试验黄土为承德平泉地区的路基土,试样为扰动样。对所取黄土进行击实及液塑限测定等试验,得到其物理性质指标,结果如表1所示。

本次设计试验组为9组,围压设为100 kPa,含水率分别为10%、15%、20%,干密度分别为1.4 g/cm³、1.6 g/cm³、1.8 g/cm³。

试验所用试样为实心圆柱,直径39.1 mm,高度80 mm。试样制备时,首先将黄土过2 mm筛,用烘干法测得原始含水率。然后称取一定质量的黄土,将其配成试验所要求的含水率,密闭条件下浸润24 h,使其水分均匀分布。根据预设干密度,称得每个试样需要的一定质量的黄土,利用小型千斤顶制样,该方法克服了传统制样方法的不足,使试样密度更加均匀,结构更加稳定。在试样成型后静置3～5分钟,使其结构相对稳定后将试样脱模,用保鲜膜包好放入密闭环境备用。

表1 承德黄土物理性质指标
Tab.1 Physical property indexes of the loess of Chengde

本次试验所用仪器为微机控制电液伺服动三轴试验机。该仪器由主机、控制器、液压源和测量系统等构成,随着试验的进行,试验条件、参数设置和结果由电脑数据采集系统记录并自动存盘。

试验选用波形为正弦波形,频率设为1 Hz,围压设定为100 kPa。试验采用排水排气固结的方式,固结比设为1。在固结过程中观察并记录轴向变形量和孔压,当1 h内轴向变形量小于等于0.01 mm且孔压变化的幅度小于2 kPa时,认为固结完成。接着关闭上下排水阀,对试样逐级施加动态荷载,每级振动8次,直到试样发生破坏,以轴向应变量大于5%作为破坏标准。试验时,设置采样间隔时间为20 ms,微机自动在每个循环周期采集50个测点进行数据记录。最后,选择有代表性的周次进行动剪切模量与阻尼比的分析。

承德黄土动剪切模量和动剪应变的关系如图1所示。由曲线可见,随着动剪应变越来越大,动剪切模量值不断变小。动荷载刚开始作用时,动剪应变值较小,动剪切模量较大,此时黄土颗粒之间具有联结效果,土体表现出一种结构性,能更好地抵抗剪切变形,所以产生一定的应变需要施加的动应力较大,也导致动剪切模量值较高; 随着动荷载不断作用,黄土的结构性消失,抵抗变形的强度降低,动剪切模量大幅减小; 当动荷载作用到一定阶段,动剪切模量减小的幅度越来越小、土体接近破坏时,将趋于一个相对稳定的水平。

图1 承德黄土动剪切模量和动剪应变关系
Fig.1 Curve of relationship between dynamic shear modulus and dynamic shear strain of the loess in chengde

承德黄土的动剪切模量因含水率的改变而发生显著变化。当围压和干密度相同时,含水率越大,其动剪切模量越小,其影响规律如图2所示。这是由于水分对土体组成颗粒间的摩擦力和联结效果起着重要作用。低含水率下,土体颗粒之间的联结较好、摩擦力大,因而土体受力时更不易发生变形,表现为动剪切模量值较大; 高含水率下,土体因为水的“润滑”作用,联结效果较差,不能形成相对稳固的结构,受力时更容易发生错动、变形,表现为动剪切模量值较小。

干密度对承德黄土的动剪切模量也会产生显著影响。当围压和含水率相同时,干密度越大,其动剪切模量越大,影响规律如图3所示。这是因为干密度代表土体的压实状态,干密度越大即土的压实度越高,颗粒间接触越充分,咬合能力越强,土体受力时越不易发生变形,即产生一定剪应变要求施加的外力越大,反映为动剪切模量值越大。

最大动剪切模量和含水率、干密度都有密切关系。试验结果显示,承德黄土在一定范围内的最大动剪切模量分别与含水率和干密度呈线性关系。含水率一定时,最大动剪切模量随干密度增大而增大; 干密度一定时,最大动剪切模量随含水率增大而减小。关系曲线如图4所示。

图2 干密度分别为1.4 g/cm3(a)、1.6 g/cm3(b)、1.8 g/cm3(c)时,
含水率对承德黄土Gd的影响规律
Fig.2 Effects of moisture content on dynamic shear modulus Gd of the loess in Chengde when the dry density is 1.4 g/cm3(a), 1.6 g/cm3(b), 1.8 g/cm3(c)

图3 含水率分别为10%(a)、15%(b)、20%(c)时,干密度对承德黄土Gd的影响规律
Fig.3 Effects of dry density on dynamic shear modulus Gd of the loess in Chengde when the moisture content is 10%(a)、15%(b)、20%(c)

图4 Gdmax变化曲线
(a)不同含水率下Gdmax随干密度变化曲线;(b)不同干密度下Gdmax随含水率变化曲线
Fig.4 Variation curves of Gdmax(a)curves of Gdmax varied with dry density under different moisture content; (b)curves of Gdmax varied with moisture content under different dry density

分析实验数据可知,当固结围压为100 kPa,干密度为1.4 g/cm³,含水率在10%～20%之间变化时,试验所得河北承德黄土最大动剪切模量的值在18～28 MPa之间; 而中西部地区以杨凌、洛川、兰州为例,最大动剪切模量值的范围大约为30～65 MPa(王志杰等,2010)。由此可知,相同条件下河北承德黄土的动剪切模量远小于中西部地区黄土的动剪切模量。造成这种差异的原因主要是两个地区黄土的成因不同,河北承德黄土的可溶性盐的含量远远低于中西部地区,而可溶性盐正是影响黄土胶结作用的关键因素,可溶性盐含量越高,土体的胶结作用越好,抵抗变形的能力越强,因而土体的动剪切模量值越大。

中西部三个地区和河北承德地区阻尼比随动剪应变变化的拟合经验公式中的拟合参数a值见表2(王志杰,2010)。比较可得,河北承德黄土的阻尼比随剪应变增长的速率比中西部三个地区的都大,这说明振动能量在河北承德地区的损失速率大于中西部地区。这一结论可为地震区划研究提供参考。

表2 不同地区阻尼比与动剪应变拟合参数
Tab.2 Regression parameters of damping ratios and dynamic shear strain in different area