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(xué)國土資源工程學(xué)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(shè)地震多發(fā)地帶的地基，對其動強(qiáng)度特性研究是非常有必要的。本文在固結(jié)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(jié)圍壓、固結(jié)比件下的動力特性。結(jié)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(yīng)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(jié)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(yīng)變下，砂頁巖殘積紅土所需的動應(yīng)力要比玄武巖殘積紅土要大。不同固結(jié)比下，砂頁巖殘積紅土的阻尼比隨動應(yīng)變的增大有明顯的增大趨勢。同等應(yīng)變下，兩種紅土的阻尼比相差不大；同等圍壓下，隨固結(jié)比增大破壞強(qiáng)度是減?。煌裙探Y(jié)比下，固結(jié)圍壓的增大破壞強(qiáng)度越強(qiáng)。在固結(jié)比KC=1時，玄武巖、砂頁巖殘積紅土的動抗剪強(qiáng)度指標(biāo)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(jìn)行動力特性研究對昆明多震地帶工程建設(shè)有指導(dǎo)意義。
關(guān)鍵詞：動三軸試驗；殘積紅土；動剪切模量；阻尼比；動抗剪強(qiáng)度指標(biāo)
0 引言
如今，昆明長水機(jī)場已是中國八大區(qū)域樞紐機(jī)場 、國際航空樞紐 ，國家門戶樞紐機(jī)場，機(jī)場周邊工程建設(shè)也在如火如荼進(jìn)行。昆明長水機(jī)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(guān)文獻(xiàn)表明[1] [2] [12] [16],符必昌認(rèn)為紅土具有很強(qiáng)的紅土化作用，這種作用的最終結(jié)果是使呈整體膠結(jié)的紅土塊體變成了由微細(xì)團(tuán)粒-結(jié)構(gòu)單元體組成的松散狀土體，勢必會導(dǎo)致各種地質(zhì)災(zāi)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(zāi)害重為特點。動強(qiáng)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(shè)計提供重要的參考價值。
目前，國內(nèi)外學(xué)者對紅土工程力學(xué)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(jìn)行研究，分析了含水率、固結(jié)應(yīng)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(jié)比、固結(jié)圍壓下的動力特性并結(jié)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(xué)性質(zhì)相差懸殊，勢必會對工程設(shè)計帶來很大的誤導(dǎo)，所以必須系統(tǒng)的對紅土進(jìn)行分類[12]?；谀壳拔墨I(xiàn)，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(jī)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(xué)性質(zhì)指標(biāo)。
表1 兩種殘積紅土的基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)
1.2 試驗方案
依據(jù)《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（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(jī)控制的電液伺服土動三軸裝置進(jìn)行動三軸試驗，首先對試樣進(jìn)行等向固結(jié)（KC=1，采用固結(jié)不排水），當(dāng)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(rèn)定達(dá)到固結(jié)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)。不等向固結(jié)（KC=1.2、KC=1.4采用固結(jié)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(jié)圍壓分別采用100kPa、200kPa、300kPa，每個固結(jié)圍壓，固結(jié)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(jié)不排水動三軸試驗方案
2 變形試驗結(jié)果及分析現(xiàn)將對已固結(jié)試樣進(jìn)行動荷載進(jìn)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(yīng)力由小到大逐漸增加，振動過程中記錄動應(yīng)力、動應(yīng)變。每次動應(yīng)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(zhǔn)確定小變形下的阻尼比和動模量。
2.1應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系
根據(jù)試驗數(shù)據(jù)整理，可得兩種紅土的動應(yīng)力-動應(yīng)變關(guān)系曲線圖。圖1、2表明，兩種紅土的動應(yīng)力-動應(yīng)變關(guān)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(dá)到屈服應(yīng)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(yīng)變水平，當(dāng)圍壓增大時，動應(yīng)力也隨之增加。主要不同在于產(chǎn)生相同的動應(yīng)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(yīng)力要更大。根據(jù)圖3、4對比可知，在同等圍壓下，隨著固結(jié)比的不斷增大，而所需要動應(yīng)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(yīng)力-動應(yīng)變關(guān)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(yīng)力與動應(yīng)變（σd-εd）關(guān)系與動剪應(yīng)力與動剪應(yīng)變（τd-γd）關(guān)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(yīng)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(yīng)力；
qdmin:每一周期循環(huán)荷載下土樣的最小循環(huán)動應(yīng)力；
εdmax:每一周期循環(huán)荷載下的最大動應(yīng)變；
εdmax:每一周期循環(huán)荷載下的最小動應(yīng)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(guān)系曲線基本一致。都是隨著動彈性應(yīng)變的不斷增大，動彈性模量隨之減小并逐漸趨平；在相同應(yīng)變條件下，當(dāng)固結(jié)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(xué)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(jié)比逐步增大，動彈性模量減小。不同固結(jié)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(jié)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(jié)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(jié)比下，砂頁巖殘積紅土的λ-γd關(guān)系中阻尼比隨著動應(yīng)變的增大有著更加明顯的增大趨勢。在同等應(yīng)變水平下，兩種紅土的阻尼比相差不大。
3 強(qiáng)度試驗結(jié)果及分析
3.1動強(qiáng)度特性
動強(qiáng)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(yīng)變ε或滿足某一破壞準(zhǔn)則所需的動應(yīng)力。通常，對于飽和土的固結(jié)不排水動強(qiáng)度試驗，常用變形達(dá)到破壞應(yīng)變作為其破壞標(biāo)準(zhǔn)，即所謂的“應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)”。本論文試驗為飽和紅土的固結(jié)不排水動強(qiáng)度試驗，因此將軸向變形，即ε= 5% 作為試樣破壞標(biāo)準(zhǔn)[4] [14]。根據(jù)試驗可得兩種紅土在不同固結(jié)圍壓和不同固結(jié)比條件下σd～㏒Nf擬合關(guān)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(yīng)力的增加而減小。當(dāng)破壞次數(shù)一定時，隨著固結(jié)圍壓的增大，其破壞所需要的動應(yīng)力也相應(yīng)增大，這也和圖1、2在不同圍壓下的動應(yīng)力與動應(yīng)變關(guān)系曲線相對應(yīng)，在相同的加荷振動次數(shù)和動應(yīng)力下，隨著固結(jié)圍壓的增大，試樣產(chǎn)生的動應(yīng)變會隨之減小，試樣要達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)則需加更大的動應(yīng)力值。在相同的破壞振動次數(shù)下，動應(yīng)力隨著固結(jié)比的增大反而減小。主要原因是因為施加的固結(jié)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(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)。所表現(xiàn)出來的便是在相同的破壞振動次數(shù)下，動應(yīng)力隨著固結(jié)比的增大反而減小。
3.2動抗剪強(qiáng)度指標(biāo)
根據(jù)研究表明，莫爾-庫倫定理也可以在土動力學(xué)中成立。由于土的動應(yīng)力可以由等效循環(huán)次數(shù)來確定，當(dāng)昆明抗震設(shè)防等級為8時（根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011-2010））[15]，由莫爾-庫倫抗剪強(qiáng)度理論可知：
τ=cd+σtanφd 式 （4）
在固結(jié)比一定的動強(qiáng)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(yīng)的破壞動強(qiáng)度σd。令σ1d=σ1c+σd，σ3d=σ3c。其中，σ1c=Kcσ3c，σ3c為試樣的固結(jié)圍壓，樣本在該固結(jié)圍壓下出現(xiàn)的動力破壞高低主應(yīng)力分別由σ1d，σ3d表示，固結(jié)比是Kc。動莫爾圓可分別由σ1d，σ3d繪制出，動抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線可由三個動莫爾圓繪制出。圖17、18是固結(jié)比Kc=1時，兩種紅土的動抗剪強(qiáng)度包絡(luò)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(qiáng)度指標(biāo)與砂頁巖殘積紅土的動抗剪強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)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(qiáng)度明顯大于砂頁巖殘積紅土的動強(qiáng)度。究其原因與紅土物質(zhì)成分及微觀結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系。這也和表2相對應(yīng)，玄武巖殘積紅土團(tuán)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(tuán)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(jié)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(jié)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(jié)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(jié)比下，砂頁巖殘積紅土的阻尼比隨著動應(yīng)變的增大有著更加明顯的增大趨勢。在同等應(yīng)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(jié)比增大破壞強(qiáng)度是越來越??；在固結(jié)比同等條件下，隨著固結(jié)圍壓的增大破壞強(qiáng)度是越強(qiáng)。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(jìn)行動力特性研究對昆明多震地帶工程建設(shè)有指導(dǎo)意義。
參考文獻(xiàn):
[1] 周志彬，符必昌，牛志文等．不同分散劑對玄武巖殘積紅土( HCP2 e) 粒度組成測定結(jié)果的影響研究[J] 礦產(chǎn)綜合利用,2017,03-0119-04.
[2] 周志彬．昆明長水國際機(jī)場砂巖（D2h）、泥巖（N）殘積紅土粒度成分試驗研究[D].昆明理工大學(xué),2018.
[3] 符必昌，黃英．紅土化作用及紅土的工程地質(zhì)分類［J］. 云南地質(zhì)，1997，16（2） ：197-206
[4] 周志國,張云雁,符必昌,周志彬,劉鵬.昆明長水國際機(jī)場砂頁巖殘積紅土動力特性研究[J].地質(zhì)力學(xué)學(xué)報,2018,24(06):795-802.
[5] 陽衛(wèi)紅．南昌地區(qū)紅土的動力特性研究[D]．南昌大學(xué)，2014.
[6] 徐鵬．雙向循環(huán)荷載作用下紅土的動強(qiáng)度特性試驗研究[D]．西北農(nóng)林科技大學(xué)，2017.
[7] 王敉鵬．雙向荷載作用下重塑紅土動變形特性研究[D]．西北農(nóng)林科技大學(xué)，2017.
[8] 程富陽，黃英等．干濕循環(huán)下飽和紅土不排水三軸試驗研究[J]．工程地質(zhì)學(xué)報，2017,25（4）:1017-10．
[9] 穆坤，郭愛國，柏巍，孫志亮，臧濛．循環(huán)荷載作用下廣西紅黏土動力特性試驗研究[J].地震工程學(xué)報,2015,37(02):487-493.
[10] 李劍,陳善雄,姜領(lǐng)發(fā),熊署丹.應(yīng)力歷史對重塑紅黏土動力特性影響的試驗研究[J].巖土工程學(xué)報,2014,36(09):1657-1665.
[11] 陽衛(wèi)紅,劉偉平,扶名福.南昌地區(qū)紅土的動強(qiáng)度特性試驗研究[J].煤田地質(zhì)與勘探,2015,43(06):84-86.
[12] 符必昌，方麗萍，王昆等．滇池流域紅土分類特征及裂化動力特性研究［M］．北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，2018．
[13] 中華人民共和國建設(shè)部．《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》 （GB/T50123－2019）［M］．北京：中國計劃出版社，2019.
[14] 中華人民共和國工業(yè)和信息化部．《土工試驗規(guī)程》（YS/T 5225-2016）［M］．北京：中國計劃出版社出版，2016．
[15]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011—2010).北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010
[16] 昆明水電勘測設(shè)計研究院．昆明長水國際機(jī)場巖土工程詳細(xì)勘察報告［R］.2008，4
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
