黄土层下覆强风化岩动弹性模量和阻尼比试验研究①

2011-01-27王杰民刘红玫

地震工程学报 2011年3期

王平，王杰民，刘红玫，王谦

（1.中国地震局兰州地震研究所，甘肃兰州 730000；2.中国地震局黄土地震工程开放实验室，甘肃兰州 730000；3.甘肃省岩土防灾工程技术研究中心，甘肃兰州 730000；4.兰州大学资源环境学院，甘肃兰州 730000）

0 引言

近年来随着经济的快速发展和西部大开发战略的全面实施，基础建设带来了大量的复杂的岩土工程问题，特别是地基土在动载荷作用下的稳定和变形问题。动三轴试验是以试件斜面上45°应力模拟现场土的应力状态，对地基土动力学问题的研究来说是最有效的方法之一。

在实际的工程中，风化岩、黄土状粘土是黄土地区比较常见的土类。本文对黄土层下覆强风化岩动模量和阻尼比试验研究旨在加强对深层大应力状态下黄土试样和黄土层下覆强风化岩层开展动三轴试验研究；同时通过此项研究积累泥岩、强风化岩动三轴试验方法［1］。

1 试样的采集与制备

试验试样的来源之一为甘肃省境内的泥岩或者风化岩，通过地质勘探钻井取样。来源之二为兰州市皋兰山老滑坡上的风化岩体（红砂岩）。

泥岩试样成样是通过钻孔取上岩样，在车床采用低进给量，低转速加工的方法车为圆柱状。对于红砂岩，岩样是从岩石块上通过Φ50mm模具直接钻取后分段。

黄土下覆强风化岩主要物理性能指标如表1所示。

表1 黄土下覆强风化岩主要物理性能指标

2 试验方案

进行了各种围压条件下动模量动力特性试验或者不同地点试样的动模量和阻尼比实验研究。固结条件依据规范选取［2－3］，泥岩采用不饱和固结不排水试验，侧压力系数据规范选0.33，σ1＝300kPa，σ3＝100kPa；红砂岩选用无侧限条件，σ1＝1MPa。

图1 HCA（WF12440）试验仪Fig.1 HCA （WF12440）triaxial equipment.

试验仪器为WF1440扭剪仪。试验仪器主要技术参数：荷载采用气动作动器施加，压力室及反压均通过气转水系统施加；竖向作动器行程50mm；实心试样尺寸：50mm×100mm和100mm×200 mm（直径×高度）；最大竖向荷载±10kN，最小可测载荷荷载1N；应变测量可达10－5（0.001%）；外室压力测量可达1MPa，精度0.1kPa；孔隙水压力压测量可达1MPa，精度0.1kPa；反压测量可达1 MPa，精度0.1kPa；试样体积变化测量可达100cc，精度0.1cc。

本研究所用试样采集、制样难度较大，同时受到仪器性能、试样含水率等的影响，在重复多次试验的基础上进行了多个围压条件下的红砂岩和泥岩动模量和阻尼比动力特性试验，最终选定无侧限的试验方法，并得到较好的试验结果。

3 试验结果分析

如图2所示，在循环荷载作用下，泥岩、红砂岩动应力σd与动应变εd比值和εd的关系基本呈直线关系线表征，其直线方程如式（1）所示。采用最小二乘法拟合直线，得泥岩试验结果相关系数R2＝0.976 1，a＝0.005MPa－1；红砂岩试验相关系数R2＝0.960 7，a＝0.002 6MPa－1。

式中σd为轴向动应力；εd为轴向动应力方向动应变；a、b为试验常数。

由式（1）得

图2 动模量倒数与动应变拟合曲线Fig.2 Dynamic strain－elasticity modulus reciprocal bit curves.

即试验过程中土样的动应力－动应变关系表现为非线性双曲线形式。采用R·L·Kondner双曲线关系表示为式（2），动应力与动应变的关系如图3所示，动模量与动应变的关系如图4所示。

由式（2）可知，当εd趋向于0时，

由式（3）得，测试泥岩试样的初始动弹性模量Emax＝E0＝200MPa，红砂岩试样的初始动弹性模量Emax＝E0＝385MPa。

图3 动应力与动应变曲线Fig.3 Dynamic stress－strain curves.

图4 动模量与动应变曲线Fig.4 Dynamic strain－elasticity modulus curves.

由图2、图3、图4可知，随着载荷增加，变形增大，动弹性模量呈现急速下降的趋势。

阻尼比是循环载荷能量在土体内耗损的规律，是动力特性指标之一。由于泥岩和红砂岩在循环载荷作用下的变形包含弹性和塑性变形，随着载荷增加，动应力和动应变关系具有非线性和滞后性的特点。按照阻尼比的定义，采用积分的方法对试验过程记录的结果进行计算。对于泥岩当施加动应力增加，动应变ε变化范围约为10－4～10－3，阻尼比λ的范围为0.011～0.2；对于红砂岩而言，动应变变化范围约为10－4～10－3，阻尼比的范围为0.01～0.1，计算结果与动应变的关系较离散（图5）。

图5 阻尼比发展曲线Fig.5 Damping ratio development curves.

图6 滞回圈Fig.6 Hysteresis loops.

图6为某一循环内（非相同条件）动应力与动应变的关系（滞回圈）。由图可知红砂岩、泥岩的应力与动应变关系具有滞后性和非线性；同时泥岩的滞回圈较宽，红砂岩的滞回圈较泥岩的窄，表明泥岩具有“土”的特性，较软，而红砂岩具有“岩”的特性，较硬。同时说明了红砂岩具有较高的初始动弹性模量，在相同外荷载作用条件下，泥岩更易受到扰动破坏。

图7为试验所得的剪模比与剪应变关系曲线。试验得到的泥岩和红砂岩的剪模比在0.7～0.9的范围内，即剪应变的范围在10－4～10－3之间，这是由于仪器的性能和试样的物理性质的限制，应变无法达到10－2的，在图上表现为在0.7～0.9的区间数据点丰富，其他段较少。为了保证曲线的完整性，通过式（4）、式（5）反演增加了数据：式中G为剪切模量；Ed为动弹性模量；γ为剪切应变；εd动应变；μ为泊松比（根据波速测试取得，此处计算参考资料取0.25）。