饱和重塑黄土的动力特性

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摘要：基于饱和重塑黄土的静、动力三轴试验结果，探讨了饱和重塑黄土的静、动力特性。分析了静力试验中饱和重塑黄土的应力应变关系。根据动力试验结果研究了饱和重塑黄土轴向应变、动强度、有效应力路径和滞回圈的变化规律：轴向应变随着振动次数的增加逐渐增大，且变化曲线存在着明显转折点，在较低围压时，εa分为先平缓上升和后陡升至破坏两个阶段，在较高围压时，εa分为振动初期存在陡升然后平缓上升最后又陡升至破坏三个阶段。有效应力路径逐渐向左发展，且移动幅度逐渐加大。每一个振次的有效应力路径形成一个封闭的区域，试验过程中封闭区域的面积逐渐增大。随着振动次数逐渐增大，滞回圈的面积和倾斜度均逐渐增大。通过动弹模试验结果发现饱和重塑黄土在不同围压下1/Ed均随着εa的增大而增大，确定出不同围压下1/Ed～εa关系中的a、b值和最大动弹模Edmax；阻尼比λ随动应变εa的增大逐渐增大，且最终趋于稳定，给出不同围压下阻尼比λ的建议值，从而为指导工程实践提供参考。

关键词：饱和重塑黄土；轴向应变；有效应力路径；动弹模；阻尼比

中图分类号：TV41 文献标志码：A 文章编号：16721683（2016）02013606

Abstract：Experiments on saturated remolded samples were carried out to study the static and dynamic properties of saturated remolded loess.The stress-strain curves of saturated remolded loess were analyzed in the static tests.Based on the results of dynamic triaxial experiments，the relationships among the axial strain，dynamic shear strength，effective stress paths，hysteresis loops and the number of loading cycles were studied.The results showed that the axial strain increased gradually with the number of cycles，and the axial strain curve variation had an inflexion point；under the lower confining pressure，the axial strain increased gently at the beginning then increase suddenly up to the failure of the samples；under the higher confining pressure，the axial strain exhibited a rapid increase at the outset and then the growth of the axial strain became slower，and increase sharply again at last of the axial strain.The effective stress paths gradually moved to left with the increase of cycles，and the degrees of movement increased gradually.The effective stress paths of each loading cycle consist of a closed area，and the region increased gradually.With the increasing of loading cycles，both the area and inclination of hysteresis loops increased gradually.Through the results from the dynamic elastic modulus tests of saturated remolded loess，we found that 1/Ed increases gradually with the axial strain under the different confining pressure，and the values of a，b and Edmax was determined from the relationship between 1/Ed and εa.The damping ratio λ increase with the axial strain εa and reach to a stable value.The proposed values of λ under the different confining pressures are determined base on the results：which provides a reference for the engineering practice.

Key words：saturated remolded loess；axial strain；effective stress paths；dynamic elastic modulus；damping ratio

黄土在我国分布区域较广，我国的黄土总分布面积达64万km2[1]。 黄土地区易发生许多地震灾害，主要包括滑坡、震陷和液化，给国家带来了极大的损失，所以对黄土的动力特性进行研究意义非常重大。谢定义[2]认为深入研究黄土力学特性的基础理论很有必要，这些理论将支撑黄土力学特性的研究。黄土作为一种连续介质，受力后产生弹塑性变形。刘祖典等[1]基于陕西关中黄土的三轴试验结果，认为原状黄土的应力应变曲线一般呈现出三种类型。且涉及黄土力学性质的工程的快速发展迫切要求对黄土的动力特性展开研究，黄土力学应该有自己单独的理论基础[3]。谢定义、巫志辉和段汝文等[46]（1979年-1985年）基于对黄土施加等幅正弦循环荷载的动力三轴试验结果，对黄土的动强度及应力应变曲线等力学特性进行了深入研究。王兰民、王峻等[711]（1991年-1994年）对黄土施加随机地震荷载，研究了黄土的动本构模型、弹性模量、阻尼比等一系列力学特性，并对比了黄土动力参数在不同地震荷载下的不同。刘保健等[12]根据压实黄土的动三轴试验结果，分析了围压等因素对压实黄土应力特性的影响；陈存礼等[13]研究了击实新疆饱和黄土的动强度及动模量等动力特性；李又云等[14]基于动三轴试验结果，探讨了干密度、含水率等因素对压实黄土动力特性的影响；骆亚生等[1518]总结前人对黄土动力特性研究的成果，然后较为全面地考察了中国典型黄土的动力特性；张军等[19]通过饱和击实黄土的动三轴试验结果，分析了动力三轴试验中饱和压实黄土的超孔隙水压力、有效应力路径、滞回圈和轴向应变的变化规律。

为更好地了解黄土的力学特性，并与原状黄土动力试验进行对比，本文控制饱和重塑黄土试样的干密度与原状黄土相同，并进行了静、动三轴试验，探讨了动力试验中饱和重塑黄土的有效应力路径、滞回圈、轴向应变的发展规律。

1试验方法

1.1制样

饱和重塑土样，采用击实法制备试样。先将原[HJ2.1mm]状土风干，利用木锤将原状土碾碎但注意不能压碎颗粒，将碾碎后的土样过2 mm筛，根据重塑黄土的干密度，计算所需重塑黄土的质量。为了与原状黄土动力试验进行对比，本次试验所取重塑黄土干密度与原状黄土相同为141 g/cm研究该干密度下饱和重塑黄土的动力力学特性。试样的直径和高度分别为50 mm和100 mm。然后称取一定质量的重塑黄土，分四层击实，每一层击4下，控制每层的击实厚度为25 cm，层与层之间要进行刮毛，确保每层土接触良好，以保证试样具有良好的整体性。将击实完成后的土样按照操作步骤[20]安装在试验仪器上如图1所示。然后对试样进行饱和，由于该黄土抽气饱和之后很软，制样难以成形，经反复尝试后，试验决定采用水头饱和（先抽气饱和1 h，立即取出试样，防止试样过软，然后置于仪器上进行水头饱和），首先对试样施加20 kPa的围压。然后提高进水管的水位，控制进水管的水面与黄土试样中部之间的水位差为1 m左右。打开进水阀，使水从底部进入试样，从试样顶部缓缓溢出。饱和完成后，在不排水的条件下施加周围压力，检查孔压系数B值可以达到090～095，确保试样饱和度基本达到要求。

1.2试验内容

饱和重塑黄土静力试验和动力试验均做3组，偏压固结（Kc=σ1c/σ3c=15，围压σ3c=50、100、200kPa）。具体试验安排见表1和表2。

静、动力试验均采用GCTS伺服控制气压式激振三轴仪。该三轴仪可以直接数字伺服控制轴向荷载、围压和孔隙水压，其中轴向动荷载通过气压施加，围压通过气压或水压施加。试验过程完全由计算机软件来控制和设计，试验数据数字化，并且试验软件可以进行基本的图形显示以及向其它软件如Excel输出数据，试验仪器见图2。静、动力试验均进行的是不排水试验。静力试验的剪切速率为006 mm/min。动力试验先在偏压状态下进行固结，固结完成后，关闭排水阀，然后进行振动试验，施加的循环动偏应力的加载波形为等幅正弦波，频率为1Hz。

2试验结果及分析

2.1静力试验结果

在静力试验中，饱和重塑黄土应力应变曲线见图3。从图中可以看出，饱和重塑黄土的应力应变曲线均为弱软化型，偏应力σ1-σ3先随着应变的增大逐渐增大直至达到峰值，然后εa继续增大，σ1-σ3反而减小。且围压σ3增大，试样的峰值强度提高，残余强度也增大，但应力应变曲线的软化程度减小。

[FK（W]

图3不同围压下饱和重塑黄土σ1-σ3～εa关系曲线

Fig.3The stressstrain curve of saturated remolded loess under different confining pressures

[FK）]

2.2动力试验结果

饱和重塑黄土动力试验轴向应变εa与振次N的关系曲线见图4。从图中可以看出，当σ3=50kPa、100kPa、200kPa、时，轴向应变εa随着振次N的增大逐渐增大，分为先平缓上升后陡升至破坏明显的两个阶段，轴向应变εa先随着振次N的增加平缓地增大，到达一定振次后εa发生陡升后直至试样破坏，轴向应变曲线出现明显转折点。当σ3=200kPa时，轴向应变εa在振动开始时就发生陡升，中间变为平缓增加，到达一定振次N时εa又发生陡升直至试样破坏。这是因为当围压σ3较大时，试样固结时偏应力较大，轴向变形较大，当振动开始时，试样存在一个短暂的调整状态，从而表现为εa在振动初始时发生陡升，然后逐渐变为平缓，并最终又陡升直至试样破坏。

饱和重塑黄土动强度曲线见图5。因为重塑黄土在不同围压条件下动应力应变曲线可能呈现不同的形态，为了达到破坏标准的统一，本文采用屈服应变标准，即将试样轴向应变εa突然增大时所对应的振次N作为破坏振次。从图中可以看出，试样的动强度随着围压的增大而增大，在相同振次下，试样围压越大，试样的动强度也越大。在同一固结应力条件下，试样的振动次数越多，对应的动强度越小；振动次数越少，动强度越大。

土体的破坏特性可以由试样的应力路径很好地反映出来。三组围压下试样的有效应力路径和滞回圈的变化规律类似，本文基于围压50 kPa，激振力为70kPa条件下试样的试验结果来探讨饱和重塑黄土的动力特性。图6为饱和重塑黄土在动三轴试验中有效应力路径的变化规律。为了判断饱和重塑黄土在动力试验中有效应力路径的变化规律，图6选取了4组具有代表性的振动次数：N=1次、10次、35次和50次。从图6可以看出，饱和重塑黄土在动三轴试验中有效应力路径逐渐向左发展，移动的幅度逐渐加大，说明试样随着循环振次的增加逐渐地接近破坏状态。且每一个振动周期的有效应力路径形成各自单独的封闭区域。在N=1时，试样的有效应力路径为一条直线，说明试样未发生较大变形，但随着振次的增大，封闭区域的面积在逐渐增大，试样逐渐接近破坏状态。

图7为饱和重塑黄土动力试验在围压50 kPa，激振力为70 kPa状态下滞回圈的变化曲线。同样选取了5组具有代表性的振次下试样的滞回圈：N=5次、10次、20次、25次和40次。[JP+1]从图中可以发现，饱和重塑黄土在动三轴试验中滞回圈逐渐向右移动，滞回圈的移动幅度明显加快。当振次较小时，滞回圈差异很小，当振次增大到一定值后，滞回圈的差异逐渐增大。开始时试样滞回圈的面积很小，随着振次逐渐增加，滞回圈的面积和倾斜度也越来越大，说明试样逐渐接近破坏状态。且试样的压缩应变累积速度更快，说明试样逐渐被压缩直至破坏。

2.3动模量试验结果

土作为一种非连续介质，其动应力动应变曲线为双曲线型。将该双曲线上每点处的割线模量称之为土的动模量。通常情况下动模量随应变的增大而减小。已有研究表明动模量的倒数1/Ed与动应变εd之间的关系可近似采用公式（1）拟合，即

1/Ed=a+bεd[JY]（1）

式中：a、b分别为拟合直线的截距和斜率。当εd=0时，1/a即代表最大的动弹性模量Edmax。

根据试验结果绘制饱和重塑黄土在Kc=1.5时，1/Ed～εd关系曲线，见图8，从图8中可以看出，饱和重塑黄土在不同围压下1/Ed均随着εd的增大而增大，说明动模量Ed随着εd的增大而减小。由饱和重塑黄土的1/Ed～εd关系曲线可以得到不同围压下的a、b值见表从表3中可以发现，随着围压的增大，a、b值均在减小。由a、b值进而可以确定出饱和重塑黄土在不同围压下的最大动弹模Edmax见表4，从表4中可以得到，最大动弹模随着围压σ3的增大而增大。该力学参数可以为工程实践提供一定参考依据。

2.4阻尼比试验结果

土体在受循环荷载作用情况下，由于土体的内摩擦作用导致其应力应变曲线呈现出滞后性，因而表现为滞回圈现象。由公式（3）可以求得土体阻尼比λ：

λ=[SX（]AL[]4πAT[SX）]×100[JY]（3）

式中：AL为滞回圈的面积，如图9所示；AT为阴影部分三角形的面积。

根据试验结果绘制饱和重塑黄土在Kc=15时，阻尼比λ随动应变εd的关系曲线见图10，从图10中可以看出，阻尼比λ随动应变εd的增大逐渐增大，且最终达到一个稳定值。并根据试验结果，给出了该饱和重塑黄土在Kc=15时，不同围压下阻尼比λ的建议值见表5，从而为工程实践提供了一定的试验参考。

3结论

（1）饱和重塑黄土在不同围压下轴向应变εa均随振次的增加而增大；在较低围压时，εa分为先随振次N平缓上升和后陡升直至破坏两个阶段，在较高围压下，εa初始时即发生陡升，中间变为平缓上升后又变为陡升直至试样破坏。

（2）在动力试验中，饱和重塑黄土的有效应力路径逐渐向左移动，且移动幅度随着振次的增大逐渐加大。每一个振次的有效应力路径组成一个封闭的区域，随着振动次数的增大，封闭区域的面积逐渐增大。试样逐渐接近破坏状态。

（3）在振动次数很小时，滞回圈的差异很小，当达到一定振次时，滞回圈的面积和倾斜度均逐渐增大，试样逐渐被压缩直至破坏。

（4）动弹模随着轴向应变的增大逐渐减小，并根据动弹模试验结果，确定出不同围压下最大动弹性模量值，进而给出了饱和重塑黄土的试验参数K、n值。

（5）阻尼比随着轴向应变的增大逐渐增大，最终趋于稳定。根据试验结果给出了不同围压下饱和重塑黄土阻尼比的建议值。

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