變的情況下力學(xué)特性的變化.

試樣的制備按照《公路土工試驗規(guī)程SL 237-1999》中對于擾動土樣的制備要求進行處理.在土體的最優(yōu)含水率(26%)的條件下?lián)魧?，為了確保在最優(yōu)含水率時擊實，土體在制樣前復(fù)測含水量；為了使試樣均勻擊實，將土體等分為5層擊實，并在模具和墊片上涂抹凡士林方便脫模.

試驗考慮土的最不利狀況，所以需要將土體進飽和處理，將制備好的試樣裝入飽和器中靜置24h，進行100%飽和后取出立即裝樣，安裝好的試樣如圖3所示.

在進行靜三軸試驗時設(shè)置試驗工況分為圍壓100kPa、200kPa和300kPa的不固結(jié)不排水試驗.實驗采用控制軸壓控制器下沉速率的方法對試樣進行加載，當(dāng)軸向應(yīng)變達到20%時默認試樣發(fā)生破壞，實驗終止.

動三軸試驗選用的動荷載為此區(qū)域主風(fēng)速(11m/s)所對應(yīng)的隨機風(fēng)荷載作用下的風(fēng)力發(fā)電機最大基底壓力波動曲線[14].由于動三軸試驗加載周期過長，試驗圍壓設(shè)定為100kPa和300kPa，僅設(shè)置一組對照組.在進行抗剪強度試驗時采用分級加載的方式進行加載，為了保證實驗數(shù)據(jù)的完整可靠，每一級加載都將荷載循環(huán)四次，具體的初始加載曲線如圖4所示，并假定初始加載曲線為第一級加載階梯，加載階梯差為15kPa，當(dāng)試樣累計應(yīng)變達到5%時停止加載，默認試樣發(fā)生破壞.

在確定動荷載的基礎(chǔ)上設(shè)置疲勞試驗，將初始荷載循環(huán)333次，實際沖擊試樣超10000次，測試此殘積土的疲勞特性.

3 試驗結(jié)果分析

3.1 靜三軸試驗試樣破壞形態(tài)及應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

按照試驗方案得到了不同圍壓條件下的試樣的破壞形態(tài)數(shù)據(jù).具體的破壞情況如圖5所示.

如圖所示試樣出現(xiàn)了兩種破壞形式，在圍壓為100kPa和200kPa的情況下，試樣均在頂部出現(xiàn)鼓脹，但是在圍壓提升到300kPa后，試樣在下部出現(xiàn)鼓脹，出現(xiàn)剪切破壞初期特征.

圍壓的提升會在加載初期對實驗起到約束顆粒移動的作用，在荷載達到臨界點后，試樣內(nèi)部薄弱面會有裂隙發(fā)展誘發(fā)試樣破壞.

圖6是三種不同圍壓下的黃家侖地區(qū)殘積土試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，應(yīng)力-應(yīng)變曲線除了可以直接表現(xiàn)試樣的變形特征和抗剪強度，還可以作為繪制摩爾應(yīng)力圓的依據(jù)，進一步得出土體的抗剪強度參數(shù).

圖中可以看出，試樣的抗剪強度隨圍壓的上升而上升，其中圍壓100kPa至200kPa的抗剪強度提升明顯.圍壓300kPa下的應(yīng)力應(yīng)變曲線的偏壓在經(jīng)歷峰值后有小幅下降，在應(yīng)變?yōu)?0%的位置和圍壓200kPa下的應(yīng)力應(yīng)變曲線相交，說明黃家侖地區(qū)殘積土受土體承載力影響，圍壓對抗剪強度的提升存在邊際效應(yīng).

通過繪制摩爾應(yīng)力圓，以此分析土體的內(nèi)摩擦角φ和黏聚力c.考慮到土的應(yīng)力應(yīng)變曲線較為光滑，破壞點不明確，根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變曲線中出現(xiàn)的第一個空載點繪制摩爾應(yīng)力圓如圖6所示.

圖抗剪強度包絡(luò)線中的切線夾角為土體的內(nèi)摩擦角φ大小，在y軸上的截距為土體的黏聚力c值，由圖可知黃家侖地區(qū)的殘積土內(nèi)摩擦角大小為13.12°，黏聚力大小為28.90kPa.

3.2 動力特性分析

3.2.1 應(yīng)力應(yīng)變曲線分析

圍壓為100kPa和300kPa時的動三軸試驗應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖7所示.

圍壓為100kPa的應(yīng)力應(yīng)變曲線前期應(yīng)變很小，但在第六級階梯上出現(xiàn)明顯突變，應(yīng)變出現(xiàn)幾何式增長，并且出現(xiàn)“空載”現(xiàn)象，應(yīng)力無法有效施加，試樣微觀結(jié)構(gòu)已經(jīng)出現(xiàn)破壞.當(dāng)圍壓提升到300kPa后，應(yīng)力應(yīng)變曲線在經(jīng)過前期的小形變時期后，圍壓很好地約束了土體顆粒位移，后期形變穩(wěn)定增長，直至加載階梯到達第十級，應(yīng)變達到5%，試驗自然終止，破壞時試樣偏壓由228kPa上升至298kPa左右.并且相對于靜三軸試驗，圍壓為100kPa時試樣的動抗剪強度得到了大幅提升，提升幅度為63%，當(dāng)圍壓提升至300kPa后，應(yīng)變?yōu)?%時動靜三軸對應(yīng)的偏壓基本一致.

根據(jù)國內(nèi)學(xué)者的研究，風(fēng)荷載作用下，風(fēng)力發(fā)電機持力層的動力響應(yīng)范圍有限，在1～1.5倍基礎(chǔ)半徑范圍內(nèi)[15].根據(jù)黃家侖地區(qū)的主要風(fēng)速情況，一般會選用的風(fēng)機發(fā)電機型號為湘電風(fēng)能XE93-2000 型，基礎(chǔ)半徑為9.25m.由此可知黃家侖擬建風(fēng)電場在動力響應(yīng)范圍內(nèi)的土體在動荷載作用下的固結(jié)效果顯著，抗剪強度大幅提升，地基穩(wěn)定性可以得到保障.

3.2.2 動彈性模量分析

由于動彈模隨動應(yīng)變的變化而變化，并且動彈模的倒數(shù)和動應(yīng)變存在線性關(guān)系.根據(jù)土的動彈性模量的定義，繪制動彈模的倒數(shù)和動應(yīng)變的關(guān)系曲線如圖8所示，在數(shù)據(jù)的選取上為了避免加載階梯對曲線曲率的影響，去除實驗中前期應(yīng)變增長較快的壓實階段，對應(yīng)變平穩(wěn)增長的每級加載階梯的最后一次循環(huán)取代表數(shù)據(jù)，直至曲線出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折，試樣進入塑性應(yīng)變.土的彈性模量定義式如下所示[16]：

Ed=σd/εd

(1)

其中：Ed表示動彈性模量；σd和εd分別表示軸向應(yīng)力和軸向應(yīng)變.

由上圖易知,圍壓為100kPa和300kPa時，此殘積土試樣的動彈模的倒數(shù)基本保持一致，和一般研究所得的土體動彈性模量隨圍壓上升而上升有明顯區(qū)別[17].這是由于選取的動荷載為波動規(guī)律不顯的風(fēng)力發(fā)電機基底壓力，選取的應(yīng)力應(yīng)變點是在加載階梯末期，應(yīng)變基本達到極限，圍壓對于前期應(yīng)變的影響較小，所以在此曲線中圍壓的增加對土體的動彈性模量的影響十分有限.

3.2.3 動泊松比分析

動泊松比的定義為動彈性模量Ed和動環(huán)向彈性模量Edr的比值，根據(jù)泊松比的定義繪制動泊松比和應(yīng)變的關(guān)系曲線如圖9所示，其中動環(huán)向彈性模量的定義式和動彈性模量類似，如下所示：

Edr=σdr/εdr

(2)

式中：σdr和εdr分別表示滯回曲線環(huán)向應(yīng)力和滯回曲線環(huán)向應(yīng)變.

動泊松比的分布較為離散，泊松比和軸向應(yīng)變間不存在線性關(guān)系，圍壓也沒有明顯的改變動泊松比的大小，泊松比的波動范圍為0.33～0.37，和黏性土在不排水條件下的泊松比經(jīng)驗取值基本一致.

3.3 疲勞特性分析

利用GDSLAB記錄試樣的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)繪制成的曲線圖如圖10所示.試樣在加載初期應(yīng)變上升較快，但進入第二個循環(huán)后試驗應(yīng)變明顯減小，加載后期試樣基本不發(fā)生形變，應(yīng)變維持在同一數(shù)值附近波動，由此可以判定此殘積土在疲勞荷載下不易出現(xiàn)大幅值形變，對疲勞荷載響應(yīng)不敏感，在主風(fēng)速作用下的風(fēng)力發(fā)電機基礎(chǔ)不會發(fā)生疲勞破壞.

4 討論

由于隨機風(fēng)荷載引起的風(fēng)力發(fā)電機基底壓力曲線的波動較大，并且不具有規(guī)律性，所以在繪制滯回曲線時滯回圈的形狀并不圓潤，在計算面積時會有較大的誤差，所以本文沒有進行分析.

受篇幅限制，本文選用的動荷載單一并且具有一定的局限性，有待在今后進行更加系統(tǒng)的分析.

5 結(jié)論

通過對黃家侖地區(qū)的殘積土進行了一系列的室內(nèi)土工試驗和三軸試驗，分析了其物理力學(xué)特性，得出以下主要結(jié)論：

(1)黃家侖地區(qū)的殘積土屬于砂礫質(zhì)黏性泥沙質(zhì)巖殘積土；

(2)圍壓的提升能在一定程度上提升土體的靜抗剪強度，但黃家侖地區(qū)殘積土受土體承載力影響，圍壓對抗剪強度的提升存在邊際效應(yīng)；

(3)動荷載作用下，淺層土體的抗剪強度得到顯著提升，但對于深層土體的影響有限；圍壓的提升對動強度的提升十分明顯，主要約束了加載后期試樣顆粒里的位移；在基底壓力作用下的土體動彈模不隨圍壓發(fā)生明顯變化；動泊松比分布呈離散分布，分布范圍為0.33～0.37；

(4)疲勞荷載對黃家侖地區(qū)殘積土的應(yīng)變影響有限，土體不會出現(xiàn)大幅形變；

(5)此區(qū)域殘積土在天然狀態(tài)下處于硬塑狀態(tài)，靜荷載作用下的抗剪強度較大，并且在基底壓力作用下抗剪強度會得到進一步提升，可以考慮作為風(fēng)力發(fā)電機的持力層.