试验中动荷条件对处理后黄土动力特性的影响

3　试验中动荷条件对处理后黄土动力特性的影响

室内土动力学试验是目前国内外研究土的动力特性的主要手段，在做室内动力试验时不可避免地涉及动荷载加载类型、加载频率、加载速率（应变速率）以及加载循环次数的选择，这些动载荷条件也就成了研究土，包括处理后的黄土的动力特性的关键影响因素。本文将就这4个方面分别进行讨论。

（1）加载类型对土动力特性的影响。首先，尽管在土动力特性研究中虽然遇到的动荷载绝大多数是在不规则变化的，甚至是随机变化的，但是长期以来土动力学的试验总是在规则变化，甚至是在正弦变化的动荷时程作用下研究孔压和应变规律的，但少数在不规则动荷作用下的试验已经发现动荷频幅的变化，波形的差异，甚至波序的不同都会影响到动孔压、动应变的发展变化。通过资料显示，随机荷载和等幅荷载作用下土的动模量试验曲线和阻尼比试验曲线具有相同的变化趋势，但是变化速率不同，动模量、阻尼比和模型参数均有不同程度的差异。从而表明按实际可能的动荷波型进行土动力特性研究的合理性和必要性。另外，即使是现在比较常用的规则加载，其一维循环加载和二维循环加载依然存在结果的差异。一维循环加载（P，P＋ΔP）指的是循环加载过程中只有压缩或者只有拉伸，没有应力回弹的过程，如图2所示；而二维循环加载（P－ΔP，P＋ΔP）过程中存在应力回弹，如图3所示。

图2　一维循环加载示意

图3　二维循环加载示意

由于试验条件的限制，国内绝大多数是二维循环加载试验，而国外针对不同的研究对象会相应选用适合的加载方式，国外已有许多学者作了相关的研究，结果表明一维循环加载下和二维循环加载对土体动力特性的影响有很大的不同。Fujiwara^［4］试验结果表明在土体的次压缩阶段，二维循环加载下的应变大于一维循环加载下的应变。Chan^［5］和Yasuhara^［6］等人经过试验研究后认为，一维循环加载过程中，平均剪应变较大，循环剪应变较小，而在二维循环加载过程中，循环剪应变较大，平均剪应变较小，且永久应变和超孔压要比一维循环加载条件下发展得快。依据Yasuhara的结论，假设其他条件相同，循环加载试验中所加的动应力较大可导致试样破坏，那么试样在二维循环加载条件下要比一维循环加载条件下破坏得早。这意味着在相同其他条件下，一维循环加载下的结构寿命要比二维循环加载下的长。也就是说如果采用二维循环加载条件下得到的土体动力特性去评价实际环境中受到一维循环荷载作用的基础或者结构是不准确的，也是保守的。

（2）加载速率（应变速率）对土动力特性的影响。土动力学试验加载控制方式分为应力控制型和应变控制型两类，应力控制型试验相应的就有加载速率，应变控制型试验相应的就有应变速率。已有的研究表明，加载速率（应变速率）对土体的动力特性影响较大，特别是土体的动强度。应变速率越快，土体的强度越高，这一点得到了广大学者的一致认可。Ishihara等^［7］和Dobry等^［8］的研究结果都表明在不排水循环加载试验中，试样的剪切强度随着应变速率的加快而增大。

Vaid等^［9］和Graham等^［10］的研究结果更为具体，认为应变率每增大10倍，土体的剪切强度增大10％。Matesic等^［12］针对3种黏土和3种砂土，研究了动单剪试验在小应变条件下应变速率对割线模量的影响。结果是这6种土的割线模量都随应变速率增大而增大。Matesic等认为在应变幅值一定的条件下，加载频率对循环加载试验的影响可以等效成应变速率的影响，并在将一个循环周期中的应变速率看成平均应变速率后，给出了加载频率f和平均应变率之间的换算公式。

式中 γ为应变速率；γ_c为应变幅值；f为加载频率；T为加载周期。

从式中可以看出加载频率和应变速率对土体动力性质的影响是一样的。

（3）加载频率对土动力特性的影响。目前，研究者对于加载频率对土体动力特性的影响的认识还未达成一致，甚至在选取室内试验加载频率的大小方面都存在不同的看法。在加载频率大小的选取上，有的学者认为应该取很小的频率，持这种观点的主要考虑的是孔压的均匀性，如Sangrey^［13］和Shahu等；然而也有学者选择了相对较高的频率进行试验研究，如Kholsla^［15］和Timmerman^［14］。国内也有学者研究加载频率对土动力性的影响，周建等^［16］通过循环三轴试验，研究分析了频率对软黏土应变和孔压的影响。结果显示对于相同的加荷周数，较小的频率产生较大的孔压，但随着加荷周数的增加，频率对孔压的影响有减小的趋势。到目前为止，有关加载频率对土动力特性的影响研究结论还不尽相同，这可能与其所研究的土的种类、试验方法以及试验条件等存在差异有关，还有待进一步研究。

（4）加载的循环次数对土动力特性的影响。研究循环次数对土动力特性的影响，特别是对于黄土这种结构性土体来说，具有重要意义。Kholsla曾经对砂土进行了一系列的循环加载试验，研究了加载次数对砂土应变的影响。循环加载频率为10Hz。在不同的循环主应力比下，随着循环次数的增大，砂土会出现3种不同的应变状态：瞬时阶段、平稳阶段和加速阶段，如图4所示。从图4中可以看出，当最大循环主应力比R_m＝3.85，循环次数达到100万次后，随着循环次数的增加，砂土的应变从平稳阶段过渡到加速阶段，继而应变又随着循环次数的增加而快速增大。对于强夯处理后的黄土而言，在循环主应力比达到一定的水平，循环次数达到一定的次数时是否也会出现这种情况以及这种破坏的加速是否是由于其结构性承受重复性荷载而产生的疲劳破坏值得研究，特别是对黄土地区地铁项目中地铁列车长期循环荷载作用下黄土的动力特性有着重要的指导意义。

图4　轴向应变与循环次数关系示意图