滑带土动力学性质试验研究

1049665201(03)031805 Journal of Engineering Geology工程地质学报滑带土动力学性质试验研究晏鄂川①刘汉超②唐辉明①(①中国地质大学武汉430074)(②成都理工大学成都610059)摘要为了研究地震高烈度区老滑坡的复活变形原因,本文对滑坡滑带土的动力学特性进行了系列研究。本次试验采用扰动土样,制样基本物理指标按滑带土的现场测试指标确定在不固结不排水条件下,运用MTS810 Teststar程控液压伺服土动轴仪对单个样品逐级放大动应力的分级试验方法进行。侧向压力(围压)分别采用10Fa200Pa,0kPa三级,通过施加轴向振动荷载(力模拟地震作用振动波形为正弦波频率为1H,振幅随试样性质确定。研究结果表明滑带土在动荷载作用下的动力学性质与其静荷载作用下的力学性质有着较大的差异主要表现在滑带土的动应力与动应变关系的非线性滞后性及变形积累特点动弹性模量与动强度的显著降低以及动阻尼比的显蓍增大特性。这揭示了动力作用下的滑坡复活原因之一同时为滑坡稳定性评价和动力作用下的变形机制模拟分析提供了基础资料也为分析滑带土动力本构模型提供了基本内容。关键词滑带土动力学特性动弹性模量阻尼比动强度中图分类号:F642.11·6文献标识码:AEXPERIMENTAL STUDY ON THE DYNAMIC PROPERTIES OF SOIL INSLIDE ZONE OF LANDSLIDEYAN Chuan LIU Hanchao TANG huiming o(O Engineering Faculty, China University of Geosciences, Wuhan 430074)((2 Chengdu institute of Technology, Chengdu 610059)Abstract In order to study the deformation cause of reactivated landslide in a high seismic intensity area, the authors firstly systematically analyze the dynamic properties of soil in slide zone in cyclic triaxial test. The disturbedsoil samples, physical properties of which are prepared to be field test index are tested on triaxial compressor underunconsolidated-undrained condition, with confining pressure of 100kPa, 200kPa and 300k Pa and a step by stepincreasing dynamic load. Analyzing the environmental condition of the landslide in combination with high seismicintensity in the region, the seismic response properties of soil in slide zone are systematically sdutied. The resultshows that there is a lot of difference between the dynamic and the static properties, for example, the nonlinear re-lation between dynamic stress and strain, dynamic elasticity modulus and dynamic strength of the soil markedly re-duce, but damping ratio increases. The study provides an important theoretical basis for evaluating the sliding of theKey words The slide zone, Dynamic property, Dynamic elasticity modulus, Damping ratio, Dynamic strength*收稿日期:2002-12-20;收到修改稿日期:2003-02-12第一作者简介:鄂川(1969-),男博士副教授,从事岩土工程和工中国煤化工CNMHG要鄂川等:滑带土动力学性质试验研究319滑坡稳定性计算与评价。引言衰1代表性地震崩滑统计大量历史地震资料表明(表1),在地震烈度达Table 1 Statistics of collapses and landslidesⅦ度时就可以产生崩滑地质灾害。这些崩塌滑坡多representative是在山体地震(裂)缝的基础上发展而成的,如1933震级崩滑总数/个年8月25日岷江上游叠溪发生75级强震触发炉霍7.25大小滑坡几十处,其中三处大型山崩滑坡将岷江堵19338.25叠溪7.5断达4天之久。地震引起的崩塌与滑坡给人类带19554.14康定195923会理20来了巨大的危害许多重要工程如水电工程位于高1973.224甘孜-炉霍烈度区,这些地区山高坡陡,斜坡(含老滑坡)的地196816松播-平武72震稳定性关系到整个工程的成败,这使得斜坡地震动力响应研究具有重要意义滑带土在滑坡的发生和老滑坡的复活过程中均1滑带土常规物理力学性质起着十分重要的作用。除了其物质组成和结构特征对滑坡稳定性状况有重要影响外,更为重要的是滑据室内土工试验,滑带土的物理力学性质及有带土的物理力学性质。目前对大量滑坡的稳定关参数见表2。由表2可知,从天然状态到饱水状性分析仍主要采用静荷载作用下的强度指标进行,态滑带土的抗剪强度指标变化较大这是滑坡易于但众多事例中遇到了因动荷载而导致复活的滑坡的在连续降雨之后变形复活加剧的原因之稳定性问题。为此,本文就某滑坡滑带土动力学特性2进行研究,以探讨其动力响应特性,从而指导表2滑带土物理力学性质及有关参数表Table 2 Physical and mechanical properties of soil in sliding zone天然含水率天然密度饱和密度天然快剪饱水快剪压缩模量w/(%)/kN3内聚力内摩擦角内聚力内摩擦角Es/MPac/kPa17.0-24220.5~24.222.I-24.75-17257-32815-4313.9-19.952-9.2样制成直径50mm,高为100mm的圆柱形样共两组2滑带土动力学性质(C1、G2,计20个样品)。试验在不固结不排水条件下进行。侧向压力由于历史上多次强震都对该滑坡所在区造成了(围压)分别采用a3=100kPa,200kPa和300三级,严重灾害同时引发了无数山崩、滑坡以及地面裂缝在试验过程中侧向压力保持不变。试样装毕后根等地质灾害。为了查明该区地震作用影响山体斜坡据H.B.Sed理论3,模拟地震动荷载作用确定如岩土体力学特性变化的规律对该老滑坡滑带土进下:在各向等压状态下开始施加轴向振动荷载控制行了动力学条件下的力学特性试验。方式采用力控制,振动波形为正弦波,频率为1Hz2.1实验测试条件振幅随试样性质确定。2.2滑带土动弹性模量测试试验是参照水电部《土工试验规程》(SDS0179)在MIS8l0 Teststar程控液压伺服土动三轴仪上本次试验采用单样逐级放大动应力的分级试验进行的。本次试验采用扰动土样,制样基本物理指方法。分别在围压(侧向压力)为100kPa,20kPa标按滑带土的现场测试指标确定:即制样含水率30中国煤化工弹性模量测定,测19%,容重13kN·m3。根据制样要求滑带土定CNMHG关系曲线(图1和Journal of Engineering Geology工程地质学报200311(3)图2)。由图可知,4-E关系具有明显的非线性0.0025特征,曲线态与双曲线近似-200kPa300kFa +b上映=0.00050.05P 300kPa图3G1滑带土动应变-动弹模倒数拟合曲线Fig 3 Dynamic stress- elasticity modulus reciprocalhit curve of soil in GI sliding zone0.0500.008动应变/(%图1G1滑带土动应力-动应变曲线0.006Fig. 1 Dynamic stress-strain curve of0.soil in Gl sliding zone0.002图4G2滑带土动应变-动弹模倒数拟合曲线Fig 4 Dynamic stress-elasticity modulus reciprocalbit curve of soil in G2 sliding zone动应变/(%)图2C2滑带上动应力-动应变曲线Fig 2 Dynamic stress- strAin curve ofC200k Pssoil in G2 sliding zone-+300kPa上式表明动(割线)弹性模量E4的倒数与动弹性应变c近似为线性关系。图3和图4为线性回归后的-E曲线直线与轴的截距a=(动应变/(%)此时的E4为最大值E-m常为初始切线模量。而图5G1滑带土动应变-动弹模倒数拟合曲线6a直线的斜率b则为:当E4→∞时,on=Fig 5 Dynamie strain- elasticity modulusit curve af soil in GI sliding zone即为动应力的最大值σ如m,同时也是a4-6a曲线的渐近线。表3列出滑带土样在不动周次的a=E曲线形成滞回圈滞回圈面积大小表示加、卸荷过程中能量损失的大小,即表示了土体同围压下的a、b、Edm、O-,值。同样,可拟合动弹模E与动应变6关系曲线的阻尼大小。阻尼A是土体振动中材料阻尼与临界(图5和图6)由图可知,E随Et的增大而非线性地阻尼的比值。降低。本次试样的动应变E4与阻尼比A4的关系曲线见图7和图8由图可知,滑带土的阻尼比均有随动由于滑带土体内阻尼,在振动过程中应变的变为八心增加而增大的趋势,但更为明显的特征是:2.3阻尼比测试应变中国煤化工0.38%(G2样)时化相对于应力的变化有一事实上的滞后,在同一振阻CNMHG增长,此后,曲线趋晏鄂川等:滑带土动力学性质试验研究2000200kPa300kPa00.0.20.30.40.50.60.700.120.240.360.480.60.72动应变/(%)图8C2滑带土动应变-阻尼比曲线图6G2滑带土动应变一动弹模拟合曲线Fig8 Dynamic strain-damping ratioFig6 Dynamic strain-elasticity moduluscurve of soil in G2 sliding zonebit curve of soil in G2 sliding zone于平缓。这说明滑带土体的阻尼比随动应变增加而2.4动强度测试增大,但在应变到达一定值的条件下,这种变化不显滑带土动强度指在一定应力循环次数下使试样著即振动过程中应变的变化滞后于应力的变化是达到破坏应变时的振动应力。据相关规范和工程要有一极限值的,相应地加卸荷过程在土体中的能求确定本次试样的破坏标准为:应变达到25%时量损失也是有一定域值。为破坏标准。每个试样按选定的动应力振动直至破坏,动应力的选值为尽量使土样振动破坏的周次N表3滑带土初始切线模量及动应力实验值小于10周、20周、30周(分别对应于H.B.Sed根Table 3 The test results of tangent modulus据强震记录资料分析中的7级75级、8级地震)。and dynamic stress in sliding zone soil试验结果如图9。由图可知,在相同围压下随动应x 10kPa力σ增加,破坏振次N减小;在相同的破坏振N次0.71428.570.143下,围岩σ3越大,所需施加的动应力σ4越大。854909.10.125】0.20←100kPa振次/N图9滑带土破坏时动应力与破坏振次的关系曲线100kP2200kPacurve of soil sliding zone in failure process莫尔-库仑理论仍然适用于土动力学,通过动应变/(%)动强度测试可求出动抗剪强度参数c4和q在图9图7G1滑带土动应变一阻尼比曲线中,按一定振次分别在4条曲线上截取4个不同围压Fig 7 Dynamic strain-damping ratioo3对应的动应力σ4,即得最大主应力σ1=σ3+σa,curve of soil in Gl sliding zone在s-t座标中(s=(σ1+σ3)2,t=(a1-a2)2)对实验点进行线性回归分析(图10)得出:t=a+s中国煤化工(wg)求得滑带CNMHG一结果计算随破坏322Journal of Engineering Geology工程地质学报200311(3)(2)滑带土的动割线模量随动应变增加而降00515+41.6(=x9T低(3)滑带土的阻尼比随动应变增加而增大,但应变达到一定范围时,阻尼比增加不显著;0.058s+38.298(r=0.958)20}=0030+3振动10次(4)振次越高滑带土的抗剪强度cφa降低幅(r=0.956)度较大;振动30(5)动荷载如强震对斜坡或滑坡的岩土体力学400500性质影响显著,可以加速斜坡失稳破坏或滑坡变形复活进程图10滑带土动强度拟合曲线参考文献of soil in G1 sliding zone振次的增加,动内聚力c比动内摩擦角φ的下降幅[1]韩爱果聂得新任光明大型滑坡滑带土剪切流变特性研究[]工程地质学报2001,9(4):22~25度更大,分别达6~10%和1%。Han Aiguo, Nie Dexin, Ren Guangming. 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