董金玉，楊興隆

(華北水利水電大學 巖土工程與水工結構研究院， 河南 鄭州 450046)

殘坡積土是經物理風化和化學風化后，殘留在原地未經搬運的土，其分布十分廣泛，具有質地不均勻、孔隙比大、結構性差、遇水軟化、受擾動后強度降幅大的特點[1-2]，在地震和循環(huán)動力荷載作用下殘坡積土強度降低，穩(wěn)定性變差，較易發(fā)生崩塌、滑坡和泥石流等地質災害。加上殘坡積土工程地質性能的區(qū)域差異性強，因此對某地殘坡積土力學特性的研究具有重要意義。

在土的動力特性研究方面，眾多學者進行了大量的研究，取得一些有益的成果[3-16]。田竟等[3]分析了不同強度影響因素的動荷載作用下黃河沖積粉土的動應力-動應變發(fā)展規(guī)律；丁志宇等[4]分析了細粒含量對飽和粉土動力特性的影響規(guī)律；尚守平等[5]對動荷載作用下土阻尼比進行了試驗對比研究；褚峰等[6]進行了飽和淤泥質砂土動力變形及動強度特性試驗研究；毛成等[7]對膨脹土的動力特性進行探討。在殘坡積土的研究方面，譚捍華等[1]對千枚巖殘坡積土進行了大型直剪試驗研究，肖治宇等[17]進行了非飽和殘坡積土強度隨含水率變化的試驗研究，楊矯等[18]對降雨入滲下殘坡積土邊坡的穩(wěn)定性進行模擬研究。李焱等[19 ]進行了不同振動頻率下非飽和黃土的動力特性研究；張禾等[20]進行了土的動力參數(shù)測試技術及試驗成果分析；潘越[21]進行了循環(huán)荷載作用下土工合成材料加筋土動力特性研究；嚴紅[22]進行了高速鐵路路基粉質黏土填料物理力學特性試驗研究；楊同帥[23]進行了上海軟黏土小應變力學特性試驗及本構模擬；鄭瑞華等[24]進行了苗家壩面板堆石壩材料動力特性試驗研究。然而，雖然對土動力特性的研究較為成熟，但對殘坡積土的研究大部分是在靜力作用下對其強度和穩(wěn)定性的研究，對用殘坡積土的動力特性的研究卻鮮少見到。

本文以某典型地震滑坡區(qū)殘坡積土為研究對象，采用相對動三軸試驗成本低，工序簡單的動單剪試驗儀，對飽和和非飽和殘坡積土進行了不同固結壓力，不同干密度，不同振動頻率下的動單剪試驗動力特性進行研究。

1 試驗設備及試驗方案

1.1 試驗概況

試驗所用土為某典型地震滑坡現(xiàn)場所取的殘坡積土。試驗所用儀器為Shear Trac-II動單剪儀，該儀器能完成動強度、主要動力學參數(shù)的測定工作， 試驗過程中可對土樣施加動荷載并實時監(jiān)控整個試驗過程，得到土樣振動過程中的動剪應力，動剪應變曲線。試樣尺寸為：直徑63.5 mm×25.4 mm(高度)。

1.2 試驗方案

在不同固結壓力σv=100 kPa、200 kPa、300 kPa；不同干密度ρd=1.50 g/cm3、1.60 g/cm3、1.70 g/cm3；不同振動頻率f=0.2 Hz、0.5 Hz、1.0 Hz下對飽和、非飽和殘坡積土進行動單剪試驗，試樣共14組(制備過程從略)。

2 試驗結果分析

2.1 殘坡積土動剪應力τd-動剪應變γd關系

由圖1、圖2可以看出，在周期性荷載作用下，隨著動應力的增加，動應變隨之增大，表現(xiàn)出明顯的階段性和非線性特征。在γd小于1%時，即在加載的初始階段τd-γd關系曲線的斜率較大，而當γd大于1%的階段，τd-γd關系曲線的斜率逐漸減小。隨著固結圍壓、干密度的增大，τd-γd曲線向上移動，當動剪應力不變時，隨著固結應力、干密度增加，動剪應變減小。這是由于固結應力越大，干密度越大，試樣的剛度越大，抵抗變形的能力越強。

圖1 非飽和殘坡積土的動剪應力τd-動剪應變γd關系曲線

圖2 飽和殘坡積土的動剪應力τd-動剪應變γd關系曲線

對比圖1、圖2可知，在相同的固結壓力、干密度、振動頻率下，非飽和殘坡積土的臨界動剪應力大于飽和殘坡積土的臨界動剪應力；而在γd較小時，非飽和土的τd-γd曲線斜率明顯大于飽和土。這是由于非飽和土中基質吸力的存在，增強了殘坡積土的黏聚力，提高了土體的抗變形能力，使土粒間發(fā)生錯動的難度增大。因此殘坡積土的非飽和狀態(tài)對τd-γd關系曲線影響明顯。

2.2 殘坡積土動剪切模量Gd-動剪應變γd的關系

土的動剪模量Gd可以由動單剪試驗得到的動剪應力-應變本構關系曲線得到，即：

Gd=τd/γd=1/(a+bγd)

(1)

可變形為

1/Gd=a+bγd

(2)

1/τd=a/γd+b

(3)

式中：Gd為動剪切模量；τd為動剪應力；γd為動剪應變；a、b為系數(shù)。

1/Gd-γd關系曲線如圖3、圖4所示。由圖3、圖4可以看出：

圖3 非飽和殘坡積土的1/Gd-γd關系曲線

圖4 飽和殘坡積土的1/Gd-γd關系曲線

(1) 在凈圍壓、干密度和振動頻率分別相同的情況下，非飽和殘坡積土和飽和殘坡積土的動剪切模量都隨動應變的增大迅速減小后基本不變。這也反映了土體的振動剪切過程開始，土體結構迅速發(fā)生變化，整體剛度減小，在剪應變發(fā)展的后期，較小的剪應力就可使土體產生很大的應變變形，即土體在受到振動剪切破壞以后，本身即不能再承受力的作用。

(2) 飽和土試樣的動剪切模量較非飽和土的略小。這與非飽和土的力學性質有關，用平均骨架應力給出解釋，土的強度和剛度取決于平均骨架應力，平均骨架應力為凈圍壓應力和飽和度與基質吸力的乘積之和即：

σ′=σn+Srs

(4)

式中：σ′為平均骨架應力；σn為凈圍壓應力；Sr為飽和度；s為基質吸力。

在飽和土樣中，由于基質吸力為0，因此在其他條件相同的情況下，在振動破壞過程中飽和土平均骨架應力(有效應力)始終比非飽和土的平均骨架應力值略小。

(3) 動剪切模量與動應變關系曲線呈階段性的變化特征，在加載初期動應變幅值較小的情況下，隨著動應變的增加，動剪切模量迅速減?。辉趹兎递^大的情況下，動剪切模量隨著應變的增加緩慢下降。在相同的動剪應變條件下，動剪切模量隨振動頻率的增大呈遞增趨勢，而剪應變越大，不同振動頻率下的動剪切模量之間的差值越來越小，動剪切模量最終趨向較小的穩(wěn)定值。干密度和豎向壓力對動剪切模量的影響與振動頻率的影響大致相同。

試驗結果表明，動剪應力-剪應變關系呈雙曲線型[8]，殘坡積土的這一特征可由1/Gd～γd關系曲線的線性相關性反映出來(見圖3、圖4)。由圖3、圖4可以看出1/Gd～γd擬合曲線近似為線性，這能更直觀的看出干密度、豎向壓力和振動頻率對動剪切模量的影響。

2.3 最大動剪切模量Gdmax的影響因素分析

動荷載作用下的Gdmax定義為動剪應力～應變關系曲線上，應變γd→0時的動剪切模量。由動單剪試驗得到的τd-γd曲線近似雙曲線函數(shù)，經過變換后成為線性函數(shù)式(2)(如圖3、圖4所示)，用直線擬合后延長，在γd=0處截取的縱坐標a的倒數(shù)即為最大動剪切模量Gdmax，即：

Gdmax=1/a

(5)

圖5給出了最大動剪切模量Gdmax影響因素分析圖。圖5可以更直觀的看出，在振動頻率、干密度相同的情況下，固結壓力的大小對土體的最大動剪切模量有明顯影響，固結的壓力越大，其最大動剪模量越大，因為在其他條件相同的情況下，固結壓力越大，土體顆粒的固結效果也就越好，顆粒聯(lián)結強度越高，在受到相同的動剪應力時產生的動剪應變較小，其動剪切模量越大；對于干密度為1.6 g/cm3的殘坡積土，在固結壓力較小時，固結壓力的增大對試樣最大動剪切模量的增加影響顯著，在固結壓力較大時，增大固結壓力對試樣最大動剪切模量的變化影響不大。

圖5 最大動剪切模量Gdmax的影響因素分析

在振動頻率和固結壓力相同的情況下，土體干密度對其最大動剪切模量也有明顯影響，即隨著土樣干密度的增大，其最大動剪切模量也隨之增大，且?guī)缀醭示€性增長趨勢。

在干密度和固結壓力相同的情況下，振動頻率對土體的最大動剪切模量也有明顯影響，土體在較高頻率下的剪切破壞時，一方面其結構來不及破壞，結構強度可以抵抗一部分剪切力的破壞作用，故其剪切強度較高、動剪切模量較大；另一方面，在較高頻率作用時，土體中的孔隙水不能及時排出，而此時全部剪應力由總應力承擔，抗剪強度τd較高，在受到同樣大小的剪切力時，其變形相對較小，因此最大動剪切模量較大。隨著振動頻率的增加，土體的最大動剪切模量增大。

飽和土試樣的最大動剪切模量較非飽和土的略小。這與前面所述原因一致。最大動剪切模量出現(xiàn)在振動破壞的初期，此時非飽和土的強度和剛度均大于飽和土。

2.4 阻尼比λ與動應變γd的關系

在動荷載作用下，用于衡量土所吸收能量大小的特征值既是土的阻尼比，反映土在循環(huán)荷載中的能量耗散。依據(jù)動力單剪試驗實測記錄的動剪應力-應變時程線，進而繪制某一級動荷載循環(huán)內的動剪應力τd與動剪應變γd曲線，可得到一個滯回環(huán)(如圖6所示)。

圖6 滯回環(huán)

圖7為阻尼比與水平剪應變的關系。由圖7可知：非飽和及飽和土試樣阻尼比λ隨動剪應變的增大呈遞增趨勢；當水平剪應變大于2%后，阻尼比λ的變幅越來越小，最終趨于某一穩(wěn)定值，即λmax。在同一應變條件下，飽和土試樣的阻尼比則比非飽和殘坡積土略大。

圖7 阻尼比與動剪應變關系

3 結 論

(1) 在不同固結壓力、不同干密度、不同振動頻率下，在周期性荷載作用下，隨著動應力的增加，動應變隨之增大，動剪應力-剪應變關系呈雙曲線型。

(2) 動剪切模量隨動剪應變的增加而減小。動剪切模量與動應變關系曲線呈階段性的變化特征，在加載初期動應變幅值較小的情況下，隨著動應變的增加，動剪切模量迅速減小；在應變幅值較大的情況下，動剪切模量隨著應變的增加緩慢下降。

(3) 動剪切模量的倒數(shù)與動應變幅值呈線性關系。

(4) 在振動頻率、干密度相同條件下，固結壓力的大小對土體的最大動剪切模量有明顯影響，隨著固結壓力、振動頻率、干密度的增大，殘坡積土最大動剪切模量增大。

(5) 阻尼比隨著動剪應變的增加而增大。

(6) 非飽和殘坡積土的動剪模量和最大動剪模量較飽和土大，阻尼比較飽和土小。