不同类型残积红土的动力特性对比研究

周志彬¹，周志国² ，张竹军¹，符必昌²，缪泽锟¹

（1.中建四局第五建筑工程有限公司，昆明650220

2.昆明理工大学国土资源工程学院，昆明650093）

摘要:我国西南地区广泛发育红土，红土作为工程建设地震多发地带的地基，对其动强度特性研究是非常有必要的。本文在固结不排水情况下对比分析了玄武岩残积红土、砂岩残积红土在固结围压、固结比件下的动力特性。结果表明: 两种红土试样在最优含水率下，变形试验中有屈服界点，在屈服应变界点之前土体呈现的是硬化，之后是软化。同围压下，玄武岩残积红土动剪切模量小于砂页岩残积红土。不同固结比下，玄武岩残积红土动剪切模量大于砂页岩残积红土；同等动应变下，砂页岩残积红土所需的动应力要比玄武岩残积红土要大。不同固结比下，砂页岩残积红土的阻尼比随动应变的增大有明显的增大趋势。同等应变下，两种红土的阻尼比相差不大；同等围压下，随固结比增大破坏强度是减小；同等固结比下，固结围压的增大破坏强度越强。在固结比KC=1时，玄武岩、砂页岩残积红土的动抗剪强度指标分别为cd=56.965kPa，φd=6.175° ；cd=25.182kPa，φd=12.985°由此看出两种红土动力特性存在较大差异，对不同类型红土进行动力特性研究对昆明多震地带工程建设有指导意义。

关键词：动三轴试验；残积红土；动剪切模量；阻尼比；动抗剪强度指标

0 引言

如今，昆明长水机场已是中国八大区域枢纽机场 、国际航空枢纽 ，国家门户枢纽机场，机场周边工程建设也在如火如荼进行。昆明长水机场广泛发育不同类型的红土，红土作为此区域建筑地基主体，因此对红土的工程试验研究必不可少。根据相关文献表明[1] [2] [12] [16],符必昌认为红土具有很强的红土化作用，这种作用的最终结果是使呈整体胶结的红土块体变成了由微细团粒-结构单元体组成的松散状土体，势必会导致各种地质灾害的发生。云南地震活动以地震多、分布广、震级高、震源浅、灾害重为特点。动强度特性研究将对云南这个地震多发地带的地区尤为重要，也将为此区域抗震设计提供重要的参考价值。

目前，国内外学者对红土工程力学方面有着显著的研究成果，王敉鹏[7]以重塑红土为对象，采用双向动荷载进行研究，分析了含水率、固结应力等因素下的动力特性。程富阳[8]以云南昆明世博园红土为对象，开展动力三轴试验，分析了饱和红土在干湿循环条件下的动力特性。阳卫红[5] [11]以南昌红土为研究对象，通过动三轴试验，分析了在不同固结比、固结围压下的动力特性并结合了静三轴对比分析。根据此区域地勘报告表明[16]，红土的物理力学性质相差悬殊，势必会对工程设计带来很大的误导，所以必须系统的对红土进行分类[12]。基于目前文献，对于不同类型红土的动力特性研究甚少，所以对不同类型红土的动力特性研究尤为必要。

1 试验土样和方案

1.1试验土样

本文试验土样取自昆明长水机场东部区域玄武岩残积红土、砂页岩残积红土，所其取土深度大多在离地表以下6～7m范围内，为保证红土样物理性质的一致性，其土样都取自于同一层。表1为土样的物理力学性质指标。

表1 两种残积红土的基本物理力学性质指标

1.2 试验方案

依据《土工试验方法标准》（编号）[13]，制成尺寸直径 39.1mm,高度 =80mm的圆柱体。试验土样采用击实试验，玄武岩、砂页岩残积红土土样最大干密度分别为1.41g/cm3，1.38 g/cm3；最优含水率43%，38%。试验采用SDT -20微机控制的电液伺服土动三轴装置进行动三轴试验，首先对试样进行等向固结（KC=1，采用固结不排水），当试验的体变值在5 min之内不再增加且轴向变形量小于0.01mm时认定达到固结标准状态。不等向固结（KC=1.2、KC=1.4采用固结不排水），5 min之内轴向变形不超过 0.005mm。为了更加系统的研究两种不同类型红土的动力特性，试样固结围压分别采用100kPa、200kPa、300kPa，每个固结围压，固结比下采用4个土样，总计144个样品，具体试验方案见表2。

表2 两种红土固结不排水动三轴试验方案

2 变形试验结果及分析现将对已固结试样进行动荷载进行变形试验。依据《土工试验规程》[14]，试验参数采用1Hz的动荷载频率，振动波形采用正炫波模拟。同一个试样上动应力由小到大逐渐增加，振动过程中记录动应力、动应变。每次动应力振动次数为5～10次。特别是在变形较小的阶段，即较小荷载水平下多做几级荷载试样，以便精准确定小变形下的阻尼比和动模量。

2.1应力-应变关系

根据试验数据整理，可得两种红土的动应力-动应变关系曲线图。图1、2表明，两种红土的动应力-动应变关系曲线均符合理想的双曲线模型。两种红土在在振动循环存在屈服界点，且在达到屈服应变之前土体呈现为硬化，屈服后呈现的是软化。同样的应变水平，当围压增大时，动应力也随之增加。主要不同在于产生相同的动应变情况下，砂页岩残积红土比玄武岩残积红土所需要的动应力要更大。根据图3、4对比可知，在同等围压下，随着固结比的不断增大，而所需要动应力却逐步减小。

2.2动剪切模量

在研究土的动力特性时，动弹性模量是一个必不可少的特征参数，它可以表示出土体在弹性变形过程的动应力-动应变关系曲线。因此本论是通过土样在每一次循环动荷载作用下的滞回曲线来计算残积红土试样的动弹性模量，如式1为计算公式。由于动应力与动应变（σd-εd）关系与动剪应力与动剪应变（τd-γd）关系具有相同的规律，即可以通过式2和式3换算出残积红土试样的动弹性模量Gd与动剪切应变γd。

式中：

q_dmax:每一周期循环荷载下土样的最大循环动应力；

q_dmin:每一周期循环荷载下土样的最小循环动应力；

ε_dmax:每一周期循环荷载下的最大动应变；

ε_dmax:每一周期循环荷载下的最小动应变。

μ为残积红土试样的泊松比，由于饱和黏土在不排水条件下的泊松比接近0.5，故本文试样中取泊松比μ=0.5。

由图5、6可知，两种红土的Gd～γd关系曲线基本一致。都是随着动弹性应变的不断增大，动弹性模量随之减小并逐渐趋平；在相同应变条件下，当固结围压逐步增大时，动弹性模量也逐渐增加。不同围压条件下，玄武岩残积红土动剪切模量要小于砂页岩残积红土。是因为砂页岩残积红土是以粉粒状态为主，级配不良，才使得物理力学性质与砂土很相似。根据图7、8可知，两种红土随着固结比逐步增大，动弹性模量减小。不同固结比下，玄武岩残积红土动剪切模量要大于砂页岩残积红土。

2.3阻尼比参数

阻尼比是衡量一周循环荷载内土体能量的损耗特性，是研究红土动力三轴试验过程中必不可少的参数。结合动剪切模量和阻尼比两个参数可以确定滞回圈的大小及形状。

根据试验数据可得图9、10，阻尼比会随着固结围压的增大而增大，砂页岩残积红土表现的更加明显。根据图11、12可知，在不同固结比下，砂页岩残积红土的λ-γd关系中阻尼比随着动应变的增大有着更加明显的增大趋势。在同等应变水平下，两种红土的阻尼比相差不大。

3 强度试验结果及分析

3.1动强度特性

动强度是指在一定动荷载循环作用次数N下产生某一指定破坏应变ε或满足某一破坏准则所需的动应力。通常，对于饱和土的固结不排水动强度试验，常用变形达到破坏应变作为其破坏标准，即所谓的“应变标准”。本论文试验为饱和红土的固结不排水动强度试验，因此将轴向变形，即ε= 5% 作为试样破坏标准[4] [14]。根据试验可得两种红土在不同固结围压和不同固结比条件下σd～㏒Nf拟合关系曲线。

由图13、14可知两种红土的振动破坏次数随着动应力的增加而减小。当破坏次数一定时，随着固结围压的增大，其破坏所需要的动应力也相应增大，这也和图1、2在不同围压下的动应力与动应变关系曲线相对应，在相同的加荷振动次数和动应力下，随着固结围压的增大，试样产生的动应变会随之减小，试样要达到破坏标准则需加更大的动应力值。在相同的破坏振动次数下，动应力随着固结比的增大反而减小。主要原因是因为施加的固结比越大时，施加的轴向荷载越大，即在施加轴向荷载越大的试样下，只需施加更小的动荷载即可达到破坏标准。所表现出来的便是在相同的破坏振动次数下，动应力随着固结比的增大反而减小。

3.2动抗剪强度指标

根据研究表明，莫尔-库伦定理也可以在土动力学中成立。由于土的动应力可以由等效循环次数来确定，当昆明抗震设防等级为8时（根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010））[15]，由莫尔-库伦抗剪强度理论可知：

                           τ=c_d+σtanφ_d                                 式 （4）

在固结比一定的动强度曲线图中，取三个不同围压条件下与某一破坏振次相对应的破坏动强度σd。令σ1d=σ1c+σd，σ3d=σ3c。其中，σ1c=Kcσ3c，σ3c为试样的固结围压，样本在该固结围压下出现的动力破坏高低主应力分别由σ1d，σ3d表示，固结比是Kc。动莫尔圆可分别由σ1d，σ3d绘制出，动抗剪强度包络线可由三个动莫尔圆绘制出。图17、18是固结比Kc=1时，两种红土的动抗剪强度包络线。 

由图17、18可知，两种红土在最优含水率试验条件下，玄武岩残积红土的动抗剪强度指标与砂页岩残积红土的动抗剪强度指标进行比较，玄武岩残积红土的动黏聚力Cd是砂页岩残积红土的动黏聚力Cd的2倍多，而砂页岩残积红土的动内摩擦角φd是玄武岩残积红土的动内摩擦角的2倍多。可知两种残积红土分别在最优含水率时，玄武岩残积红土的动强度明显大于砂页岩残积红土的动强度。究其原因与红土物质成分及微观结构有密切关系。这也和表2相对应，玄武岩残积红土团粒主要是以黏胶粒为主，表现出高黏聚力、较低摩擦角的特点，而砂页岩残积红土团粒主要是以粉粒为主，表现出黏聚力相对较低，摩擦角相对较高的特点。

4 结论

（1）通过一系列动力三轴试验，可知两种红土在变形试验中有屈服界点，在屈服应变界点之前土体呈现的是硬化，之后是软化。不同点在于要产生相同的动应变情况下，砂页岩残积红土比玄武岩残积红土所需要的动应力要大。

（2）不同围压条件下，玄武岩残积红土动剪切模量要小于砂页岩残积红土。不同固结比下，玄武岩残积红土动剪切模量要大于砂页岩残积红土。

（3）两种红土阻尼比会随着固结围压的增大而增大，砂页岩残积红土表现的更加明显，在不同固结比下，砂页岩残积红土的阻尼比随着动应变的增大有着更加明显的增大趋势。在同等应变水平下，两种红土的阻尼比相差不大。

（4）两种红土围压同等下，随着固结比增大破坏强度是越来越小；在固结比同等条件下，随着固结围压的增大破坏强度是越强。玄武岩残积红土的动黏聚力Cd是砂页岩残积红土的动黏聚力Cd的2倍多，而砂页岩残积红土的动内摩擦角φd是玄武岩残积红土的动内摩擦角的2倍多。由此看出两种红土动力特性存在较大差异，对不同类型红土进行动力特性研究对昆明多震地带工程建设有指导意义。

参考文献:

[1] 周志彬，符必昌，牛志文等．不同分散剂对玄武岩残积红土( HCP2 e) 粒度组成测定结果的影响研究[J] 矿产综合利用,2017,03-0119-04.

[2] 周志彬．昆明长水国际机场砂岩（D₂h）、泥岩（N）残积红土粒度成分试验研究[D].昆明理工大学,2018.

[3] 符必昌，黄英．红土化作用及红土的工程地质分类［J］. 云南地质，1997，16（2） ：197-206

[4] 周志国,张云雁,符必昌,周志彬,刘鹏.昆明长水国际机场砂页岩残积红土动力特性研究[J].地质力学学报,2018,24(06):795-802.

[5] 阳卫红．南昌地区红土的动力特性研究[D]．南昌大学，2014.

[6] 徐鹏．双向循环荷载作用下红土的动强度特性试验研究[D]．西北农林科技大学，2017.

[7] 王敉鹏．双向荷载作用下重塑红土动变形特性研究[D]．西北农林科技大学，2017.

[8] 程富阳，黄英等．干湿循环下饱和红土不排水三轴试验研究[J]．工程地质学报，2017,25（4）:1017-10．

[9] 穆坤，郭爱国，柏巍，孙志亮，臧濛．循环荷载作用下广西红黏土动力特性试验研究[J].地震工程学报,2015,37(02):487-493.

[10] 李剑,陈善雄,姜领发,熊署丹.应力历史对重塑红黏土动力特性影响的试验研究[J].岩土工程学报,2014,36(09):1657-1665.

[11] 阳卫红,刘伟平,扶名福.南昌地区红土的动强度特性试验研究[J].煤田地质与勘探,2015,43(06):84-86.

[12] 符必昌，方丽萍，王昆等．滇池流域红土分类特征及裂化动力特性研究［M］．北京：中国科学技术出版社，2018．

[13] 中华人民共和国建设部．《土工试验方法标准》 （GB/T50123－2019）［M］．北京：中国计划出版社，2019.

[14] 中华人民共和国工业和信息化部．《土工试验规程》（YS/T 5225-2016）［M］．北京：中国计划出版社出版，2016．

[15]中华人民共和国住房和城乡建设部.《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010).北京：中国建筑工业出版社，2010

[16] 昆明水电勘测设计研究院．昆明长水国际机场岩土工程详细勘察报告［R］.2008，4

作者简介：周志彬（1992-06），男，硕士研究生。联系电话：15946969899  Email:15946969899@163.com