2016, Vol. 31
2. 山东省地震局, 济南 250014
2. Earthquake Administration of Shandong Province, Jinan 250014, China
土的动剪切模量与阻尼比是岩土动力特性的重要参数，是土层地震反应分析中必备的动力参数(Hardin and Black，1968；周健等，2003).为了获取土的动剪切模量与阻尼比，国内外学者进行了大量的科学试验与理论分析，均获取许多有价值的研究成果(徐学燕和仲从利，1998；袁晓铭等，2000；陈国兴和刘雪珠，2004；尚守平等，2006；孙静和袁晓铭，2007).孙静和袁晓铭(2010)采用共振柱试验方法，对固结比对粘性土最大动剪切模量和对动剪切模量比与剪应变非线性关系的影响进行研究，结果表明，固结比对粘性土动剪切模量比与剪应变非线性关系有一定影响.王艳丽和胡勇(2010)研究了不同固结围压对饱和砂土动力特性的影响，其结果表明，动弹性模量随动弹性应变幅的增大而减小，随围压的增大而增大；阻尼比随动弹性应变幅的增大而增大.
影响土动剪切模量和阻尼比的因素很多，其一，取决于土的性质：如土的类别、土含水率、孔隙比、塑性指数等；其二，取决于试验参数的选取：如饱和方式、振动波形、频率、固结压力等.其中，在多次试验工作中，固结比这个试验参数取值的偏差，会较大影响试验结果.究竟固结比的取值(围压与轴压数值)对土的动剪切模量比与阻尼比影响如何？本文将展开进一步试验与分析.
本文将进行固结比取值不同(即均等固结与非均等固结下的围压、轴压取值)对粉质粘土动剪切模量比与阻尼比的影响的相关试验与结果讨论，分析固结压力对粉质粘土动剪切模量比与阻尼比的影响及其规律性.其研究成果可为岩土动力学特性科研工作提供基础试验资料，并为土动剪切试验的固结参数正确取值提供参考依据.
1 试验仪器、试样制备与试验方案 1.1 试验仪器原理与试验过程本文采用DDS-70微机控制电磁式振动三轴试验系统进行试验，其试验仪器操作方便，可重复性较好.动三轴试验即为圆柱体三轴试样在一定应力状态下固结稳定后，再在大主压应力(竖向)对其施加动应力，以进行循环加荷试验.
采用本仪器的主要试验过程为：将真空饱和好的试样置于三轴室内上下活塞之间，采取一定的固结比，通过气体压力对试样施加轴、侧向静压力，使其固结.待土样固结完成后，在不排水的条件下，对试样施加由小到大的轴向激振力进行动弹模试验.试验期间，测量系统将振动过程中的力、位移、孔隙水压力值记录下来，最后可采用微机系统对试验进行控制和对试验数据进行处理并输出相关数据与图形.
1.2 试样制备本文选取山东鲁南地区典型粉质粘土的原状土样，根据(《土工试验规程》SL237—1999)中动三轴试验试样制备方法，进行试验试样制备.对同一深度的粉质粘土原状土样，进行其密度、含水率以液、塑限等常规物理力学指标试验，试验结果见表 1.同时，平行制备多个动三轴试样，尽可能保持其同一物理力学性质，以备平行试验使用.试样为圆柱体，其直径为39.1 mm，高度为80 mm.制备好的试样进行抽气饱和，以备试验使用.
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表 1 试样取样编号以及常规物理力学性质 Table 1 Number of samplings and theirs physical and mechanical properties |
固结比(Kc)是指动三轴试验中对试样所施加的轴向固结应力(即轴压σ1)与侧向固结应力(即围压σ3)的比值，其试样应力状态示意图见图 1.在实际土层、工程场地和土工构筑物中，由于侧压力系数(K0)和泊松比(ν)的存在，固结比=1.0(均等固结)这种状态基本不存在，土体大多为非均等固结，其固结比一般为1.4～3.0.
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图 1 动三轴试验试样应力状态 Figure 1 Stress status of specimens in dynamic triaxial tests |
轴压与围压的施加，即通过试验中的固结试验过程，使得试样恢复到原有上覆土层压力下的状态.以下试验方案中，将分别以均等固结与非均等固结两种情况，研究固结比(轴压与围压大小)对粉质粘土动力特性的影响以及规律性分析.
1.4 试验目的与方案为得到固结比参数对粉质粘土动剪切模量比与阻尼比的影响，本文通过固结参数不同(围压、轴压与固结比的不同)的各组试验对比，选取山东鲁南地区同一深度的粉质粘土，确保取土为同一物理力学性质的原状土样，并作以下试验方案：
(1) 固结比取值为1时，施加轴压与围压取值可根据取土所在深度的土的有效应力(单位： kPa)求得，调整围压与轴压取值，进行均等固结下的固结压力大小对以上三组同一深度粉质粘土动力特性影响的研究分析.
(2) 固结比取值变化为1，2，3时，施加轴压取值可根据取土所在深度的土的有效应力求得，即“10*H”(单位： kPa)，围压则根据固结比不同计算取值.进行非均等固结情况下的固结压力对以上三组同一深度粉质粘土动力特性影响的研究分析.
以上各试样的动三轴试验所施加的固结参数数据方案见表 2.野外编号ZK1与ZK2这两组取土均为10 m深度的粉质粘土，故作为两组平行试验，进行数据处理(取舍或均值)与分析.
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表 2 各试样动三轴试验所施加的固结参数 Table 2 Consolidation parameters of each specimen imposed by dynamic triaxial tests |
土的动剪切模量(Gd)是使土体产生单位动剪应变所需的动剪应力，是土动力特性的一个重要指标.Gdmax为最大动剪切模量或初始动剪切模量，可由1/Gd～γd关系曲线纵轴截距的倒数求得.以固结比为1，轴压、围压均加载100 kPa的试样试验结果(SY1-1)为例，土的动剪切模量与动剪应变关系曲线如图 2所示.由图 2可得：粉质粘土的动剪切模量随动剪应变的增加而减小，但减小的幅度随动剪应变的增加而愈来愈小.
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图 2 动剪切模量、阻尼比与动剪应变关系曲线 Figure 2 Relation curve of dynamic shear modulus ratios、damping ratio and dynamic shear strain |
土的阻尼比是反映在循环荷载作用下，动应力～应变关系滞回圈表现出的滞后性.它是由于土体变形时内摩擦作用消耗能量造成的，是土动力特性的另一个重要指标.仍以固结比为1，轴压、围压均加载100 kPa的试样试验结果(SY1-1)为例，土的阻尼比与动剪应变关系曲线如图 2所示.由图 2可得：随着动剪应变的增大，阻尼比随剪应变值的增大而增大，应变幅较小时曲线较陡，至某一应变幅值以后，曲线逐渐平缓，增大的幅度随动剪应变的增加而愈来愈小，阻尼比趋于一个定值(最大阻尼比).
2.2 均等固结若采用均等固结，即固结比Kc=1，也就是围压取值等于轴压的固结情况.
2.2.1 围压、轴压大小对动剪切模量比的影响施加围压的大小，是会对土的动剪切模量试验结果有影响的.多次试验表明，随着围压的增大，动剪切模量比增大；阻尼比有所减小，其影响程度如何？通过进一步的多次试验对比进行探讨.对于同一深度(10 m)的粉质粘土，取固结比为1，对其施加不同的围压(分别100 kPa、200 kPa、300 kPa)，其他试验参数均一样，本文所得到其动剪切模量比的试验结果对比可见图 3以及表 3.
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表 3 不同围压试验下的动剪切模量比 Table 3 Dynamic shear modulus ratios under tests of different confining pressures |
由图 3与表 3所示可知，对同一物理力学性质的试样，其他试验参数均同，对其施加围压、轴压越大，其动剪切模量比数值越大；轴压、围压分别由100 kPa递增为200 kPa、300kPp，动剪切模量比随之增大，增加幅值为10%左右.究其原因为，对试样施加的固结压力越大，土试样被压密程度越大，土颗粒间孔隙则变小，动荷载应力波在土颗粒间的传播速度越大，相同的动应力水平对土造成的剪切变形变小，即土抵抗剪切变形的能力增强.故随着围压、轴压的增大，动剪切模量比增大，其影响幅度较大.
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图 3 不同围压试验下的动剪切模量比对比图 Figure 3 Dynamic shear modulus ratios under tests of different confining pressures |
随着围压、轴压的增大，阻尼比如何变化？其影响程度如何？对于同一深度(10 m)的粉质粘土，取固结比为1，对其施加不同的围压(分别100 kPa、200 kPa、300 kPa)，其他试验参数均一样，本文所得到其阻尼比的试验结果可见图 4以及表 4.
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表 4 不同围压试验下的阻尼比 Table 4 Dampling ratios under tests of different confining pressures |
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图 4 不同围压试验下的阻尼比对比图 Figure 4 Dampling ratios under tests of different confining pressures |
由图 4与表 4所示可知，对同一物理力学性质的试样，其他试验参数均同，对其施加围压、轴压越大，其阻尼比值变化不明显，其变化的规律性不明显.在动剪应变为0.01时的阻尼比值基本趋于一个定值，约0.2左右.究其原因，因为黄土的阻尼比随动应变的变化规律比较复杂，阻尼比与动剪应变的关系比较离散，阻尼比一般在0．10～0．30之间.
2.3 非均等固结若为非等压固结，即对试样所施加的围压与轴压不同.如2.1节中提到，在实际土层、工程场地和土工构筑物中，由于侧压力系数(K0)和泊松比(ν)的存在，土体大多为非均等固结.固结比取值大小同样会影响到土的动弹性模量与动剪切模量.
2.3.1 固结比大小对动剪切模量的影响对于同一深度(10 m)的粉质粘土，取固结比分别为1、2、3，即对其施加相同的轴压(100 kPa)，不同的围压(分别100 kPa、50 kPa、33 kPa)，其他试验参数均一样，本文所得到试验对比结果可见图 5以及表 5.
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图 5 不同固结比试验下的动剪切模量比对比图 Figure 5 Dynamic shear modulus ratios under tests of different consolidation ratios |
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表 5 不同固结比试验下的动剪切模量比 Table 5 Dynamic shear modulus ratios under tests of different consolidation ratios |
由图 5与表 5所示可知，对同一物理力学性质的试样，其他试验参数均同，随着其试验参数固结比的增加，其动剪切模量比数值越大；固结比数值从1增加到2，其动剪模量比增加幅值为30%左右；固结比数值从2增加到3，其动剪模量比增加幅值为10%左右；随着固结比的增加，增幅减小.究其原因为，随着固结的比增加，轴压不变，围压从100变为33，这意味着相同围压情况下的轴向压力不断增加，即土试样被压密程度越大，土颗粒间孔隙则变小，动荷载应力波在土颗粒间的传播速度越大，相同的动应力水平对土造成的剪切变形变小，即土抵抗剪切变形的能力增强.以上可知，固结比参数的选取，对土的动剪切模量试验影响较大.
2.3.2 固结比大小对阻尼比的影响对于同一深度(10.0 m)的粉质粘土，取固结比分别为1、2、3，即对其施加相同的轴压(100 kPa)，不同的围压(分别100 kPa、50 kPa、33 kPa)，其他试验参数均一样，本文所得到试验结果可见图 6以及表 6.
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图 6 不同固结比试验下的阻尼比对比图 Figure 6 Dampling ratios under tests of different consolidation ratios |
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表 6 不同固结比试验下的阻尼比 Table 6 Dampling ratios under tests of different consolidation ratios |
由图 6与表 6所示可知，对同一物理力学性质的试样，其他试验参数均同，随着其试验参数固结比的增加，在各段不同动剪应变幅值时的阻尼比数据变化规律性不明显；在动剪应变为0.01时的阻尼比值基本趋于一个定值，约0.2左右.这均与土阻尼比与动剪应变关系的离散性有关.
3 结论与建议 3.1通过在均等固结与非均等固结两种情况下，轴压与围压大小对粉质粘土动力特性的影响的试验研究，可以得出以下结论：
(1) 粉质粘土的动剪切模量随动剪应变的增加而减小，但减小的幅度随动剪应变的增加而愈来愈小.粉质粘土的阻尼比随动剪应变的增加而增大，应变幅较小时曲线较陡，至某一应变幅值以后，曲线逐渐平缓，增大的幅度随动剪应变的增加而愈来愈小，阻尼比趋于一个定值.
(2) 在均等固结条件下，对同一物理力学性质的试样，其他试验参数均同，施加围压、轴压越大，其动剪切模量比数值越大；轴压、围压分别由100 kPa递增为200 kPa、300 kPa，动剪切模量比随之增大，增加幅值为10%左右.施加围压、轴压越大，其阻尼比变化规律性不明显；在动剪应变为0.01时的阻尼比值基本趋于一个定值(约0.2左右).
(3) 对同一物理力学性质的试样，其他试验参数均同，随着试验参数固结比的增加，其动剪切模量比数值越大；固结比数值从1增加到2，其动剪模量比增加幅值为30%左右；固结比数值从2增加到3，其动剪模量比增加幅值为10%左右；随着固结比的增加，增幅减小.随着固结比的增加，阻尼比数据变化规律性不明显.
3.2以上研究结果，为岩土动力学特性科研工作提供基础试验资料，并能为土动剪切试验的固结参数正确取值提供参考依据.建议在动三轴试验仪器能够满足非均等固结施加的前提下，对试样施加非均等固结最佳.其试验参数取值建议参考如下：首先根据所取土的土性类别求取固结比值(Kc)，并根据取土所在深度的土的有效应力求取所应施加的轴压值(σ1)，继而根据固结比与围压(σ3)关系(即Kc=σ1/σ3)求取围压值.
致谢 感谢审稿专家提出的修改意见和编辑部的大力支持！| [] | Chen G X, Liu X Z .2004. Testing study on ratio of dynamic shear moduli and ratio of dam ping for recently deposited soils in Nanjing and its neighboring areas[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering (in Chinese), 23 (8) : 1403–1410. |
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