不同含水量下原状黄土动强度和震陷的试验研究
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Jou rnal of Engineering Geology 工程地质学报 1004-9665/2007/15(05)20694206 不同含水量下原状黄土动强度和震陷的试验研究3栗润德① 张鸿儒① 白晓红② 梁仁旺② 闫凤翔②(①北京交通大学土木建筑工程学院 北京 100044)(②太原理工大学土木建筑工程学院 太原 030024)摘 要 对原状黄土进行动三轴试验,探讨了黄土的动强度和震陷随含水量的变化规律。
试验结果表明,塑限含水量可作为黄土动强度和震陷的界限含水量,小于塑限的含水量变化对震陷临界动应力和动粘聚力的影响非常显著,大于塑限的含水量变化对其影响微弱,而动摩擦角不受含水量的影响。
通过对震陷曲线的定量分析,说明有必要对黄土的震陷性进行分类。
关键词 黄土 动强度 震陷 含水量 动三轴试验中图分类号:P642.13+1 文献标识码:ADY NAM I C SHEAR STRENGTH AND SE I S M I C SUBS I D ENCE O F I NTACT LO ESS W I TH D I FFERENT W ATER CO NTENTS FR OM DY NAM I C TR I AX I2 AL TEST I NGL I Runde① Z HANG Hongru① BA I Xiaohong② L I A NG Reng wang② Y AN Fengxiang②(①School of C ivil Engineering&A rchitecture,B eijing J iaotong U niversity,B eijing 100044)(②School of C ivil Engineering&A rchitecture,Taiyuan U niversity of Technology,Taiyuan 030024)Abstract Dyna m ic p r operties of intact l oess are studied thr ough laborat ory dyna m ic triaxial tests;and variati ons with water contents are discussed of its dyna m ic shear strength and seis m ic subsidence.Test results show that water content has a maj or influence on the dyna m ic p r operties of intact l oess.W hen taking p lastic li m it as a bound,varia2 ti on of water content s maller than p lastic li m it hasmaj or influence on dyna m ic cohesi on and seis m ic subsidence crit2 ical stress;while variati on of water content greater than p lastic li m it has very m inor influence on the m.L ittle influ2 ence has variati on of water content on dyna m ic fricti on angle.Thr ough regressi on analysis of seis m ic subsidence curves,it is showed that seis m ic subsidence needs t o be considered int o l oess classificati on.Key words Loess,Dyna m ic shear strength,Seis m ic subsidence,W ater content,Dyna m ic triaxial test1引 言黄土是第四纪地质历史时期干旱气候条件下的沉积物,在我国的分布面积为64万km2,占国土总面积6.6%,多分布于陕甘宁晋。
黄土作为一种特殊的非饱和土,其自然界的分布状态为不饱和状态,时而经历增湿(降雨、入渗等)和减湿(蒸发等)过程。
含水量的变化是影响其变形-强度特性的重要因素[1]。
土的动强度在抗震设计中具有重要意义,而黄土经受地震大动荷时,震陷是一个比强度更为突出的问题[2]。
许多学者对黄土的动力特性进行了研究,取得了一系列有意义的成果[1～4,8～13],然而黄土3收稿日期:2006-12-12;收到修改稿日期:2007-04-19.第一作者简介:栗润德,主要从事土动力学及岩土工程抗震研究.Email:lrdbjut@s 远不及砂土和粘土尤其是饱和砂土的研究程度,不同含水量下黄土的动强度和震陷的研究成果则更少。
本文对太原地区的原状黄土在不同初始含水量下研究其动强度和震陷随含水量变化的规律,对抗震设计、防灾减灾具有指导意义。
鉴于黄土的区域性及沉积环境的相似性,该成果有利于加深对黄土动力特性的认识,并为黄土地区的一般工程建设场地的抗震设计提供参考。
2 试验简介试验所用土样取自有代表性的太原东山原状黄土,块状样边长25c m,位于同一层,取样深度5m,属Q3黄土。
其比重为2.70,天然含水量11.4%,干密度1.28g・c m-3,塑限20.5%,液限29.3%(表1)。
表1 土样的物理性质指标Table1 Physical index of l oess s peci m en比重天然含水量/(%)干密度/g・m-3塑限/(%)液限/(%)塑性指数孔隙比颗粒组成/(%)>0.05(mm)0.05～0.005(mm)<0.005(mm)2.7011.4 1.2820.529.38.8 1.10957.922.120配制不同含水量的试样,试样直径取39.1mm,高80mm。
含水量的配制采用水膜转移法和自然风干法[3]。
配制的含水量为:5%,10%,15%,20%, 25%,30%。
试验仪器为DDS-70微机控制电磁式振动三轴试验系统。
试验采用等效循环荷载,采用逐级加荷方案[4]。
模拟地震设防烈度Ⅷ度区地震[5],固定振次N=10和频率f=1Hz。
分别在3种不同围压100kPa、150kPa、200kPa下逐级加动荷,直到试样发生破坏。
固结应力比Kc取1.69,这是因为震陷性黄土的内摩擦角一般约为24°(本次实测为19°～25°),由此确定的固结应力比为1.69,而且也便于与以往的研究成果作对比分析(以往的研究中Kc多取为1.69)。
3 试验结果与分析3.1 动强度试验3.1.1 动强度的定义及破坏标准目前岩土的动强度还没有一个统一的定义,通常动强度是指土试样在预定振次的振动作用下,产生某一指定应变所需的动应力。
文献[6]对动强度的定义更为严谨:某种静应力状态下,周期荷载使土试样在某一预定振次下发生破坏,这时土试样45°面上动剪应力幅值σd/2叫做土的动强度。
文献[7]将岩土的动强度定义为:所谓岩土的动强度是指其试样在动荷载作用下达到破坏时所对应的动应力值,如何定义破坏标准,则根据动强度试验的目的和对象而定,通常的法则是以某一极限(破坏)应变值为准。
文献[8]对非饱和原状黄土的研究中指出,这一指定应变分别取为屈服应变和3%较为合理;当做出的应力-残余应变曲线上屈服点很明显时,试样破坏应变应取屈服应变;当固结压力较大时,做出的应力-残余应变曲线上屈服点一般不太明显,但一般当积累残余应变达3%左右时,应力波形有畸变现象,说明试样已发生破坏,故在这种情况下将破坏应变确定为3%。
本文的研究在综合前人有关动强度定义、本次研究目的和特点的基础上,将不同湿度下原状黄土的动强度定义为:周期荷载使土试样在预定振次下发生破坏所需的动应力。
这里动强度的定义中,破坏振次预先给定,而要确定需多大动应力才能使试样产生破坏;破坏标准并不是“指定应变”,而是以土试样产生破坏为标准。
破坏标准没有指定应变,这是因为不同湿度下的黄土产生破坏的应变值相差很大,而且受围压的影响显著。
本文的动强度试验的破坏标准参考文献[8]的方法,但没有指定应变,而统一以应力波形产生畸变时的动应力作为破坏动应力。
3.1.2 动强度随含水量的变化规律以上述方法确定的破坏动应力σdf随含水量w 的变化关系见图1。
可以看出,太原黄土破坏动应力随含水量的变化显示出很好的规律性:59615(5) 栗润德等:不同含水量下原状黄土动强度和震陷的试验研究图1 破坏动应力与含水量的关系Fig.1 Relati on bet w een dyna m ic failurestressand water content(1)破坏动应力在3个不同的围压下均随含水量增加而减小,在含水量20%以前曲线较陡,破坏动应力前后相差最大可达74.3%;含水量20%以后曲线有变缓的趋势,破坏动应力前后相差最小仅为6.4%。
考虑到本次试验的塑限含水量为20.5%,因此得出结论:以塑限含水量为界限,太原黄土含水量小于塑限含水量时,破坏动应力随含水量增加而降低的幅度大;太原黄土含水量大于塑限含水量时,破坏动应力随含水量增加而降低的幅度较小。
这个结论与文献[4]所得出的一致(文献[4]是在塑限含水量15%时得出的)。
可以引用文献[4]的解释:“在达到塑限含水量以前,原状黄土保持了较高的结构强度,这种结构强度随含水量的增大急剧降低,而在塑限含水量以后黄土的结构强度绝大部分已经丧失,含水量的影响程度也大大降低,所以在塑限含水量以前测得的破坏动应力明显较高且随含水量变化剧烈,塑限含水量以后测得的破坏动应力明显变低且随含水量变化降低缓慢”。
(2)对应于特定的含水量,破坏动应力随固结压力的增大而增大。
一般土的测试结果,动强度都是随固结压力和固结应力比的增加而增加,本次试验的固结应力比不变,因此试验结果符合一般性结论。
土的动强度指标cd 、φd可用于静力和动力共同作用下土体的整体稳定性分析,根据本次试验破坏动应力、固结压力和固结应力比Kc可以求出破坏振次Nf=10时的动强度指标c d、φd。
具体方法如下:对于某一特定的含水量,某一围压下σ3已知,则σ1=K c・σ3,由图1可确定相应的破坏动应力σdf;在τ-σ坐标系中,以{(σ1+σdf+σ3)/2,0}为圆心,(σ1+σdf+σ3)/2为半径做动静合成摩尔应力圆;特定含水量下3个围压可用上述方法作出3个动静合成摩尔应力圆,然后作出动抗剪强度包线,量出动抗剪强度指标cd、φd。
