熊宏強(qiáng),孫 靜,甘霖睿
(黑龍江大學(xué) 建筑工程學(xué)院,哈爾濱 150080)
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(shí)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(diǎn)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(qiáng)等[14]研究得出黃土的非線性強(qiáng)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。
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(shí)時含水率,保證符合設(shè)計要求。按照95%壓實(shí)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(jìn)行擊實(shí)。所得三軸試樣高度H=80 mm,直徑D=39.1 mm。
本試驗使用進(jìn)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(dá)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(diǎn)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。
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
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(shí)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
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(dá)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(qiáng)度提高,動模量增大,同時土體中的水增強(qiáng)了整體的結(jié)構(gòu)性,使土體更密實(shí),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
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。
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(qiáng)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
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(shí)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。