1、第36卷第11期2010年11月北京工業大學學報J OURNA L O F BE IJI NG UN I V ERS I TY OF TEC HNOLOGYV o.l 36N o .11N ov .2010循環荷載作用下非飽和擊實粉土變形特性的試驗研究彭麗云,李 濤,劉建坤(北京交通大學土木建筑工程學院,北京 100044摘 要:采用GDS 非飽和土三軸儀,對循環荷載作用下的非飽和擊實粉土樣進行了控制吸力三軸排水剪切試驗,研究了吸力、圍壓和動應力幅值對土樣的變形特性的影響.試驗結果表明:在相同動應力幅值和相同凈圍壓下,吸力的增加提高了土體抵抗動變形的能力;在相同的凈圍壓和吸力下,動應力幅值較小

2、時,土樣產生彈性變形且變形最終趨于穩定,動應力幅值較大時,經過一定的循環次數后土樣達到破壞;凈圍壓對試樣的變形特性影響顯著,圍壓較大時土樣有較小的彈性變形,圍壓較小時土樣發生明顯的塑性變形.關鍵詞:非飽和土;三軸試驗;循環荷載;吸力;應變特性中圖分類號:TU 441文獻標志碼:A文章編號:0254-0037(201011-1504-06收稿日期:2008-11-24.基金項目:國家自然科學基金資助項目(50579002,50678020.作者簡介:彭麗云(1979 ,女,甘肅臨夏人,博士后.非飽和土分布十分廣泛,與工程實踐密切聯系的地表土幾乎全都是非飽和土.干旱與半干旱地區,由于蒸發量大于降水

3、量,這些地區的表層土是嚴格意義上的非飽和土;路基、土壩等的壓實填土和基坑開挖后的回填土也都處于非飽和狀態.近年來,隨著我國現代化建設的快速發展,與非飽和土的動態力學性質相關的工程問題已經開始顯現出來,比如西部地區的鐵路和公路超高土或土石混填路基修筑時的擊實可靠性、重載和高速鐵路路基在列車動荷載作用下的變形穩定性、黃土和膨脹土地區結構物地基在地震荷載作用下的穩定性等.因此,開展非飽和土的動態力學特性的試驗和理論研究不僅對土力學學科的發展具有促進作用,而且對解決與非飽和土有關的巖土工程問題也具有重大的現實意義.對土的動態力學性質的研究,目前大部分工作主要針對飽和土,對動態荷載作用下非飽和土力學性質

4、的研究,由于試驗和理論分析上的困難,現在還處于起步階段.目前的研究主要從2個方面展開,一是采用純理論的方法對非飽和土的動態力學行為進行數值模擬;二是采用試驗研究的方法.其中,Papp i n 等1用振動三軸儀研究了非飽和粗粒土內的有效應力在循環荷載下的變化;M eissner 等2-4通過吸力控制的固結和動三軸試驗對擊實高嶺土樣進行了較深入的研究,探討了循環加載過程中吸力的變化對非飽和土動態力學性質的影響.本文采用GDS 非飽和三軸儀對循環荷載作用下的非飽和擊實粉土樣進行了控制吸力的三軸排水剪切試驗,研究了吸力、圍壓和動應力幅值對非飽和擊實粉土應力應變特性的影響.1 試樣制備及試驗方案1 1

5、試驗土樣試驗用土為京九鐵路濟南局管段聊城段的粉土,該土是黃河高含砂的懸浮液在水力作用下,經過搬運、絮聚和聚沉而形成的一類特殊土,廣泛分布在我國黃河沖積流域.該土呈深灰色細粒狀,塑性指數低、黏性小、粒徑集中,具有松散、透水、黏聚力低的特點,工程性質較差.試驗用土樣為直徑38 1mm,高80mm 的圓柱型試樣,分5層進行擊實.試樣重度控制在2 0g /c m 3,含水量為17 9%,相應的飽和度為78%.表1給出了土樣的部分物理性質參數.第11期彭麗云,等:循環荷載作用下非飽和擊實粉土變形特性的試驗研究表1 黃河沖積粉土的主要物理指標Tab le 1I nd ex properties of th

6、 e Ye llo w R i ver alluvi a l silts相對密度液限含水量/%塑限含水量/%塑性指數粒徑組成/%>0 05mm0 050 005mm<0 005mm2 73425 916 19 810 970 618 51 2 試驗方案由于非飽和土試驗相當費時,為研究吸力、凈圍壓和動應力幅值對非飽和擊實粉土動應變特性的影響,試驗中僅采用了3種不同的吸力50、100、200kPa ;3種不同的凈圍壓50、100、150kPa ;2種動應力幅值250、320kPa .2 試驗儀器設備試驗采用英國的GDS 非飽和土三軸剪力儀,該儀器的硬件配置包括1個三軸壓力室、3個壓力體

7、積控制器(圍壓、反壓和氣壓、4個傳感器(位移、軸力、孔隙水壓和孔隙氣壓力、1個數據交換器和1臺電腦.該測試系統的控制軟件可實現四維控制,即獨立、任意地控制4個參變量(圍壓、軸壓、孔隙氣壓和孔隙水壓.該儀器的基本功能是進行控制吸力下的靜三軸試驗及多種應力路徑試驗.圖1 GDS 三軸儀F ig .1 GDS triax i a l apparatus該非飽和土三軸儀利用軸平移技術來控制試樣中的吸力.氣壓控制器通過細合成塑料管與試樣帽相連,由試樣帽上預留的孔道將其內的氣體與試樣中的孔隙氣連為一體.氣壓控制器用于測量、控制土樣中的孔隙氣壓和整個系統中氣體體積的變化.在土樣底座與試樣接觸的部位(見圖1設

8、置進氣值為0 5M Pa 的高進氣值陶瓷板,用來保證從反壓控制器施加的水能自由流通于土樣之中,而由試樣頂部氣壓控制器施加的氣體不能排出土體.當試樣兩端控制的孔隙氣(水壓與土樣內部孔隙氣(水壓平衡時,試樣中的吸力(u a -u w 就等于所控制的吸力,其中,u a 為施加在土樣上的孔隙氣壓力,u w 為施加的孔隙水壓力.為使該非飽和三軸儀能實現循環加載,本研究中對其內置的高級加載模塊進行了改進,最終成功實現了循環荷載作用下控制吸力的三軸排水剪切試驗.3 試驗方法循環荷載作用下非飽和土的三軸試驗包括3個階段:吸力平衡、等吸力固結和循環荷載作用下的排水剪切.吸力平衡是通過控制孔隙氣壓和孔隙水壓來改變

9、試樣原有的吸力,并使吸力在整個試樣中均勻分布.在土樣上施加孔隙氣(水壓力之后,監測反壓(氣壓控制器顯示的水(氣體積讀數的變化,當24h 內測得的試樣排水或吸水量小于試樣體積的0 05%5-6時,判定吸力達到平衡.就該粉土而言,吸力穩定時間為23d .在等吸力固結階段,吸力(u a -u w 、凈圍壓( 3-u a 保持不變,土樣發生排水排氣固結.為了使試樣中的吸力真正保持不變,等吸力固結階段應采用勻速加載法,使圍壓以一個很小的速率線性增加,加壓速率為7R L =2c w v u li m /h2(11505北 京 工 業 大 學 學 報2010年式中,R L 為加壓速率;u li m 為試樣頂

10、部的超孔隙水壓力的界限值,可取所控制吸力的10%;c wv 是非飽和土樣中水相的固結系數;h 是試樣的高度.等吸力固結完成之后,在此恒定的吸力下,對土樣施加頻率為0 001H z 的周期循環荷載,進行排水(氣循環三軸剪切試驗,剪切過程中通過氣壓控制器和反壓控制器的微小補充使土樣中的吸力始終保持恒定.4 循環荷載作用下非飽和擊實粉土樣的變形特性4 1動應力幅值和凈圍壓相同但吸力不同 圖2 循環加載曲線F i g .2 Cyc li c l oad i ng curves加載采用圖2中所示的頻率為0 001H z 且動應力幅值 d =250kPa 的正弦循環荷載.圖3給出了在該循環荷載作用下非飽和

11、擊實粉土樣在同一凈圍壓( 3-u a =100kPa 但不同吸力作用下的偏應力( 1- 3與軸向應變 1的關系曲線.從圖3中可以看出,在經歷10次動循環作用后,吸力s =50kPa 的土樣的應變范圍為1 8%3 3%;吸力s =100kPa 的土樣的應變范圍為1 2%2 1%;吸力s =200kPa 的土樣的應變范圍為0 9%1 7%.可見應變范圍隨吸力的增加而減小;此外,土樣滯回圈的面積也隨著吸力的增加而減小;上述現象說明吸力的增加提高了土體抵抗動變形的能力. 圖3 不同吸力下非飽和土樣的應力-應變曲線F i g .3 Stress and strain curv es at d iffer

12、en tm atric sucti ons圖4 不同吸力下非飽和土樣的應變-時間曲線F ig .4 S train and ti m e curves at d ifferen tm atric sucti ons對非飽和土而言,從宏觀上看吸力的增加使土體的抗剪強度增大,從微觀上看吸力的增加增大了土體毛細區內收縮膜在土結構內產生的壓應力7.吸力越大,這種由于收縮膜的存在而施加在土體顆粒間的壓應力就越大,土顆粒之間越緊密,在沒有外界水分侵入改變其毛細狀態的前提下,土樣整體抵抗變形的能力增強.因此,在相同的外荷載作用下,吸力較大的土體產生較小的變形.由于吸力的大小等于土樣孔隙氣壓力和孔隙水壓力之差

13、,土樣中孔隙水壓力的增加或孔隙氣壓力的減小均能使吸力減小,且上述2種方法的最終結果均使土樣中的含水量增加,水分的入侵減小了這種存在于土體顆粒之間的 似凝聚力 ,破壞了土體原來的孔隙狀態,此時土體抵抗外力的能力大大減弱,在相同的外荷載作用下,會產生較大的變形.圖4給出了不同吸力下,土樣的應變與循環荷載作用時間的關系曲線.從圖4中可以看出,隨著吸力的增加,土樣的應變減小;且吸力的增加對土樣應變1506第11期彭麗云,等:循環荷載作用下非飽和擊實粉土變形特性的試驗研究的影響程度減弱,具體表現為s =100kPa 與s =200kPa 土樣的應變-時間關系曲線比較接近,這說明吸力的進一步增加對土樣的應

14、變不會產生太大影響.由此可以推斷,土樣的應變不會隨著吸力的增加而無限減小,最終會穩定在一定的范圍之內.低吸力土樣的應變曲線較高吸力土樣的應變曲線陡峭,說明在相同的動應力幅值條件下,吸力較小的土樣更容易出現破壞.此外,在相同吸力狀態下,土樣的應變隨循環荷載作用時間即循環周數的增加而增大.4 2 凈圍壓和吸力相同但動應力幅值不同圖5給出了動應力幅值 d 分別為250kPa 和320kPa 時,非飽和擊實粉土樣在同一凈圍壓( 3-u a =100kPa和同一吸力(s =100kPa作用下的( 1- 3與 1關系曲線. 圖5 不同動應力幅值下非飽和土樣的應力-應變曲線F i g .5 Stress a

15、nd strain curves at d ifferent dyna m i c stresses從圖5中可以看出,在經歷10次動循環作用后, d =250kPa 的土樣的應變范圍為1 2%2 1%, d =320kPa 的土樣的應變范圍為2 1%5 0%,應變范圍隨動應力幅值的增大而大幅增加.若以應變達到5%作為判定土樣破壞的標準,動應力幅值為320kPa 時,循環10周后土樣即達到破壞.此外,土樣滯回圈的面積和骨干曲線的斜率也隨著動應力幅值的增加而增大.總的來講,動應力幅值對非飽和土樣的動力特性影響顯著,當動應力幅值較小時,土樣出現較小的彈性變形;而動應力幅值較大時,土樣的累積塑性變形隨

16、之增加.雖然在力學分析中總把土作為連續介質看待,但實際上土是由土顆粒所構成的土骨架和孔隙中的水和氣共同組成的.由于土顆粒之間的連結較弱,土骨架并不穩定.當動荷載很小時土顆粒之間的連結幾乎沒有遭到破壞,土骨架的變形能恢復,并且土顆粒之間相互移動所耗損的能量也很少, 這時土處于彈性圖6 不同動應力幅值下非飽和土樣的應變-時間曲線F i g .6 Strain and ti m e curves at d ifferent dyna m i c stresses狀態.隨著動荷載的增大土顆粒之間的連結遭到破壞,土骨架產生了不可恢復的變形,并且土顆粒之間相互移動所耗損的能量也增大,土越來越表現出彈性或塑

17、性性能.最后,當動荷載增大到一定程度時,土顆粒之間的連結幾乎完全破壞,土處于破壞狀態.圖6給出了上述動應力幅值下,非飽和擊實粉土的應變與循環荷載作用時間的關系曲線.試驗結果表明,其應變隨循環荷載作用時間的增加而累積增長.另外, d =250kPa 和 d =320kPa 時的關系曲線表現出不同的性質.前者曲線平緩,有趨于穩定的趨勢;后者陡峭,應變在超過5%后,仍呈現出繼續增加的趨勢.4 3 吸力和動應力幅值相同但凈圍壓不同文獻8-9研究了凈圍壓對土樣動力特性的影響,但都是針對飽和土而言.圖7給出了不同的凈圍壓( 3-u a 作用下,非飽和擊實粉土樣在同一吸力(s =100kPa和同一動應力幅值

18、( d =250kPa作用下的1507北 京 工 業 大 學 學 報2010年( 1- 3與 1的關系曲線. 圖7 不同凈圍壓下非飽和土樣的應力-應變曲線F i g.7 Stress and stra i n curves at d iffe rent ce llpressure 圖8 不同循環周數下應變-凈圍壓曲線F i g .8 Curves of stra i n and ne t cell pressureat d ifferent cyclic numbers從圖7中可以看出,凈圍壓對非飽和土樣應變特性的影響顯著,凈圍壓較大時,土樣表現為較小的彈性變形;當凈圍壓較小時,土樣的累積塑性

19、變形隨之增加,永久變形增大.說明凈圍壓的增加提高了土體的抵抗變形的能力.圖8為不同循環周數下,非飽和擊實粉土樣的應變和凈圍壓的關系曲線.從圖8中可以看出,在相同循環周數下,隨著凈圍壓的增加,土樣的應變減小;在相同凈圍壓下,土樣的應變隨循環周數的增加而增大,且較小凈圍壓時的增加值遠遠大于較大凈圍壓時的增加值.5 結論1在相同動應力幅值和凈圍壓下,吸力的增加提高了土體抵抗變形的能力,但土樣的應變不會隨著吸力的增加而無限減小,最終會穩定在一定范圍之內.2在相同的凈圍壓和吸力狀態下,動應力幅值較小時土樣產生彈性變形且變形最終趨于穩定;當動應力幅值較大時,經過一定的循環次數后土樣逐漸趨于破壞.3在相同吸

20、力和動應力幅值下,凈圍壓較大時土樣出現較小的彈性變形,凈圍壓較小時土樣的塑性變形增大,凈圍壓的增加亦提高了土體抵抗變形的能力.參考文獻:1PAPP I N JW,BROW N S F,O REILLY M P .E ffec tive stress behav iour o f satura ted and patiall y sa t urated granulat m ate rialsub jected t o repeated load i ngJ.G o techn i que ,1992,42(3:485-497.2M E ISSNER H,BECKER T.M ater i a

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27、on Property of Unsaturated Com pacted Silts Under Cyclic Loading PENG L -yun L I T ao, L I Jian-kun i , U ( Schoo l of C iv il Eng ineer ing Beijing J iaotong U n iversity Be ijing 100044, Ch ina , , Abstract Through the cyclic triax ial CD tests o f com pacted silts under contro lled m atric suctio n by using an : unsaturated GDS triax ial apparatus th e deform ation property analysis w as m ade on the silts under cyclic load ing, , and the in fluence o f m atric suct io n net ce ll pressure and dynam ic stress am plitude w ere taken in to , consideration. Som