河南濕陷性黃土的動剪切模量和阻尼比試驗

胡鑫 胡超 顧曉強 奚妍

摘要：為了研究河南地區(qū)濕陷性黃土的動力特性，對不同有效圍壓下的原狀黃土樣和飽和黃土樣進行了GDS共振柱試驗，測定了小應(yīng)變范圍內(nèi)黃土的動剪切模量與阻尼比。試驗結(jié)果表明，原狀黃土樣和飽和黃土樣的動剪切模量隨著有效圍壓的增大而增大;在相同的有效圍壓下，原狀黃土樣的動剪切模量大于飽和黃土樣的動剪切模量;原狀黃土樣和飽和黃土樣的動剪切模量隨著動剪應(yīng)變的增大而減小，在初始階段，原狀黃土樣的動剪切模量衰減速度大于飽和樣的，后期兩者衰減速度趨于相等;原狀黃土樣和飽和黃土樣的阻尼比隨著動剪應(yīng)變的增大而增大，在初始階段，原狀黃土樣的阻尼比增速大于飽和樣的，后期兩者增速趨于相等。

關(guān)鍵詞：河南地區(qū)濕陷性黃土;共振柱;動剪切模量;阻尼比;動剪應(yīng)變

中圖分類號：P333

文獻標(biāo)志碼：A

doi：10. 3969/j .issn.1000 -1379.2020. 01.028

河南省分布著大面積的濕陷性黃土，一遇水即崩解、濕陷，引起桿塔基礎(chǔ)出現(xiàn)不同程度的變形，嚴重影響輸電線路的安全穩(wěn)定。土的動剪切模量與阻尼比是必不可少的重要動力參數(shù)，其選擇是否合理，直接影響到工程的安全和經(jīng)濟性[1]。因此，十分有必要對河南地區(qū)的濕陷性黃土進行動力特性研究，以指導(dǎo)實際工程的開展。

眾多學(xué)者針對黃土的動剪切模量和阻尼比展開過相關(guān)研究。李啟鷂等[2]在模擬地震荷載作用下，對西安地區(qū)原狀黃土開展循環(huán)三軸試驗，試驗表明剪應(yīng)變幅值、孔隙比、平均有效周圍壓力、土的濕度和結(jié)構(gòu)性對土的動剪切模量和阻尼比有重要影響，并發(fā)現(xiàn)黃土的阻尼比隨應(yīng)變幅值變化的規(guī)律較為復(fù)雜。朱克廉等[3]通過動三軸試驗，研究了黃土動剪切模量和阻尼比的影響因素，并得到了可用于工程實踐的黃土動剪切模量和阻尼比的經(jīng)驗公式。王志杰等[4]基于動扭剪三軸試驗，研究了陜西原狀黃土的含水率與不同初始平均主應(yīng)力對原狀黃土動剪切模量與阻尼比的影響，研究表明含水率越大則阻尼比越大，而初始平均主應(yīng)力對原狀黃土阻尼比隨動剪應(yīng)變變化的影響不明顯。王洋等[5]利用GDS共振柱試驗系統(tǒng)，分析總結(jié)了蘭州某地區(qū)黃土的動剪切模量與剪應(yīng)變、動阻尼比與剪應(yīng)變的關(guān)系，得出圍壓對黃土動剪切模量和阻尼比的影響規(guī)律，對研究黃土的動力特性進行了一些探索，為實際工程設(shè)計提供動力參數(shù)。李錚等[1]對山西某土石壩壩基黃土進行了共振柱與動三軸試驗，試驗結(jié)果表明，山西黃土動剪切模量與阻尼比均顯著受初始含水率影響，其歸一化的動剪切模量能夠用修正的Hardin模型進行擬合，并給出了相關(guān)參數(shù)。

黃土在我國分布面積較廣，但由于各地的地理位置、環(huán)境特點和氣候條件不同，因此所呈現(xiàn)出的孔隙結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性各不相同，有必要對各個區(qū)域的黃土進行專門研究。河南輸電線路沿線地區(qū)濕陷性黃土的動剪切模量與阻尼比相關(guān)研究較少，因此筆者以河南地區(qū)的濕陷性黃土為研究對象，研究其飽和前后動剪切模量和阻尼比的變化規(guī)律。

1 試驗方法

1.1 試驗儀器及方法

試驗采用英國GDS的帶有彎曲元功能的共振柱系統(tǒng)，如圖1所示[6]。該共振柱為下端固定一上端自由的Stokoe型，圍壓可通過氣壓加載，也可通過水圍壓和氣壓聯(lián)合加載。在試樣頂帽和底座中心處內(nèi)置彎曲元，寬11 mm，厚1.2 mm，插入土的深度為2 mm。通過外部控制盒改變接線方式，該彎曲元能同時進行壓縮波和剪切波測試，因此可稱為彎曲一伸展元。試驗輸入信號波形和頻率可根據(jù)用戶自定義輸入。試樣為直徑50 mm、高度100 mm的圓柱形。

1.2 試驗土料及制備

試驗采用河南地區(qū)的黃土原狀樣。該黃土表面呈淺黃色，土質(zhì)較硬，觸手呈粉狀，表觀多孔。黃土樣的基本物理性質(zhì)指標(biāo)見表1.采用比重計法測定的黃土顆粒級配曲線見圖2。飽和樣制備，是將一個干燥的原狀黃土樣放到飽和器內(nèi)超過24 h，將土樣抽真空飽和。試樣飽和后測量其飽和度。在試樣周圍施加各向均等圍壓△σ3，并量測產(chǎn)生的孔隙水壓力△μ，確定孔隙水壓力系數(shù)B，來反映飽和度，試驗結(jié)果顯示B大于0.95。

1.3 試驗方法

試驗過程分為準(zhǔn)備過程和測試過程。準(zhǔn)備過程主要是將土樣裝樣，并進行加壓固結(jié)，儀器中內(nèi)置的高精度LVDT可以測定土樣固結(jié)過程中的豎向應(yīng)變。共振柱測試階段，首先在30-150 Hz范圍內(nèi)以5 Hz為增量頻率進行粗掃，大致確定共振頻率范圍。在粗略共振頻率的±10 Hz范圍內(nèi)以1 Hz為增量頻率進一步粗掃，確定粗掃頻率。最后在粗掃頻率的±1 Hz范圍內(nèi)以0.1 Hz為增量頻率進行細掃，確定土樣的共振頻率和阻尼比。因試樣在振動過程中應(yīng)變小于10-4時受損很小，故可認為試樣不受損傷。對每個試樣施加4個不同的圍壓進行試驗，本次試驗采取的圍壓分別為50、100、150、200 kPa，測定相應(yīng)圍壓下土樣的共振頻率。在150、200 kPa圍壓下，測試每個土樣的共振頻率和阻尼比隨剪切應(yīng)變的衰退曲線。

2 動剪切模量

2.1 有效圍壓對動剪切模量的影響

原狀黃土樣和飽和黃土樣的動剪切模量Go與有效圍壓P的關(guān)系如圖3所示。有效圍壓對原狀樣和干燥樣的動剪切模量的影響一致，圍壓越大，動剪切模量越大，王志杰等[4.7-8]在試驗過程中都發(fā)現(xiàn)了這一規(guī)律。有效圍壓的增大對黃土有明顯的箍緊作用，可減小黃土的孔隙比，使土顆粒間結(jié)合更緊密，有效圍壓越大，土樣抵抗剪切變形的能力越大，表現(xiàn)為動剪切模量增大。

2.2 試樣飽和對動剪切模量的影響

在相同有效圍壓下，飽和黃土樣的動剪切模量相比原狀黃土樣大幅度減小。天然黃土在干旱、半干旱的氣候條件下自然沉積，形成了大孔隙骨架結(jié)構(gòu)，顆粒間形成復(fù)雜的物理化學(xué)膠結(jié)作用，導(dǎo)致原狀黃土樣具有較好的結(jié)構(gòu)性，因而具有較強的抵抗剪切變形的能力。駱亞非等[8-9]對黃土在不同含水率下的動剪切模量進行研究，均發(fā)現(xiàn)隨著黃土含水率的增大，動剪切模量減小。目前有兩種假說可以解釋這種現(xiàn)象：一是凝聚力降低或消失的假說，該假說認為黃土顆粒間楔入的水膜溶解了顆粒間的膠結(jié)物，導(dǎo)致顆粒間凝聚力消失，黃土內(nèi)部骨架孔隙結(jié)構(gòu)被破壞，黃土整體抗剪能力下降;二是黃土中含有的黏土顆粒膨脹導(dǎo)致土粒間抗剪強度喪失的假說，它指出黏土顆粒因吸附大量水分而發(fā)生體積膨脹，將黃土的骨架結(jié)構(gòu)分開，導(dǎo)致抗剪強度大幅度降低。這兩種假說從不同的角度說明了黃土?xí)蚝实脑龃蠖饎蛹羟心Ａ看蠓鶞p小。

2.3 剪應(yīng)變對動剪切模量的影響

原狀黃土樣和飽和黃土樣在200 kPa圍壓下的歸一化動剪切模量G/Go與剪應(yīng)變y的關(guān)系見圖4。由圖4可知，原狀樣和飽和樣的歸一化動剪切模量都隨著剪應(yīng)變的增大而減小，原因是隨著剪應(yīng)變的增大，土顆粒發(fā)生相互錯動，土體逐漸破壞并降低抗剪切變形的能力，剪應(yīng)變越大，歸一化動剪切模量越小。

在動應(yīng)力施加的初始階段，原狀黃土樣的歸一化動剪切模量隨著剪應(yīng)變的增大而減小的速度比飽和樣的快。因為原狀黃土樣具有天然的孔隙骨架結(jié)構(gòu)，抵抗剪切變形的能力較強，所以在動應(yīng)力施加的初始階段，原狀黃土樣除了因剪應(yīng)變增大而引起土顆粒錯動外，還因孔隙骨架結(jié)構(gòu)破壞而導(dǎo)致動剪切模量減小。而飽和樣因水膜作用，天然的孔隙骨架作用已經(jīng)被破壞，故在動應(yīng)力施加初期，歸一化動剪切模量的減小只是受剪應(yīng)變引起的土顆粒錯動影響。這就解釋了初始階段原狀樣歸一化動剪切模量衰減速率大于飽和樣的原因。隨著剪應(yīng)變的增大，原狀樣和飽和樣都失去了黃土的原生結(jié)構(gòu)，因此兩者的歸一化動剪切模量后期衰減速度隨著剪應(yīng)變的增大大致相同。

3 阻尼比

黃土阻尼比反映了地震能量在黃土中傳播時損失的程度，也就是地震波在傳播過程中的衰減情況，它是黃土動力特性的一個重要指標(biāo)[10]。原狀黃土樣和飽和黃土樣在150 kPa圍壓下的歸一化阻尼比D/Do與剪應(yīng)變的關(guān)系見圖5。由圖5可見，原狀樣和飽和樣的阻尼比都隨著剪應(yīng)變的增大而增大，原因是剪應(yīng)變越大，土顆粒間發(fā)生的錯動越劇烈，因互相摩擦而消耗的能量越多，土體逐漸被剪壞。同時，在應(yīng)力初始施加階段，原狀樣的歸一化阻尼比上升速度明顯大于飽和樣的歸一化阻尼比上升速度，原因類似2.3中所述，原狀黃土在初始階段除了因剪應(yīng)變增大而導(dǎo)致土樣錯動外，還因黃土原生結(jié)構(gòu)破壞而引起歸一化阻尼比上升，而飽和黃土的原生結(jié)構(gòu)在水膜的楔入作用下已經(jīng)破壞了。在應(yīng)力施加的后期階段，原狀樣與飽和樣的歸一化阻尼比上升速度相近，都是因剪應(yīng)變引起土樣錯動而導(dǎo)致的。在王志杰等[11]的研究中有類似的發(fā)現(xiàn)。

4 結(jié)語

以河南地區(qū)的濕陷性黃土為研究對象，通過GDS共振柱試驗對在不同圍壓下的原狀樣和飽和樣動剪切模量和阻尼比進行了分析，得出如下結(jié)論。

（1）有效圍壓和試樣飽和與否對黃土的動剪切模量有顯著影響。原狀黃土樣和飽和黃土樣的動剪切模量都會隨著固結(jié)應(yīng)力的增大而增大;在相同的有效圍壓下，原狀黃土樣的動剪切模量大于飽和黃土樣的動剪切模量。

（2）原狀黃土樣和飽和黃土樣的動剪切模量都隨著剪應(yīng)變的增大而逐漸減小，在初始階段，原狀黃土樣動剪切模量減小的速度大于飽和黃土樣的減小速度，隨著剪應(yīng)變的增大，兩者的減小幅度趨于相等。

（3）原狀黃土樣和飽和黃土樣的阻尼比都隨著剪應(yīng)變的增大而逐漸增大，在初始階段，原狀黃土樣阻尼比增大的速度明顯大于飽和黃土樣的增大速度，隨著剪應(yīng)變的增大，兩者的上升速度趨于相等。

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【責(zé)任編輯 張華巖】

收稿日期：2018- 04- 27

基金項目：國網(wǎng)河南省電力公司科技項目（ 5217L016000J）

作者簡介：胡鑫（1975-），男，河南鄭州人，高級工程師，主要從事高壓輸電線路技術(shù)研究工作