不同類型殘積紅土的動力特性對比研究
周志彬1，周志國2 ，張竹軍1，符必昌2，繆澤錕1
（1.中建四局第五建筑工程有限公司，昆明650220
2.昆明理工大學國土資源工程學院，昆明650093）
摘要:我國西南地區(qū)廣泛發(fā)育紅土，紅土作為工程建設地震多發(fā)地帶的地基，對其動強度特性研究是非常有必要的。本文在固結不排水情況下對比分析了玄武巖殘積紅土、砂巖殘積紅土在固結圍壓、固結比件下的動力特性。結果表明: 兩種紅土試樣在最優(yōu)含水率下，變形試驗中有屈服界點，在屈服應變界點之前土體呈現(xiàn)的是硬化，之后是軟化。同圍壓下，玄武巖殘積紅土動剪切模量小于砂頁巖殘積紅土。不同固結比下，玄武巖殘積紅土動剪切模量大于砂頁巖殘積紅土；同等動應變下，砂頁巖殘積紅土所需的動應力要比玄武巖殘積紅土要大。不同固結比下，砂頁巖殘積紅土的阻尼比隨動應變的增大有明顯的增大趨勢。同等應變下，兩種紅土的阻尼比相差不大；同等圍壓下，隨固結比增大破壞強度是減小；同等固結比下，固結圍壓的增大破壞強度越強。在固結比KC=1時，玄武巖、砂頁巖殘積紅土的動抗剪強度指標分別為cd=56.965kPa，φd=6.175° ；cd=25.182kPa，φd=12.985°由此看出兩種紅土動力特性存在較大差異，對不同類型紅土進行動力特性研究對昆明多震地帶工程建設有指導意義。
關鍵詞：動三軸試驗；殘積紅土；動剪切模量；阻尼比；動抗剪強度指標
0 引言
如今，昆明長水機場已是中國八大區(qū)域樞紐機場 、國際航空樞紐 ，國家門戶樞紐機場，機場周邊工程建設也在如火如荼進行。昆明長水機場廣泛發(fā)育不同類型的紅土，紅土作為此區(qū)域建筑地基主體，因此對紅土的工程試驗研究必不可少。根據(jù)相關文獻表明[1] [2] [12] [16],符必昌認為紅土具有很強的紅土化作用，這種作用的最終結果是使呈整體膠結的紅土塊體變成了由微細團粒-結構單元體組成的松散狀土體，勢必會導致各種地質(zhì)災害的發(fā)生。云南地震活動以地震多、分布廣、震級高、震源淺、災害重為特點。動強度特性研究將對云南這個地震多發(fā)地帶的地區(qū)尤為重要，也將為此區(qū)域抗震設計提供重要的參考價值。
目前，國內(nèi)外學者對紅土工程力學方面有著顯著的研究成果，王敉鵬[7]以重塑紅土為對象，采用雙向動荷載進行研究，分析了含水率、固結應力等因素下的動力特性。程富陽[8]以云南昆明世博園紅土為對象，開展動力三軸試驗，分析了飽和紅土在干濕循環(huán)條件下的動力特性。陽衛(wèi)紅[5] [11]以南昌紅土為研究對象，通過動三軸試驗，分析了在不同固結比、固結圍壓下的動力特性并結合了靜三軸對比分析。根據(jù)此區(qū)域地勘報告表明[16]，紅土的物理力學性質(zhì)相差懸殊，勢必會對工程設計帶來很大的誤導，所以必須系統(tǒng)的對紅土進行分類[12]?；谀壳拔墨I，對于不同類型紅土的動力特性研究甚少，所以對不同類型紅土的動力特性研究尤為必要。
1 試驗土樣和方案
1.1試驗土樣
本文試驗土樣取自昆明長水機場東部區(qū)域玄武巖殘積紅土、砂頁巖殘積紅土，所其取土深度大多在離地表以下6～7m范圍內(nèi)，為保證紅土樣物理性質(zhì)的一致性，其土樣都取自于同一層。表1為土樣的物理力學性質(zhì)指標。
表1 兩種殘積紅土的基本物理力學性質(zhì)指標
1.2 試驗方案
依據(jù)《土工試驗方法標準》（編號）[13]，制成尺寸直徑 39.1mm,高度 =80mm的圓柱體。試驗土樣采用擊實試驗，玄武巖、砂頁巖殘積紅土土樣最大干密度分別為1.41g/cm3，1.38 g/cm3；最優(yōu)含水率43%，38%。試驗采用SDT -20微機控制的電液伺服土動三軸裝置進行動三軸試驗，首先對試樣進行等向固結（KC=1，采用固結不排水），當試驗的體變值在5 min之內(nèi)不再增加且軸向變形量小于0.01mm時認定達到固結標準狀態(tài)。不等向固結（KC=1.2、KC=1.4采用固結不排水），5 min之內(nèi)軸向變形不超過 0.005mm。為了更加系統(tǒng)的研究兩種不同類型紅土的動力特性，試樣固結圍壓分別采用100kPa、200kPa、300kPa，每個固結圍壓，固結比下采用4個土樣，總計144個樣品，具體試驗方案見表2。
表2 兩種紅土固結不排水動三軸試驗方案
2 變形試驗結果及分析現(xiàn)將對已固結試樣進行動荷載進行變形試驗。依據(jù)《土工試驗規(guī)程》[14]，試驗參數(shù)采用1Hz的動荷載頻率，振動波形采用正炫波模擬。同一個試樣上動應力由小到大逐漸增加，振動過程中記錄動應力、動應變。每次動應力振動次數(shù)為5～10次。特別是在變形較小的階段，即較小荷載水平下多做幾級荷載試樣，以便精準確定小變形下的阻尼比和動模量。
2.1應力-應變關系
根據(jù)試驗數(shù)據(jù)整理，可得兩種紅土的動應力-動應變關系曲線圖。圖1、2表明，兩種紅土的動應力-動應變關系曲線均符合理想的雙曲線模型。兩種紅土在在振動循環(huán)存在屈服界點，且在達到屈服應變之前土體呈現(xiàn)為硬化，屈服后呈現(xiàn)的是軟化。同樣的應變水平，當圍壓增大時，動應力也隨之增加。主要不同在于產(chǎn)生相同的動應變情況下，砂頁巖殘積紅土比玄武巖殘積紅土所需要的動應力要更大。根據(jù)圖3、4對比可知，在同等圍壓下，隨著固結比的不斷增大，而所需要動應力卻逐步減小。
2.2動剪切模量
在研究土的動力特性時，動彈性模量是一個必不可少的特征參數(shù)，它可以表示出土體在彈性變形過程的動應力-動應變關系曲線。因此本論是通過土樣在每一次循環(huán)動荷載作用下的滯回曲線來計算殘積紅土試樣的動彈性模量，如式1為計算公式。由于動應力與動應變（σd-εd）關系與動剪應力與動剪應變（τd-γd）關系具有相同的規(guī)律，即可以通過式2和式3換算出殘積紅土試樣的動彈性模量Gd與動剪切應變γd。
式中：
qdmax:每一周期循環(huán)荷載下土樣的最大循環(huán)動應力；
qdmin:每一周期循環(huán)荷載下土樣的最小循環(huán)動應力；
εdmax:每一周期循環(huán)荷載下的最大動應變；
εdmax:每一周期循環(huán)荷載下的最小動應變。
μ為殘積紅土試樣的泊松比，由于飽和黏土在不排水條件下的泊松比接近0.5，故本文試樣中取泊松比μ=0.5。
由圖5、6可知，兩種紅土的Gd～γd關系曲線基本一致。都是隨著動彈性應變的不斷增大，動彈性模量隨之減小并逐漸趨平；在相同應變條件下，當固結圍壓逐步增大時，動彈性模量也逐漸增加。不同圍壓條件下，玄武巖殘積紅土動剪切模量要小于砂頁巖殘積紅土。是因為砂頁巖殘積紅土是以粉粒狀態(tài)為主，級配不良，才使得物理力學性質(zhì)與砂土很相似。根據(jù)圖7、8可知，兩種紅土隨著固結比逐步增大，動彈性模量減小。不同固結比下，玄武巖殘積紅土動剪切模量要大于砂頁巖殘積紅土。
2.3阻尼比參數(shù)
阻尼比是衡量一周循環(huán)荷載內(nèi)土體能量的損耗特性，是研究紅土動力三軸試驗過程中必不可少的參數(shù)。結合動剪切模量和阻尼比兩個參數(shù)可以確定滯回圈的大小及形狀。
根據(jù)試驗數(shù)據(jù)可得圖9、10，阻尼比會隨著固結圍壓的增大而增大，砂頁巖殘積紅土表現(xiàn)的更加明顯。根據(jù)圖11、12可知，在不同固結比下，砂頁巖殘積紅土的λ-γd關系中阻尼比隨著動應變的增大有著更加明顯的增大趨勢。在同等應變水平下，兩種紅土的阻尼比相差不大。
3 強度試驗結果及分析
3.1動強度特性
動強度是指在一定動荷載循環(huán)作用次數(shù)N下產(chǎn)生某一指定破壞應變ε或滿足某一破壞準則所需的動應力。通常，對于飽和土的固結不排水動強度試驗，常用變形達到破壞應變作為其破壞標準，即所謂的“應變標準”。本論文試驗為飽和紅土的固結不排水動強度試驗，因此將軸向變形，即ε= 5% 作為試樣破壞標準[4] [14]。根據(jù)試驗可得兩種紅土在不同固結圍壓和不同固結比條件下σd～㏒Nf擬合關系曲線。
由圖13、14可知兩種紅土的振動破壞次數(shù)隨著動應力的增加而減小。當破壞次數(shù)一定時，隨著固結圍壓的增大，其破壞所需要的動應力也相應增大，這也和圖1、2在不同圍壓下的動應力與動應變關系曲線相對應，在相同的加荷振動次數(shù)和動應力下，隨著固結圍壓的增大，試樣產(chǎn)生的動應變會隨之減小，試樣要達到破壞標準則需加更大的動應力值。在相同的破壞振動次數(shù)下，動應力隨著固結比的增大反而減小。主要原因是因為施加的固結比越大時，施加的軸向荷載越大，即在施加軸向荷載越大的試樣下，只需施加更小的動荷載即可達到破壞標準。所表現(xiàn)出來的便是在相同的破壞振動次數(shù)下，動應力隨著固結比的增大反而減小。
3.2動抗剪強度指標
根據(jù)研究表明，莫爾-庫倫定理也可以在土動力學中成立。由于土的動應力可以由等效循環(huán)次數(shù)來確定，當昆明抗震設防等級為8時（根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》（GB 50011-2010））[15]，由莫爾-庫倫抗剪強度理論可知：
τ=cd+σtanφd 式 （4）
在固結比一定的動強度曲線圖中，取三個不同圍壓條件下與某一破壞振次相對應的破壞動強度σd。令σ1d=σ1c+σd，σ3d=σ3c。其中，σ1c=Kcσ3c，σ3c為試樣的固結圍壓，樣本在該固結圍壓下出現(xiàn)的動力破壞高低主應力分別由σ1d，σ3d表示，固結比是Kc。動莫爾圓可分別由σ1d，σ3d繪制出，動抗剪強度包絡線可由三個動莫爾圓繪制出。圖17、18是固結比Kc=1時，兩種紅土的動抗剪強度包絡線。
由圖17、18可知，兩種紅土在最優(yōu)含水率試驗條件下，玄武巖殘積紅土的動抗剪強度指標與砂頁巖殘積紅土的動抗剪強度指標進行比較，玄武巖殘積紅土的動黏聚力Cd是砂頁巖殘積紅土的動黏聚力Cd的2倍多，而砂頁巖殘積紅土的動內(nèi)摩擦角φd是玄武巖殘積紅土的動內(nèi)摩擦角的2倍多?？芍獌煞N殘積紅土分別在最優(yōu)含水率時，玄武巖殘積紅土的動強度明顯大于砂頁巖殘積紅土的動強度。究其原因與紅土物質(zhì)成分及微觀結構有密切關系。這也和表2相對應，玄武巖殘積紅土團粒主要是以黏膠粒為主，表現(xiàn)出高黏聚力、較低摩擦角的特點，而砂頁巖殘積紅土團粒主要是以粉粒為主，表現(xiàn)出黏聚力相對較低，摩擦角相對較高的特點。
4 結論
（1）通過一系列動力三軸試驗，可知兩種紅土在變形試驗中有屈服界點，在屈服應變界點之前土體呈現(xiàn)的是硬化，之后是軟化。不同點在于要產(chǎn)生相同的動應變情況下，砂頁巖殘積紅土比玄武巖殘積紅土所需要的動應力要大。
（2）不同圍壓條件下，玄武巖殘積紅土動剪切模量要小于砂頁巖殘積紅土。不同固結比下，玄武巖殘積紅土動剪切模量要大于砂頁巖殘積紅土。
（3）兩種紅土阻尼比會隨著固結圍壓的增大而增大，砂頁巖殘積紅土表現(xiàn)的更加明顯，在不同固結比下，砂頁巖殘積紅土的阻尼比隨著動應變的增大有著更加明顯的增大趨勢。在同等應變水平下，兩種紅土的阻尼比相差不大。
（4）兩種紅土圍壓同等下，隨著固結比增大破壞強度是越來越??；在固結比同等條件下，隨著固結圍壓的增大破壞強度是越強。玄武巖殘積紅土的動黏聚力Cd是砂頁巖殘積紅土的動黏聚力Cd的2倍多，而砂頁巖殘積紅土的動內(nèi)摩擦角φd是玄武巖殘積紅土的動內(nèi)摩擦角的2倍多。由此看出兩種紅土動力特性存在較大差異，對不同類型紅土進行動力特性研究對昆明多震地帶工程建設有指導意義。
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作者簡介：周志彬（1992-06），男，碩士研究生。聯(lián)系電話：15946969899 Email:15946969899@163.com
