不同振动频率下酸性压实黄土的动力特性研究

寇晓辉， 张 强， 董晓强

(太原理工大学 建筑与土木工程学院， 山西 太原 030024)

不同振动频率下酸性压实黄土的动力特性研究

寇晓辉， 张 强， 董晓强

(太原理工大学 建筑与土木工程学院， 山西 太原 030024)

为研究不同振动频率下受酸液侵蚀压实黄土的动弹性模量、 阻尼比、 振陷变形以及孔压发展变化的规律， 进行了一系列动三轴试验. 通过GDS动三轴试验系统提供不同频率的振动荷载， 选取pH=5的酸液配制黄土模拟酸性压实黄土. 结果表明： 当试样达到同一动应变时， 随着振动频率从1 Hz增加到5 Hz， 动弹性模量、 阻尼比、 动孔压均不断增大； 同一频率下， 振陷变形随着振动次数的增加而增大； 同一振次下， 振陷变形随着振动频率的增加而减少； 同一频率下， pH=5酸液配制的试样较pH=7蒸馏水配制的试样的动弹性模量、 阻尼比、 孔压减小， 振陷变形增大.

振动频率； 酸性压实黄土； 动力特性

公路事业作为促进经济快速发展的重要环节之一， 在近二十年取得了显著的成就， 但也出现了一些问题. 比如， 随着道路使用年限的增加， 路面变形随之增大， 车辆在行驶过程中发生颠簸会对道路路基产生不同频率的振动作用. 而车流量、 车辆重量、 行驶速度等因素的不同导致车辆产生的振动频率也在一定范围发生变化[1]. 同时， 随着工业的快速发展， 化石燃料的大量使用导致部分地区出现了酸雨， 酸雨会透过路面表面层进入路基， 致使路基的化学成分以及土体结构发生变化. 因此研究不同振动频率下， 酸液侵蚀后压实黄土动力特性的变化有一定的实际工程意义[2].

关于土体动力特性的研究， 前人已经取得了一些成果[3-12]. 郑刚等[3]对取自天津临港工业园的土体进行动力测试， 结果表明随着频率的增大， 原状土变形曲线由破坏型向发展型再向渐稳型过渡， 重塑土变形曲线多为直线型； 王建荣等[4]通过对原状黄土(Q4)施加不同振动频率的振动荷载， 研究振动频率对试验常数、 动弹性模量和阻尼比的影响； 陈存礼等[5]通过对饱和击实黄土进行动三轴试验研究其动弹性模量、 阻尼比、 动强度、 动孔压及抗液化特性； 李又云等[6]通过大量的动三轴试验对压实黄土的动力特性进行研究， 并得出一些规律； 万战胜等[7]通过动三轴试验研究列车振动荷载对原状黄土的动力特性的影响； 李焱等[8]对压实黄土进行了不同频率的试验研究， 认为黄土动强度随振动频率增加而增大， 且与振动频率呈正相关关系； 徐学燕等[9]在对冻结粉质粘土进行动三轴试验后认为冻结粘土的动弹性模量与阻尼比均随着荷载振动频率的增加而减小； Yasuhara等[10]认为振动频率对土体变形影响较小. 可见， 振动频率对各类土体动力特性的影响并不相同， 这与土质、 土体状态等因素有关. 朱春鹏等[11]对人工制备的4种不同浓度的酸碱污染土试样进行力学测试， 认为黏聚力随着酸碱浓度的增加而增大， 摩擦角随着酸碱浓度的增加而震荡减小； 赵宇等[12]通过对取自三峡库区的土样进行测试， 认为受酸液侵蚀的试样内摩擦角减小幅度明显， 而黏聚力变化微弱. 可见， 酸碱性对土体力学性质有一定的影响. 本试验利用硫酸溶液侵蚀黄土制备压实黄土试样， DYNTTS动三轴试验系统提供不同频率的振动荷载， 探究不同振动频率下受酸液侵蚀压实黄土的动力特性， 具有一定的学术意义和工程意义.

1 试验方案及方法

1.1 试验仪器

试验采用英国GDS公司生产的DYNTTS动三轴试验系统， 如图 1 所示. 该系统是由动力驱动部分、 三轴压力室、 围压控制器、 反压控制器、 信号控制系统5个部分构成. GDS试验系统中计算机采集试样振动过程中的轴向应力、 应变、 孔压等数据， 然后经过数据分析换算得出动弹性模量、 阻尼比等指标. 本系统可达到的振动频率为0.1～10 Hz. 围压和反压控制器的精度可达到1 kPa. 体积量测控制精度为1 mm3.

图 1 GDS动三轴试验系统Fig.1 GDS dynamic triaxial apparatus

1.2 试验材料

试验土样取自太原某工地现场， 原状土基本物理指标如表 1 所示.

重塑土试样的制备： 将取回的土体烘干、 碾碎、 过1 mm筛， 分别采用pH=7的蒸馏水和pH=5 的硫酸溶液配制含水率为16.9%的土体， 配制完成后将其密封于袋中24 h， 以保证土体含水率均匀. 本次试验试样的直径为38 mm， 高度为80 mm， 通过干密度、 含水率和试样体积计算确定每个试样的质量. 为保证试样上下均匀压实， 制备过程中将土体分8层压入试样筒内， 各层之间刮毛以避免层间分层. 制备完成后将各试样放入保湿皿， 保证含水率不发生变化. 试样制备过程严格遵守《土工试验规程》(GB/T50123-1999).

表 1 原状土基本物理指标

1.3 试验方法

固结阶段： 试样在围压为100 kPa， 固结应力比为1.69的条件下进行固结， 固结速度为0.2 mm/min， 当固结时间超过5 min而试样的体积变化小于5 mm3时认为固结完成.

动力加载阶段： 为模拟不同交通荷载的振动作用， 试验设置 1, 2, 5 Hz 3个频率的正弦动力荷载， 各频率下选取3个平行试样， 采用逐级增加的动应力进行加载， 加载数值如表 2 所示.

表 2 各级振动荷载数值

正弦动力加载曲线如图 2 所示. 整个试验过程中GDS动三轴系统通过相应的传感器采集应力-应变、 孔压等数据以待进行数据处理.

图 2 动力加载曲线Fig.2 The curve of dynamic loading

2 试验结果及分析

2.1 不同振动频率下动弹性模量的变化规律

动弹性模量是土动力学的重要力学参数. 在计算机自动采集到的数据文件中， 选取数据并绘制出不同阶段的应力-应变滞回曲线， 经过计算得出不同频率下， 动弹性模量(Ed)与动应变(εd)的关系如图 3 所示， 由图可以看出：

1)动弹性模量随着动应变的增加而降低， 且呈现出应变软化的现象， 这主要是由于动应变的增加使部分土体结构被破坏， 以至应变产生后， 土体自行恢复至初始状态的能力减弱， 从而导致动弹性模量下降. 其降低过程可以分为3个阶段： 第一阶段是动应变小于1.44 mm， 在该阶段试样动弹性模量随着动应变的增加而呈现线性减小的趋势， 这是试样主要发生弹性变形所致； 第二阶段是动应变为1.44～4 mm时， 在该阶段试样轴向发生弹性变形和塑性变形， 动弹性模量随着动应变下降的趋势明显减缓， 但仍然保持下降趋势； 第三阶段为动应变大于4 mm时， 该阶段试样产生的变形主要为塑性变形， 动弹性模量随着动应变的增加基本保持不变.

图 3 不同频率下动弹性模量与动应变关系曲线Fig.3 Relation curves between dynamic elastic modulus and dynamicstrain under different frequency

2) 同一动应变下， 动弹性模量随着振动频率的增加而增大. 本试验发现在频率较大的动力荷载作用下， 应变虽然开始产生， 但是并没有发生完全就受到阻碍应变继续发展的相反方向作用力， 因此才会出现动弹性模量随着振动频率增加而增大的现象.

3) 同一频率下， pH=5酸液配制的试样较pH=7蒸馏水配制的试样的动弹性模量小. 这主要是由于酸液与土体中的碱性氧化物发生反应， 使土体结构发生变化， 导致动弹性模量的减小.

2.2 不同振动频率下阻尼比的变化规律

土的阻尼比反映了动应力作用下土体能量因内阻而耗散的性质. 在试样受到每一级动力加载的过程中， 采集动应力-动应变数据， 绘制应力应变滞回曲线.

经过整理， 不同频率下阻尼比(λ)与动应变关系曲线如图4， 由图可以看出：

图 4 不同频率下阻尼比与动应变关系曲线Fig.4 Relation curves between damping ratio and dynamic strain under different frequency

1) 同一振动频率下， 阻尼比随着动应变的增加而增大， 但在动应变达到约4.8 mm以后， 阻尼比逐渐趋于平缓. 这说明小应变条件下， 动应变对阻尼比的影响比较明显， 而随着动应变的增加， 阻尼比受动应变的影响逐渐减弱. 通过试验分析， 在低应变条件下， 当振动荷载接触试样的一瞬间， 由于土体受力后处于弹性应变状态， 试样应变的产生像劲度系数较小的弹簧受力压缩一样， 是一个渐进的过程， 但是这个渐进的过程因土样较好的弹性而持续时间较短. 而在土体应变逐渐由小应变条件向大应变条件变化的过程中， 土体逐渐由弹性应力状态转化为塑性应力状态， 土粒位置发生变化， 重新排列， 相互之间的间距减小， 即土体结构逐渐破坏. 当振动荷载接触试样后， 试样像一个劲度系数逐渐增大的弹簧， 试样变形从开始到发展完成需要的时间逐渐增加， 应变滞后于应力的现象越来越明显， 即表现为阻尼比逐渐增大.

2) 同一动应变下， 阻尼比随着振动频率的增加有增大的趋势， 但当动应变达到4.8 mm以后， 各振动频率之间的阻尼比相差不大. 这说明在小应变条件下， 振动频率的增加使动应变落后于动应力的现象表现得更为明显； 而在高应变条件下， 振动频率的增加对动应变落后于动应力的现象影响甚微. 造成这一现象的可能原因是小应变时， 土体处于弹性状态， 动力加载过程中， 振动频率较高时， 各振次作用过程中， 动应力对试样产生的应变效果并不能完成就受到下一振次的作用， 因此高频率下， 动应变滞后于动应力的现象更为明显， 即阻尼比随着频率的增加而增大.

3) 同一频率下， pH=5酸液配制的试样较pH=7蒸馏水配制的试样的阻尼比减小.

2.3 不同振动频率下动孔压的变化规律

不同频率下， 动孔压(ud)与振动次数(N)的关系曲线如图 5 所示， 动孔压与动应变的关系曲线如图6， 为保持图像清晰， 图 6 只绘制pH=7时，f=5 Hz 的图像，f=1 Hz,f=2 Hz的图像与其相似， 可得出相同的结论.

图 5 不同频率下动孔压与振次的关系曲线Fig.5 Relation curves between dynamic pore pressure and vibration times under different frequency

图 6 不同频率下动孔压与动应变的关系曲线Fig.6 Relation curves between dynamic pore pressure and dynamic strain under different frequency

由图 5 可以看出：

1) 动孔压随着振动次数的增加而增大， 在0～1 000次的振动过程中， 这种增大的趋势较缓慢， 但是当振动次数超过1 000次以后， 这一趋势显著， 几乎呈线性增长；

2) 同一频率下， pH=5酸液配制的试样较pH=7蒸馏水配制的试样的动孔压减小.

由图 6 可以看出：

1) 在不同的振动频率下， 动孔压随着动应变的增加而增大， 并且具有很好的线性关系；

2) 达到同一动应变时， 频率越高， 动孔压越大；

3) 同一频率下， pH=5酸液配制的试样较pH=7蒸馏水配制的试样的动孔压减小.

2.4 不同振动频率下振陷变形的变化规律

黄土的振陷变形在土动力学上是用残余应变来表示的. 通常认为振陷变形的大小与土体起始密度、 湿度、 起始应力状态、 动荷作用强度、 振动持续时间等因素有关. 通过本次试验的研究发现， 振陷变形还与动荷载的振动频率有关， 不同振动频率下， 振陷变形随着振动次数变化关系如图 7 所示. 由图可以看出：

图 7 不同频率下振陷变形与振次的关系曲线Fig.7 Relation curves between vibration deformation and vibration times under different frequency

1) 同一频率下， 振陷变形随着振动次数的增加而增大. 振动次数在0～2 000次时， 增长趋势逐渐增大， 当振动次数超过2 000次后， 振陷变形随振动次数近似呈线性增长. 这主要是由于振动前期发生弹性变形， 而后期试样塑性变形不断增加.

2) 同一振次作用下， 振陷变形随着振动频率的增加而减小.

3) 同一频率下， pH=5酸液配制的试样较pH=7蒸馏水配制的试样的振陷变形增大. 这主要是由于酸液与土体中的碱性氧化物发生反应， 使承担有效应力的物质减少， 造成振陷变形的增加.

3 结 论

1) 动弹性模量随着动应变的增加而降低， 呈现出应变软化的现象； 同一动应变下， 动弹性模量随着振动频率的增加而增大； 同一频率下， pH=5 酸液配制的试样较pH=7蒸馏水配制的试样的动弹性模量减小.

2) 同一频率下， 阻尼比随着动应变的增加而增大， 但在动应变达到约4.8 mm以后逐渐趋于平缓； 同一动应变下， 阻尼比随着振动频率的增加有增大的趋势， 但当动应变达到4.8 mm以后， 各振动频率之间的阻尼比相差不大； 同一频率下， pH=5酸液配制的试样较pH=7蒸馏水配制的试样的阻尼比减小.

3) 动孔压随着振动次数的增加而增大； 同一频率和振次下， pH=5较pH=7酸液配制的试样的动孔压减小； 动孔压在不同的振动频率下随着动应变的增加而增大； 达到同一动应变时， 动孔压随着频率的增加而增大； 同一频率和动应变下， pH=5酸液配制的试样较pH=7蒸馏水配制的试样的动孔压减小.

4) 同一频率下， 振陷变形随着振动次数的增加而增大； 振陷变形随着振动频率的增加而减小； 同一频率下， pH=5酸液配制的试样较pH=7蒸馏水配制的试样的振陷变形增大.

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Study on Dynamic Characteristics of Acid Compacted Loess Under Different Vibration Frequencies

KOU Xiao-hui， ZHANG Qiang， DONG Xiao-qiang

(College of Architecture and Civil Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China)

To study the influence of vibration frequency on the dynamic elastic modulus, damping ratio, vibration deformation and pore pressure in the loess subgrade with acid corrosion, a series of dynamic triaxial tests were conducted. The vibration loads of different frequencies were provided through the GDS dynamic tri-axial testing apparatus. The pH=5 acid was selected to prepare the loess to simulate acid compacted loess. The results show that when the same dynamic strain is achieved, the dynamic elastic modulus increases with the increase of vibration frequency, the damping ratio increases with the increase of vibration frequency, the dynamic pore pressure increases with the increase of vibration frequency; The vibration deformation increases with the increase of vibration times under the same vibration frequency； The vibration deformation decreases with the increase of vibration frequency under the same vibration times； The sample made with acid liquor of pH=5 compared with that with distilled water of pH=7, the dynamic elastic modulus, damping ratio, pore pressure decreases and the vibration deformation increases.

vibration frequency； acid compacted loess； dynamic characteristic

2016-09-03

国家自然科学基金资助项目(51178287)； 山西省科技创新重点团队建设计划(2014131019)； 黄土地区公路建设与养护技术交通行业重点实验室开放基金资助项目(KLTLR-Y13-4)

寇晓辉(1988-)， 男， 硕士生， 主要从事岩土工程方面的研究.

董晓强(1974-)， 男， 博士生导师， 教授， 主要从事岩土工程方面的研究.

1673-3193(2017)02-0249-06

TU411.8

A

10.3969/j.issn.1673-3193.2017.02.027