不同条件下粉砂融土动力参数试验研究

2020-07-16熊宏强甘霖睿

黑龙江大学工程学报 2020年1期

熊宏强，孙静,甘霖睿

(黑龙江大学建筑工程学院，哈尔滨 150080)

0 引言

黑龙江省季节性冻土广泛分布。土体在夏季融化，冬天冻结的反复冻融作用下，会发生冻胀融沉现象，尤其是粉质砂土在春融期，超高含水率下，液化严重。受到车辆、地震等动荷载作用，天然地基承载力下降，易引起沉陷翻浆、失稳和不均匀沉降等现象。直接影响建筑物和土工构筑物的实际功能和安全使用。研究不同条件下粉砂融土动力参数意义重大，且由于融土动力特性相比冻土更为复杂，处于探索阶段，存在很大的潜在研究价值[1-2]。徐学燕等[3]、王丽霞等[4]研究冻土动模量、阻尼比等动力参数与温度、振动频率等的关系；Wang等[5]、王立娜等[6]、许阳等[7]、马玉涛等[8]研究冻结粉质黏土动力特性；于啸波等[9]重点研究3类典型土动力学参数的影响特征。孙静等[10-11]研究土体动模量对土层地震反应的非线性影响特性。Zhang[12]和Wilson[13]研究不同试验条件对淤泥土动力学参数的影响。牛亚强等[14]研究得出黄土的非线性强度准则。Ma等[15]研究了砂土动力性能的影响。Christ等[16]研究动态荷载下的冻土力学性能。还有学者提出并验证了Martin Davidenkov模型、双曲线模型[17]和本构模型[18]。

目前融土研究存在以下不足：①国内外大部分是对冻土的研究成果，对融土涉及不多；②受限于仪器设备，大多数动三轴采用压力室外完成冻融的方式对土体扰动较大；③受限于试验周期，试验研究工况少，条件单一，且缺乏对动模量比的研究。本文针对以上不足，从融土角度，依托GDS动三轴仪在压力室内完成冻融，研究粉砂土动模量、动模量比和阻尼比与围压、初始含水率、振动频率和固结时间的影响规律，为季节冻土区建设工程抗震设计和冻土动力学研究提供依据，给冻土区粉砂土地基服役性能评价提供参考。

1 试验方案设计

1.1 试样制备

试样基本物性指标：试验土样取自黑龙江省佳木斯地区，通过物理试验确定土样天然含水率9.86%；最优含水率12.10%，最大干密度1.84 g/cm3；土样粒径主要为0.01～0.5 mm，粒径为0.024 mm的含量最多占5.61%，不均匀系数4.66，曲率系数1.30，颗粒分布均匀，判定为级配不良的粉质细砂。操作步骤：将烘干的土样按含水率5%、10%、15%加蒸馏水反复拌匀，并保鲜膜覆盖浸润24 h测定实时含水率，保证符合设计要求。按照95%压实度，制备三轴试样，借助三瓣膜饱和模具，每次填土47.55 g，击30下，并刮毛上下层，避免产生分层，分4层进行击实。所得三轴试样高度H=80 mm，直径D=39.1 mm。

1.2 试验内容

本试验使用进口GDS动三轴仪，采用应力控制正弦波加载方式。相比其他动三轴仪，该仪器能够在压力室内自主完成冻融循环且测量精度更高。在完成饱和、固结、冻融和动态加载等试验模块的过程中有效地避免了外界干扰。按照工况要求，把制好的三轴试样装入压力室内，借助反压饱和24 h，利用B-cherk试验确认饱和度是否达到90%以上。再以设定的恒围压固结8 h，完成后，开始冻融试验，按设定负温T=-10 ℃冻结12 h，标准室温融化12 h为一次循环。结束冻融后，从初始应力10 kPa开始，以10 kPa为一级，逐级施加正弦循环荷载，直至试样完全破坏，设定数据采集点和周期数，依托GDS数据采集系统同步自动完成各级数据采集和监测。试验按照围压、初始含水率、振动频率和固结时间4类试验条件，以单一变量原则，设置围压σ3为100、150、200 kPa；初始含水率ω为5%、10%、15%；振动频率f为0.5、1、1.5 Hz；固结时间t为8、16、24 h。

2 试验结果分析2.1 动应力

T=-10 ℃冻融后不同围压、初始含水率、振动频率和固结时间下，粉砂融土的动应力和动应变的关系曲线见图1。由图1可见，随着动应变不断增大，土体都经历从弹性变形到弹塑性变形，最后破坏的变化阶段。基本符合Hardin-Drnevich经典等效模型，非线性特征显著。但不同条件对动应力的影响程度差异很大，试验表明，相同动应变下，融土的动应力与围压增大、初始含水率提高和振动频率增大成正比，固结时间增加动应力略有增大趋势，但影响不大。

图1 不同试验条件的σd-εd关系曲线Fig.1 Curves of σd-εd with different test conditions

2.2 围压的影响

当ω=5%,f=1 Hz,t=8 h时，不同围压下动模量和动应变的关系曲线见图2，同一动应变下，围压越大，动模量越大，当围压由100 kPa增加到150 kPa后动模量增长明显，但继续提高围压对动模量影响不大。不同围压下动模量比和动应变的关系曲线见图3，动模量比基本处于狭长区域，与围压增大呈负相关性。不同围压下阻尼比与动应变的关系曲线见图4，相同动应变下，围压越大，阻尼比越小，说明一定范围内，随着围压增大，土体固结密实度提高，孔隙比减小，引起动模量增大，同时动力波的传播路径增多，能量消耗减少，致使阻尼比减小。

图2 不同围压的Ed-εd关系曲线Fig.2 Curves of Ed-εdfor different confining pressures

图3 不同围压的Ed/Edmax-εd关系曲线Fig.3 Curves of Ed/Edmax-εd for different confining pressures

2.3 初始含水率的影响

当σ3=100 kPa,f=1 Hz,t=8 h时，不同初始含水率下动模量与动应变的关系曲线见图5，试验表明，在一定范围内，同一动应变下，随着含水率提高，动模量增大，当含水率超过10%后影响逐渐减弱。不同初始含水率下动模量比和动应变的关系曲线见图6，动模量比随着动应变增大而减小，含水率变化对其影响不大。不同初始含水率下阻尼比与动应变的关系曲线见图7，含水率对阻尼比的影响没有其它因素显著，相同动应变下，初始含水率提高，阻尼比略微减小，说明随着含水率的提高，在土体融化后，排水固结达到稳定的土体接近最优含水率，孔隙比减小，有利于土体整体强度提高，动模量增大，同时土体中的水增强了整体的结构性，使土体更密实，相对减弱对动力波能量的消耗能力，阻尼比减小。

图4 不同围压的λ-εd关系曲线Fig.4 Curves of λ-εd for different confining pressures

图5 不同初始含水率的Ed-εd关系曲线Fig.5 Curves of Ed-εd with different water contents

图7 不同初始含水率的λ-εd关系曲线Fig.7 Curves of λ-εdwith different water contents

2.4 振动频率的影响

当σ3=100 kPa,ω=5%,t=8 h时，不同振动频率下动模量与动应变的关系曲线见图8，同一动应变下，振动频率增大，动模量微弱增大，当动应变超过10-3后频率增加，动模量基本不变。不同振动频率下动模量比和动应变的关系曲线见图9，动模量比随着动应变发展区分并不明显，可见频率对其影响不大。不同频率下阻尼比与动应变的关系曲线见图10，同一动应变下，当动应变小于10-3时，粉砂融土阻尼比无明显变化，超过10-3后频率越高，阻尼比显著减小。试验表明振动频率越大，荷载作用时间越短，土体形变滞后，变形量减小，动模量越大，相对增加了动力波的传播途径，减少能量损耗，阻尼比减小。

2.5 固结时间的影响

当σ3=100 kPa,ω=5%,f=1 Hz时，不同固结时间下动模量与动应变的关系曲线见图11，同一动应变下，固结时间越长，动模量越大，但存在范围限制，固结16 h后再增加固结时间对粉砂融土动模量的影响不大。不同固结时间下动模量比与动应变的关系曲线见图12，相同动应变下，固结时间增加，动模量比略有增大趋势。不同固结时间下阻尼比与动应变的关系曲线见图13，同一动应变下，当动应变小于10-3时固结时间对阻尼比基本无影响，超过10-3后固结时间越长，阻尼比越小。试验表明，在一定范围内，增加粉砂融土的固结时间，能够有效减小孔隙比，提高土体强度，使动模量增大，引起阻尼比减小。