循環(huán)荷載作用下海北地區(qū)原狀黃土動(dòng)力特性試驗(yàn)研究

曾垂青，張吾渝*，高義婷，谷遇溪

(1.青海大學(xué)土木工程學(xué)院，青海 西寧 810016；2.青海省建筑節(jié)能材料與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧 810016)

黃土主要分布在中國中西部地區(qū)，覆蓋面積約63.5萬km2，約占中國國土面積的7%，青海省的黃土覆蓋面積約為2.48萬km2，約占全國黃土的3.9%[1]。目前，對于循環(huán)荷載作用下路基土的動(dòng)力特性研究大多集中在東部飽和軟黏土。徐毅青等[2]對上海加固軟黏土進(jìn)行單級加載動(dòng)三軸試驗(yàn)，研究認(rèn)為動(dòng)彈性模量隨著循環(huán)荷載振動(dòng)頻率、循環(huán)動(dòng)應(yīng)力幅值、初始偏應(yīng)力及圍壓的增加而增大，但隨振次增加而降低。陳金友等[3]對溫州飽和軟黏土進(jìn)行不同頻率下的單級動(dòng)三軸試驗(yàn)，分析認(rèn)為隨著加載次數(shù)的增加，回彈模量出現(xiàn)衰減，在越小的頻率下，土體的變形就越充分，回彈模量也就越高。近年來，黃土地區(qū)的工程建設(shè)特別是鐵路動(dòng)力荷載作用下的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)越來越受到關(guān)注，李又云等[4]對路基壓實(shí)黃土進(jìn)行多級加載下的動(dòng)三軸試驗(yàn)，認(rèn)為路基壓實(shí)黃土的動(dòng)彈性模量隨著應(yīng)變的增大而減小，且隨著振次的增加逐漸趨于穩(wěn)定。鄭剛等[5]的研究認(rèn)為不管是原狀土還是重塑土的動(dòng)彈性模量均隨振動(dòng)頻率的增大而增大。劉飛禹等[6]認(rèn)為頻率的變化對動(dòng)彈性模量的衰減影響很小。蔡袁強(qiáng)等[7]研究發(fā)現(xiàn)回彈模量隨著振次的增加迅速增大，隨后減緩，在加載振次N=1000附近達(dá)到穩(wěn)定。郭林等[8]認(rèn)為回彈模量隨振次的發(fā)展規(guī)律受圍壓影響，小圍壓(20、50 kPa)下，回彈模量在加載過程中基本不變或有較小減少，較大的圍壓(100、200 kPa)下，回彈模量有較大的衰減，并隨振次的增加趨于穩(wěn)定。王志杰等[9]在不同含水率與不同應(yīng)力狀態(tài)條件下對蘭州、洛川、楊凌等不同地區(qū)的原狀黃土進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)多級加載下模量都呈衰減趨勢，同時(shí)模量與阻尼比受區(qū)域性影響。在已有的研究成果中加載頻率對土的動(dòng)力特性影響尚未取得定論，但對固結(jié)應(yīng)力比及循環(huán)動(dòng)應(yīng)力比的研究已較成熟，多集中于西安、太原、蘭州等區(qū)域，基于此，本試驗(yàn)以青海省海北地區(qū)的原狀黃土為研究對象，利用英國GDS雙向動(dòng)態(tài)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行模擬交通荷載試驗(yàn)，研究不同固結(jié)應(yīng)力比、不同循環(huán)動(dòng)應(yīng)力比與不同加載頻率條件下原狀黃土的變形及回彈特性。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖1 英國GDS雙向動(dòng)態(tài)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 England triaxial testing system of GDS bidirectional dynamic

1.1 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)采用英國GDS雙向動(dòng)態(tài)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)(圖1)，該系統(tǒng)主要由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置、壓力室罩、平衡錘、圍壓與反壓控制器、信號調(diào)節(jié)裝置、高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等幾個(gè)部分組成，并可以通過GDSLAB軟件控制試驗(yàn)。該試驗(yàn)系統(tǒng)可施加最大動(dòng)應(yīng)力60 kN，軸向力傳感器分辨率為0.1 N，位移傳感器精度可達(dá)35 μm/50 mm。

1.2 試樣制備

試驗(yàn)所用原狀黃土土樣取自青海省海北藏族自治州門源回族自治縣某處，取土深度2.0 m，按照GB/T 50123—2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[10]對所取土樣進(jìn)行基本物性試驗(yàn)，測得其天然含水率w為15.63%～20.84%，天然干密度ρd為1.30～1.39 g/cm3，土粒比重Gs為2.70，塑限為15.07%，液限為22.85%，塑性指數(shù)Ip為7.78，并制備直徑為39.1 mm，高度為80.0 mm的圓柱體試樣。

1.3 試驗(yàn)方案

圖2 加載示意圖Fig.2 Loading diagram

試驗(yàn)在固結(jié)不排水條件下進(jìn)行，綜合取土深度及土的參數(shù)確定固結(jié)圍壓σ3=30 kPa，固結(jié)應(yīng)力比K=σ1/σ3取1.0、1.67兩種條件下進(jìn)行固結(jié)，固結(jié)完成標(biāo)準(zhǔn)為軸向變形不超過0.01 mm/h。固結(jié)完成后，對試樣進(jìn)行循環(huán)動(dòng)載試驗(yàn)，試驗(yàn)采用應(yīng)力控制式半正弦波型的加載方式，設(shè)置不同循環(huán)動(dòng)應(yīng)力比、不同加載頻率的循環(huán)荷載。根據(jù)列車荷載作用下路基土體會(huì)存在低頻與高頻兩種區(qū)段，試驗(yàn)在0.5、1.0、2.0、3.0 Hz四種加載頻率(f)下進(jìn)行加載。

本文定義循環(huán)動(dòng)應(yīng)力比(R)[11]如下：

R=σd/2σ3

(1)

式中：σd表示循環(huán)動(dòng)應(yīng)力，σ3表示圍壓。按0.1、0.3、0.5、0.7不同循環(huán)動(dòng)應(yīng)力比(R)對土體進(jìn)行加載振動(dòng)，試驗(yàn)終止條件為軸向累積應(yīng)變達(dá)到5%或循環(huán)次數(shù)達(dá)到5 000次。加載示意如圖2所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 循環(huán)荷載對原狀黃土變形特性的影響

在循環(huán)荷載作用下，軸向應(yīng)變?chǔ)?由占比較大不可恢復(fù)的軸向累積應(yīng)變?chǔ)舙和占比較小可恢復(fù)的回彈應(yīng)變?chǔ)舝組成。在加載初期，二者變化均比較大，隨著循環(huán)次數(shù)的增大趨于穩(wěn)定，且固結(jié)應(yīng)力比、循環(huán)動(dòng)應(yīng)力比和加載頻率對二者均有影響。圖3a為固結(jié)應(yīng)力比K=1.0、1.67，循環(huán)動(dòng)應(yīng)力比R=0.7，加載頻率f=1.0 Hz的條件下，軸向應(yīng)變的變化規(guī)律。軸向應(yīng)變與軸向累積應(yīng)變隨著固結(jié)應(yīng)力比的增大而增大，而回彈應(yīng)變隨著固結(jié)應(yīng)力比的增大出現(xiàn)減小。圖3b為固結(jié)應(yīng)力比K=1.67，循環(huán)動(dòng)應(yīng)力比R=0.1、0.7，加載頻率f=0.5、3.0 Hz的條件下，軸向應(yīng)變的變化規(guī)律。軸向應(yīng)變隨著循環(huán)動(dòng)應(yīng)力比的增大而增大，循環(huán)動(dòng)應(yīng)力比對軸向累積應(yīng)變和回彈應(yīng)變均有顯著影響，在相同的循環(huán)次數(shù)下，循環(huán)動(dòng)應(yīng)力比越大，軸向應(yīng)變越大，軸向累積應(yīng)變和回彈應(yīng)變隨著循環(huán)動(dòng)應(yīng)力比的增大而增大。軸向應(yīng)變隨著加載頻率的增大而減小，加載頻率對軸向累積應(yīng)變和回彈應(yīng)變同樣均有影響，軸向累積應(yīng)變與回彈應(yīng)變均隨著加載頻率的增大而減小。

圖3 循環(huán)荷載對軸向應(yīng)變的影響Fig.3 Effects of cyclic loading on axial strain

2.2 循環(huán)荷載對原狀黃土回彈特性的影響

回彈模量是路基土體用來衡量抵抗豎向變形的能力，常作為分析路基土體動(dòng)力特性的重要參數(shù)。本文定義路基回彈模量是在循環(huán)荷載作用下循環(huán)動(dòng)應(yīng)力與相應(yīng)的回彈應(yīng)變的比值[12]，即：

Mr=σd/εr

(2)

式中：σd為循環(huán)動(dòng)應(yīng)力，εr為回彈應(yīng)變。

不同試驗(yàn)條件下，回彈模量隨循環(huán)次數(shù)的發(fā)展規(guī)律基本一致，循環(huán)次數(shù)對回彈模量的影響主要體現(xiàn)在加載初期，回彈模量隨著循環(huán)次數(shù)N的增大迅速增大，在循環(huán)次數(shù)達(dá)到500次時(shí)基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，回彈模量基本恒定不變。圖4a為固結(jié)應(yīng)力比K=1.0、1.67，循環(huán)動(dòng)應(yīng)力比R=0.1、0.7，加載頻率f=1.0 Hz條件下，土體回彈模量的變化曲線。從圖中可以看出，固結(jié)應(yīng)力比與循環(huán)動(dòng)應(yīng)力比對回彈模量的發(fā)展趨勢基本無影響，隨著固結(jié)應(yīng)力比的增加，土體回彈模量增加，而隨著循環(huán)動(dòng)應(yīng)力比的增加，土體回彈模量出現(xiàn)降低。圖4b為固結(jié)應(yīng)力比K=1.0、1.67，循環(huán)動(dòng)應(yīng)力比R=0.7，加載頻率f=0.5、3.0 Hz時(shí)，土體回彈模量的變化曲線。從圖中可以看出，固結(jié)應(yīng)力比與加載頻率對土體回彈模量的發(fā)展趨勢基本無影響，土體回彈模量隨著固結(jié)應(yīng)力比與加載頻率的增加而增加。

圖4 不同試驗(yàn)條件下回彈模量的變化曲線Fig.4 Curve of rebound modulus under the different test conditions

為了更加直觀分析不同固結(jié)應(yīng)力比、不同循環(huán)動(dòng)應(yīng)力比與不同加載頻率對原狀黃土回彈模量的影響，圖5給出了原狀黃土回彈模量(N=5 000次)在不同固結(jié)應(yīng)力比、不同加載頻率條件下與循環(huán)動(dòng)應(yīng)力比的關(guān)系。在不同固結(jié)應(yīng)力比與不同加載頻率下，回彈模量隨著循環(huán)動(dòng)應(yīng)力比的增大而逐漸遞減。由圖5a與5b可以看出，不同加載頻率對回彈模量的影響與固結(jié)應(yīng)力比、循環(huán)動(dòng)應(yīng)力比無關(guān)，回彈模量隨著加載頻率的增加而增加，且相同循環(huán)動(dòng)應(yīng)力比條件下較高加載頻率引起的回彈模量提升更明顯。

圖5 不同試驗(yàn)條件下回彈模量與循環(huán)動(dòng)應(yīng)力比的關(guān)系Fig.5 Relationship between different consolidation stress ratios and rebound modulus under the different test conditions

2.3 循環(huán)荷載對原狀黃土軸向累積應(yīng)變的影響

圖6為不同固結(jié)應(yīng)力比、不同循環(huán)動(dòng)應(yīng)力比與不同加載頻率條件下，軸向累積應(yīng)變的變化規(guī)律。從圖中可以看出，在不同試驗(yàn)條件下，軸向累積應(yīng)變在加載初期迅速增大，在循環(huán)次數(shù)達(dá)到500次時(shí)軸向累積應(yīng)變趨于相對穩(wěn)定狀態(tài)，這表明土體的振動(dòng)密實(shí)過程在加載初期已基本完成。

圖6 不同試驗(yàn)條件下軸向累積應(yīng)變的變化規(guī)律Fig.6 Variation law of axial accumulated strain under the different test conditions

由圖6a與6b可以看出，軸向累積應(yīng)變隨著固結(jié)應(yīng)力比的增加而增加，固結(jié)應(yīng)力比越高的土樣由于存在的初始偏應(yīng)力越大，軸向累積應(yīng)變也就越大。在圍壓一定的情況下，循環(huán)動(dòng)應(yīng)力比越大的試樣，其加載時(shí)的軸向偏應(yīng)力就越大，所產(chǎn)生的軸向累積應(yīng)變也就更大。從圖6c與6d中可以看出，固結(jié)應(yīng)力比越大，軸向累積應(yīng)變越大，加載頻率低的土體所產(chǎn)生的軸向累積應(yīng)變更大，根據(jù)文獻(xiàn)[13]的研究認(rèn)為，加載頻率越低，加載速率越慢，在相同循環(huán)次數(shù)下，循環(huán)動(dòng)應(yīng)力作用在土體上的時(shí)間也就越長，土體在該應(yīng)力下的變形相比于較高加載頻率下的變形更充分，軸向累積應(yīng)變也就越大。

3 討論與結(jié)論

本文對青海省海北地區(qū)原狀黃土進(jìn)行不同固結(jié)應(yīng)力比、不同循環(huán)動(dòng)應(yīng)力比與不同加載頻率條件下的動(dòng)態(tài)三軸試驗(yàn)，研究不同起始應(yīng)力狀態(tài)與交通荷載不同動(dòng)力條件對原狀黃土動(dòng)力特性的影響，主要結(jié)論如下：

(1)固結(jié)應(yīng)力比、循環(huán)動(dòng)應(yīng)力比與加載頻率對軸向應(yīng)變、回彈應(yīng)變均有影響，回彈應(yīng)變隨著固結(jié)應(yīng)力比、加載頻率的增大而減小，隨循環(huán)動(dòng)應(yīng)力比的增大而增大。其中，回彈應(yīng)變在不同加載頻率下隨循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律與文獻(xiàn)[7]的研究一致。

(2)回彈模量隨循環(huán)次數(shù)的變化在不同試驗(yàn)條件下基本一致，在加載初期回彈模量隨循環(huán)次數(shù)的增大迅速增大，之后隨循環(huán)次數(shù)的變化基本恒定不變或較小程度降低?；貜椖Ａ侩S固結(jié)應(yīng)力比、加載頻率的增大而增大，隨循環(huán)動(dòng)應(yīng)力比的增大而減小?；貜椖Ａ侩S循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律與文獻(xiàn)[8]的研究成果一致，而文獻(xiàn)[14]的研究認(rèn)為，土體模量的衰減是由于試樣在荷載作用下土體內(nèi)部存在裂縫，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷?？紤]到本試驗(yàn)所用原狀黃土的大孔隙結(jié)構(gòu)，在循環(huán)荷載加載初期，隨著動(dòng)荷載的施加，原狀黃土內(nèi)部的大孔隙在不斷的振動(dòng)下被振密壓實(shí)，回彈模量在這個(gè)過程中隨循環(huán)次數(shù)的增加迅速增大，而在單一動(dòng)應(yīng)力水平下，隨著循環(huán)次數(shù)的增加土體已達(dá)到相對密實(shí)狀態(tài)，回彈模量最終隨循環(huán)次數(shù)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，部分試驗(yàn)有較小程度降低。

(3)不同試驗(yàn)條件下，加載初期軸向累積應(yīng)變的變化較大，隨循環(huán)次數(shù)的發(fā)展變化速率逐漸降低，軸向累積應(yīng)變隨著固結(jié)應(yīng)力比、循環(huán)動(dòng)應(yīng)力比的增大而增大，隨著加載頻率的增大而減小。循環(huán)動(dòng)應(yīng)力比對軸向累積應(yīng)變的影響規(guī)律與文獻(xiàn)[11]的研究一致，固結(jié)應(yīng)力比、加載頻率對軸向累積應(yīng)變的影響規(guī)律與文獻(xiàn)[13]的研究一致。

本文對青海省海北地區(qū)原狀黃土進(jìn)行模擬交通荷載下的動(dòng)力特性試驗(yàn)研究，其結(jié)果能為黃土地區(qū)的工程建設(shè)提供一定的參考。但是實(shí)際工程中的路基并非全是原狀黃土，因此后續(xù)工作中還需要對重塑黃土的動(dòng)力特性進(jìn)行研究。