趙寧 ZHAO Ning

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600）

0 引言

黃土作為一種多孔隙、弱膠結的沉積物，其物質組成、顆粒形態(tài)十分復雜[1]，與許多宏觀力學特性緊密相連的是粒級配比和微觀結構變化。在承受動力荷載的工程實踐中，黃土的顆粒級匹配變化對動力特性的影響十分明顯。我國黃土粒級分布，其特點是由西北向東南逐漸增大，在空間上呈粘粒狀變化。因此，對黃土因粒級變化而產生的物理力學性質和差異，以及對其微觀機理的探究，都有必要進行系統(tǒng)的研究。

在動力荷載作用下土體表現為彈性、塑性和粘滯性的粘彈性體[2]，而黃土由于其獨特的動力性質，在地震中常常會引發(fā)液化等地質災害[1]，具有較強的地震易損性。自D’Appolonia 首次在分析液化問題時考慮了粉粒和粘粒不同配比對動強度的影響[3][4]，國內外學者開始對粘粒與土動力特性間的內在聯系做了廣泛的研究，且已經取得了不錯的研究成果。隨著研究的深入，李蘭等對不同粘粒含量的原狀甘肅黃土、曹成林等對不同粘粒含量的黃河三角洲粉質土、孟凡麗等對不同粘粒含量的杭州飽和粉土行進動三軸試驗都得出了相似的結論，不同的粘粒級配對試樣動強度的影響顯著，且呈非單調關系。王勇等它的內在機理是從微觀結構上進行探討的。從前面的上述研究可以看出，對于影響土體動力特性的重要因素——粘粒，人們已經普遍認同，但大多數研究的重點還是在動力強度上。目前，有關動模量與阻尼比的相關研究主要是對不同區(qū)域黃土的統(tǒng)計比較，特別是對黃土粘粒級成對動模量與阻尼比作用機理的探究研究還比較少。

近年來，我國在黃土地區(qū)規(guī)劃、新建及改建的鐵路工程愈加增多，列車在運行過程中動荷載對黃土地區(qū)地層的影響成為了愈加關注的課題，土的動剪切模量和阻尼比作為描述土動力特性的兩個基本參數，已經成為了土層地震反應分析和場地地震安全性評價中的必備指標。通過對黃土動力特性參數在不同粘粒含量條件下的測試結果進行綜合分析，得出總體規(guī)律：對粘粒級配之于黃土動力特性的影響機理，我們利用黃土二元結構微觀概念模型進行分析和探討。本文通過對黃土地區(qū)鐵路工程在動力荷載環(huán)境下的黃土級配影響機制的討論，對其微觀結構對動力特性的影響機制進行分析，并對黃土地區(qū)鐵路工程進行理論指導。

1 試驗方案

本次試驗采用的土樣取自某鐵路工程鉆孔巖芯中地表以下6m 的黃土地層，基本物理參數見表1。土樣先后經過0.5mm 和0.05mm 的干篩去除散砂粒，再利用激光粒度儀對土樣粘粒含量進行跟蹤測量。由于原始黃土除去砂粒后所得到的粘粒含量通常在25%以下，我們在實驗中準備了四種擾動黃土土樣進行測試，它們的粘粒含量分別為12%、16%、20%和24%。土樣級配方案如表2 所示。

表1 土樣的基本物理參數

表2 試樣級配方案

將篩選好的黃土樣本混合適量的水，靜置其中，使其水分含量達到自然狀態(tài)。土樣是根據《鐵路工程土工試驗規(guī)程》（TB10102-2010）的規(guī)定，采用干密度1.5 克/立方厘米，配成φ39.1×80mm 的圓柱形試樣。試樣在真空飽和器中抽真空飽和器，采用冷凍法將試樣裝入試樣中。在200kPa 壓力條件下進行長達1 小時的飽和試樣等壓固結，并在固結完成后進行固結不排水動三軸試驗，頻率為1Hz 正弦波振動。

2 試驗結果分析

2.1 動剪切模量 根據圖1 試驗結果，對黃土試樣的動剪切模量和動剪切應變的關系曲線，分別用不同粘粒含量表示。黃土試樣中粘粒含量不同的動剪切模量隨動剪應變的增加而逐漸減少，表現出剛度軟化現象；在相同動剪應變條件下，粘粒含量對動剪切模量的影響表現為非單調變化，隨著粘粒含量的增長，黃土試樣的動剪切模量呈現先減小后增大的變化趨勢，本次試驗在粘粒含量為16%～24%時達到臨界值。

圖1 不同粘粒含量條件下Gd-γd 關系曲線

由圖1 觀察可得，在動剪切應變關系曲線中，不同粘粒含量的黃土試樣表現出類似的發(fā)展模式，它們都表現出雙曲線的良好特點。這符合哈丁雙曲線模型對土動應力應變關系的變化趨勢，即公式（1）所示。根據哈丁雙曲線模型，動剪切模量倒數與動剪應變擬合結果呈線性關系，如公式（2）所示。

式中：a、b 為土的試驗參數。

圖2 不同粘粒含量條件下λd-γd 關系曲線

表3 不同粘粒含量條件下參數a 取值

結合表3 觀察參數a 與Gmax的關系可以看出，在粘粒含量增加的情況下，參數a 呈現出變化趨勢，先增后減，初始動剪切模量（最大）呈先減后增的趨勢，粘粒含量臨界值在達到最小值時，由于粘粒含量變化引起的粘粒賦存位置的改變，黃土試樣的初始動力特性受到了顯著的影響。

2.2 阻尼比 通過試驗數據可得，圖2 顯示了重塑黃土試樣的阻尼比與動剪應變的關系曲線，從圖中的資料可以觀察到，粘粒黃土樣含量不同，其阻尼比隨著動剪應變的增加而逐漸升高。在小應變時，阻尼比變化幅度相對較小，然而，當動剪應變變得更大時，直到最終穩(wěn)定下來，阻尼比的增長速度才明顯加快。粘粒含量對阻尼比的影響在相同的剪切應變條件下是不單調的。黃土試樣的阻尼比會隨著粘粒含量的增加而出現先升高后減小的現象。當粘粒含量為16%～24%時達到臨界值，并且該趨勢在高剪應變水平時表現更加明顯。這一結果表明，在黃土試樣中，對動荷載響應的滯后效應隨著粘粒含量的不斷提高，呈現出先增強后逐步減弱的變化特點。

由于哈丁雙曲線模型對阻尼比擬合效果不佳，因此在實際應用中，多采用冪函數經驗，即公式（3）所示。

公式中：λmax為最大阻尼比；β 為阻尼比曲線的形狀系數，是與土性質有關的擬合參數；Gmax為最大動彈性模量。

根據公式（3）可得到擬合曲線回歸參數最大阻尼比λmax與曲線形狀系數β，根據表4 中的統(tǒng)計結果繪制總結可得：阻尼比是體現土體對動荷載響應的重要指標，λmax則是等效動粘彈性本構模型的重要參數，總結觀察λmax的變化規(guī)律，對分析不同粘粒含量黃土試樣等效動粘彈性本構模型參數間的差異起到決定性的作用。

表4 冪函數經驗公式回歸曲線參數

通過表4 數據可知，粘粒含量的增加會導致阻尼最大值的比值，在粘粒含量增加到臨界值時，粘粒含量會先增大后減小，達到最大值。這種變化趨勢符合阻尼比的變動規(guī)律。再次證明了粘粒含量的變化對于黃土動荷載響應的滯后性是有影響的。

3 粘粒級配對黃土動力特性影響機理分析

3.1 不同粘粒級配黃土微觀結構特征

通過分析黃土試樣具有不同粘粒級配的微觀特性，了解動剪切模量的大小及粘粒對黃土阻尼比的作用機理。以粘粒為主要成分的粘土礦物集合體，其微觀結構是極其復雜且形態(tài)各異的，它通常存在于粒徑較大的粉粒顆粒周圍或以集粒狀態(tài)聚集在大孔隙內。黃土顆粒或集粒間膠結、擠壓、鑲嵌等接觸方式稱為“力鏈”，這些力鏈之間的相互作用程度不同，造成了黃土在宏觀力學特性上的不同表現。黃土是由一定比例的粉粒、粘?；旌隙傻哪嗌?。在觀察樣本微觀結構時，可將其分為兩個階段，黃土試樣的二元結構概念模型，如圖3 所示，表明粘粒含量的不同，其變化的大小不同。

圖3 不同粘粒含量黃土二元微觀結構概念模型

試樣的土骨架在第一階段是由接觸到的粉粒（particle）組成。粒徑較大的粉粒顆粒主要影響宏觀力學性質，而粘粒則起到傳導性輔助作用。通過圖3（a）-圖3（c）可以說明這種情況。在圖示結構中（圖3（a）），與以粉粒為主的力鏈相互作用較少的粉粒骨架形成的孔隙中，主要分布粘粒。在圖3（b）中的結構中，孔隙中存在粘粒的一部分，粉粒與粉粒之間的接觸點存在著一部分，并將粉粒與粉粒逐漸分開，從而參與到骨架的形成過程中。在此過程中，粉砂鏈中的相互作用會因粘粒的作用而減弱，從而使外荷載的傳導速度變慢；在圖3（c）所示結構中，由于聚合態(tài)的粘粒較少，導致以粘粒為主導的力鏈之間的相互作用仍然較弱，因此，粉粒顆粒被粘粒完全分離。這就意味著，粘粒集粒還沒有擔當起黃土骨架的角色。此階段以粉粒為主導的力鏈間相互作用最小化，由此進入第二階段的微觀結構（microstructure）。

土體骨架在第二階段是由粘粒聚集而成，主要由粘粒性質決定試樣的宏觀力學性質，而粉粒起輔助作用，如圖3（c）-圖3（d）。從圖3（c）所示的狀態(tài)來看，以粘粒為主導的力鏈的相互作用逐漸加強，以粘粒數量的增加、集粒數量的增加和相互接觸而導致集粒開始承擔土體的骨架作用。當粘粒增大到圖3（d）階段時，粉粒被粘粒包圍，近似于“懸浮”狀態(tài)。以粉粒為主的力鏈之間的相互作用，在土體中已經不存在了。聚合粒之間的排列隨著粘粒含量的增加而變得更加緊密，從而引起了更快的外荷載傳導速度。

由上述分析可以得出，隨著粘粒含量的增長，在試樣整體孔隙比不變的情況下，應存在某一臨界粘粒含量值，由粉?？刂泣S土的宏觀力學性質向粘?？刂泣S土的宏觀力學性質轉變，呈現出前后臨界值相反的力學變化趨勢。不同粘粒含量黃土試樣的動剪切模量變化規(guī)律及阻尼比變化規(guī)律可根據該臨界含量進行分析，粒間孔隙比可引入其中。

3.2 基于粒間孔隙比的粘粒影響機制分析

當粘粒含量超過一定閾值時，會因粘粒的存在而使粉粒間的接觸點減少，從而使粉粒間的接觸點發(fā)生隔斷。進而使得土體內部受粘?？刂频牧︽溝嗷プ饔?，導致土體宏觀力學性質受到影響。以粘粒間力鏈相互作用為主導力量，隨著粘粒數量的增加而逐漸增強。在相同剪應變水平下抵抗變形的能力隨之加強，導致動剪切模量增加；同樣，應力波在土中的傳播速率相比粉粒顆粒被隔開過程變快，使土樣對動荷載響應的滯后性減弱，阻尼比隨之降低。此時以粘粒級顆粒構成的集合體相互接觸共同承擔土體骨架作用，其粘粒間孔隙比ec可通過公式（4）得到：

式中：e 為土體總孔隙比；Qc為粘粒含量（質量百分比）。

根據式（4）推論，當粘粒含量超過臨界值時，粘粒會完全隔離粉粒顆粒，并將顆粒間的空隙逐漸填滿，形成包裹層（package）。此階段粉粒不再扮演骨骼粒子的角色，主要由其粘粒性質決定黃土的動力特性。隨著粘粒含量的增長，粘粒孔隙比ec逐漸減小，如圖4 所示，集粒間接觸點隨之增加，相比小于臨界含量時粉粒顆粒的分離過程，動剪切模量與阻尼比均出現與其相反的變化趨勢。

圖4 粘粒含量與粘粒間孔隙比關系曲線

4 結論

本文通過對不同粘粒含量黃土試樣進行固結不排水動三軸試驗，獲得動力學參數，分析動力學參數隨粘粒含量增長的變化規(guī)律，并利用二元結構微觀概念模型討論了粘粒級配對黃土動模量、阻尼比的作用機理，可以得到以下結論：①粘粒含量對黃土動剪切模量的影響在剪切應變條件相同的情況下是不單調的。動剪切模具的量會隨著粘粒含量的增加而先減少，再逐步增加。在臨界含量時達到最小值。②粘粒含量對黃土阻尼比的影響在同等剪應變條件下也是非單調的。阻尼比隨粘粒含量的提高而呈先增后減的態(tài)勢。臨界含量達到了，就達到了極值。③當黃土試樣的總孔隙比保持不變時，在此臨界值的前后，使黃土的宏觀力學特性呈現出相反的變化趨勢，這時粘粒含量隨粘粒含量的增加，應該有一個臨界的粘粒含量值。④黃土微觀特征能很好地說明黃土動剪切模量和阻尼比的影響機理，并通過粒間孔隙比的引入進行量化分析。