残坡积土动力特性的试验研究

董金玉，杨兴隆

(华北水利水电大学 岩土工程与水工结构研究院， 河南 郑州 450046)

残坡积土是经物理风化和化学风化后，残留在原地未经搬运的土，其分布十分广泛，具有质地不均匀、孔隙比大、结构性差、遇水软化、受扰动后强度降幅大的特点[1-2]，在地震和循环动力荷载作用下残坡积土强度降低，稳定性变差，较易发生崩塌、滑坡和泥石流等地质灾害。加上残坡积土工程地质性能的区域差异性强，因此对某地残坡积土力学特性的研究具有重要意义。

在土的动力特性研究方面，众多学者进行了大量的研究，取得一些有益的成果[3-16]。田竟等[3]分析了不同强度影响因素的动荷载作用下黄河冲积粉土的动应力-动应变发展规律；丁志宇等[4]分析了细粒含量对饱和粉土动力特性的影响规律；尚守平等[5]对动荷载作用下土阻尼比进行了试验对比研究；褚峰等[6]进行了饱和淤泥质砂土动力变形及动强度特性试验研究；毛成等[7]对膨胀土的动力特性进行探讨。在残坡积土的研究方面，谭捍华等[1]对千枚岩残坡积土进行了大型直剪试验研究，肖治宇等[17]进行了非饱和残坡积土强度随含水率变化的试验研究，杨矫等[18]对降雨入渗下残坡积土边坡的稳定性进行模拟研究。李焱等[19 ]进行了不同振动频率下非饱和黄土的动力特性研究；张禾等[20]进行了土的动力参数测试技术及试验成果分析；潘越[21]进行了循环荷载作用下土工合成材料加筋土动力特性研究；严红[22]进行了高速铁路路基粉质黏土填料物理力学特性试验研究；杨同帅[23]进行了上海软黏土小应变力学特性试验及本构模拟；郑瑞华等[24]进行了苗家坝面板堆石坝材料动力特性试验研究。然而，虽然对土动力特性的研究较为成熟，但对残坡积土的研究大部分是在静力作用下对其强度和稳定性的研究，对用残坡积土的动力特性的研究却鲜少见到。

本文以某典型地震滑坡区残坡积土为研究对象，采用相对动三轴试验成本低，工序简单的动单剪试验仪，对饱和和非饱和残坡积土进行了不同固结压力，不同干密度，不同振动频率下的动单剪试验动力特性进行研究。

1 试验设备及试验方案

1.1 试验概况

试验所用土为某典型地震滑坡现场所取的残坡积土。试验所用仪器为Shear Trac-II动单剪仪，该仪器能完成动强度、主要动力学参数的测定工作， 试验过程中可对土样施加动荷载并实时监控整个试验过程，得到土样振动过程中的动剪应力，动剪应变曲线。试样尺寸为：直径63.5 mm×25.4 mm(高度)。

1.2 试验方案

在不同固结压力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；不同振动频率f=0.2 Hz、0.5 Hz、1.0 Hz下对饱和、非饱和残坡积土进行动单剪试验，试样共14组(制备过程从略)。

2 试验结果分析

2.1 残坡积土动剪应力τd-动剪应变γd关系

由图1、图2可以看出，在周期性荷载作用下，随着动应力的增加，动应变随之增大，表现出明显的阶段性和非线性特征。在γd小于1%时，即在加载的初始阶段τd-γd关系曲线的斜率较大，而当γd大于1%的阶段，τd-γd关系曲线的斜率逐渐减小。随着固结围压、干密度的增大，τd-γd曲线向上移动，当动剪应力不变时，随着固结应力、干密度增加，动剪应变减小。这是由于固结应力越大，干密度越大，试样的刚度越大，抵抗变形的能力越强。

图1 非饱和残坡积土的动剪应力τd-动剪应变γd关系曲线

图2 饱和残坡积土的动剪应力τd-动剪应变γd关系曲线

对比图1、图2可知，在相同的固结压力、干密度、振动频率下，非饱和残坡积土的临界动剪应力大于饱和残坡积土的临界动剪应力；而在γd较小时，非饱和土的τd-γd曲线斜率明显大于饱和土。这是由于非饱和土中基质吸力的存在，增强了残坡积土的黏聚力，提高了土体的抗变形能力，使土粒间发生错动的难度增大。因此残坡积土的非饱和状态对τd-γd关系曲线影响明显。

2.2 残坡积土动剪切模量Gd-动剪应变γd的关系

土的动剪模量Gd可以由动单剪试验得到的动剪应力-应变本构关系曲线得到，即：

Gd=τd/γd=1/(a+bγd)

(1)

可变形为

1/Gd=a+bγd

(2)

1/τd=a/γd+b

(3)

式中：Gd为动剪切模量；τd为动剪应力；γd为动剪应变；a、b为系数。

1/Gd-γd关系曲线如图3、图4所示。由图3、图4可以看出：

图3 非饱和残坡积土的1/Gd-γd关系曲线

图4 饱和残坡积土的1/Gd-γd关系曲线

(1) 在净围压、干密度和振动频率分别相同的情况下，非饱和残坡积土和饱和残坡积土的动剪切模量都随动应变的增大迅速减小后基本不变。这也反映了土体的振动剪切过程开始，土体结构迅速发生变化，整体刚度减小，在剪应变发展的后期，较小的剪应力就可使土体产生很大的应变变形，即土体在受到振动剪切破坏以后，本身即不能再承受力的作用。

(2) 饱和土试样的动剪切模量较非饱和土的略小。这与非饱和土的力学性质有关，用平均骨架应力给出解释，土的强度和刚度取决于平均骨架应力，平均骨架应力为净围压应力和饱和度与基质吸力的乘积之和即：

σ′=σn+Srs

(4)

式中：σ′为平均骨架应力；σn为净围压应力；Sr为饱和度；s为基质吸力。

在饱和土样中，由于基质吸力为0，因此在其他条件相同的情况下，在振动破坏过程中饱和土平均骨架应力(有效应力)始终比非饱和土的平均骨架应力值略小。

(3) 动剪切模量与动应变关系曲线呈阶段性的变化特征，在加载初期动应变幅值较小的情况下，随着动应变的增加，动剪切模量迅速减小；在应变幅值较大的情况下，动剪切模量随着应变的增加缓慢下降。在相同的动剪应变条件下，动剪切模量随振动频率的增大呈递增趋势，而剪应变越大，不同振动频率下的动剪切模量之间的差值越来越小，动剪切模量最终趋向较小的稳定值。干密度和竖向压力对动剪切模量的影响与振动频率的影响大致相同。

试验结果表明，动剪应力-剪应变关系呈双曲线型[8]，残坡积土的这一特征可由1/Gd～γd关系曲线的线性相关性反映出来(见图3、图4)。由图3、图4可以看出1/Gd～γd拟合曲线近似为线性，这能更直观的看出干密度、竖向压力和振动频率对动剪切模量的影响。

2.3 最大动剪切模量Gdmax的影响因素分析

动荷载作用下的Gdmax定义为动剪应力～应变关系曲线上，应变γd→0时的动剪切模量。由动单剪试验得到的τd-γd曲线近似双曲线函数，经过变换后成为线性函数式(2)(如图3、图4所示)，用直线拟合后延长，在γd=0处截取的纵坐标a的倒数即为最大动剪切模量Gdmax，即：

Gdmax=1/a

(5)

图5给出了最大动剪切模量Gdmax影响因素分析图。图5可以更直观的看出，在振动频率、干密度相同的情况下，固结压力的大小对土体的最大动剪切模量有明显影响，固结的压力越大，其最大动剪模量越大，因为在其他条件相同的情况下，固结压力越大，土体颗粒的固结效果也就越好，颗粒联结强度越高，在受到相同的动剪应力时产生的动剪应变较小，其动剪切模量越大；对于干密度为1.6 g/cm3的残坡积土，在固结压力较小时，固结压力的增大对试样最大动剪切模量的增加影响显著，在固结压力较大时，增大固结压力对试样最大动剪切模量的变化影响不大。

图5 最大动剪切模量Gdmax的影响因素分析

在振动频率和固结压力相同的情况下，土体干密度对其最大动剪切模量也有明显影响，即随着土样干密度的增大，其最大动剪切模量也随之增大，且几乎呈线性增长趋势。

在干密度和固结压力相同的情况下，振动频率对土体的最大动剪切模量也有明显影响，土体在较高频率下的剪切破坏时，一方面其结构来不及破坏，结构强度可以抵抗一部分剪切力的破坏作用，故其剪切强度较高、动剪切模量较大；另一方面，在较高频率作用时，土体中的孔隙水不能及时排出，而此时全部剪应力由总应力承担，抗剪强度τd较高，在受到同样大小的剪切力时，其变形相对较小，因此最大动剪切模量较大。随着振动频率的增加，土体的最大动剪切模量增大。

饱和土试样的最大动剪切模量较非饱和土的略小。这与前面所述原因一致。最大动剪切模量出现在振动破坏的初期，此时非饱和土的强度和刚度均大于饱和土。

2.4 阻尼比λ与动应变γd的关系

在动荷载作用下，用于衡量土所吸收能量大小的特征值既是土的阻尼比，反映土在循环荷载中的能量耗散。依据动力单剪试验实测记录的动剪应力-应变时程线，进而绘制某一级动荷载循环内的动剪应力τd与动剪应变γd曲线，可得到一个滞回环(如图6所示)。

图6 滞回环

图7为阻尼比与水平剪应变的关系。由图7可知：非饱和及饱和土试样阻尼比λ随动剪应变的增大呈递增趋势；当水平剪应变大于2%后，阻尼比λ的变幅越来越小，最终趋于某一稳定值，即λmax。在同一应变条件下，饱和土试样的阻尼比则比非饱和残坡积土略大。

图7 阻尼比与动剪应变关系

3 结 论

(1) 在不同固结压力、不同干密度、不同振动频率下，在周期性荷载作用下，随着动应力的增加，动应变随之增大，动剪应力-剪应变关系呈双曲线型。

(2) 动剪切模量随动剪应变的增加而减小。动剪切模量与动应变关系曲线呈阶段性的变化特征，在加载初期动应变幅值较小的情况下，随着动应变的增加，动剪切模量迅速减小；在应变幅值较大的情况下，动剪切模量随着应变的增加缓慢下降。

(3) 动剪切模量的倒数与动应变幅值呈线性关系。

(4) 在振动频率、干密度相同条件下，固结压力的大小对土体的最大动剪切模量有明显影响，随着固结压力、振动频率、干密度的增大，残坡积土最大动剪切模量增大。

(5) 阻尼比随着动剪应变的增加而增大。

(6) 非饱和残坡积土的动剪模量和最大动剪模量较饱和土大，阻尼比较饱和土小。