1049665201(03)031805 Journal of Engineering Geology工程地質(zhì)學(xué)報滑帶土動力學(xué)性質(zhì)試驗研究晏鄂川①劉漢超②唐輝明①(①中國地質(zhì)大學(xué)武漢430074)(②成都理工大學(xué)成都610059)摘要為了研究地震高烈度區(qū)老滑坡的復(fù)活變形原因,本文對滑坡滑帶土的動力學(xué)特性進行了系列研究。本次試驗采用擾動土樣,制樣基本物理指標按滑帶土的現(xiàn)場測試指標確定在不固結(jié)不排水條件下,運用MTS810 Teststar程控液壓伺服土動軸儀對單個樣品逐級放大動應(yīng)力的分級試驗方法進行。側(cè)向壓力(圍壓)分別采用10Fa200Pa,0kPa三級,通過施加軸向振動荷載(力模擬地震作用振動波形為正弦波頻率為1H,振幅隨試樣性質(zhì)確定。研究結(jié)果表明滑帶土在動荷載作用下的動力學(xué)性質(zhì)與其靜荷載作用下的力學(xué)性質(zhì)有著較大的差異主要表現(xiàn)在滑帶土的動應(yīng)力與動應(yīng)變關(guān)系的非線性滯后性及變形積累特點動彈性模量與動強度的顯著降低以及動阻尼比的顯蓍增大特性。這揭示了動力作用下的滑坡復(fù)活原因之一同時為滑坡穩(wěn)定性評價和動力作用下的變形機制模擬分析提供了基礎(chǔ)資料也為分析滑帶土動力本構(gòu)模型提供了基本內(nèi)容。關(guān)鍵詞滑帶土動力學(xué)特性動彈性模量阻尼比動強度中圖分類號:F642.11·6文獻標識碼: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第一作者簡介:鄂川(1969-),男博士副教授,從事巖土工程和工中國煤化工CNMHG要鄂川等:滑帶土動力學(xué)性質(zhì)試驗研究319滑坡穩(wěn)定性計算與評價。引言衰1代表性地震崩滑統(tǒng)計大量歷史地震資料表明(表1),在地震烈度達Table 1 Statistics of collapses and landslidesⅦ度時就可以產(chǎn)生崩滑地質(zhì)災(zāi)害。這些崩塌滑坡多representative是在山體地震(裂)縫的基礎(chǔ)上發(fā)展而成的,如1933震級崩滑總數(shù)/個年8月25日岷江上游疊溪發(fā)生75級強震觸發(fā)爐霍7.25大小滑坡幾十處,其中三處大型山崩滑坡將岷江堵19338.25疊溪7.5斷達4天之久。地震引起的崩塌與滑坡給人類帶19554.14康定195923會理20來了巨大的危害許多重要工程如水電工程位于高1973.224甘孜-爐霍烈度區(qū),這些地區(qū)山高坡陡,斜坡(含老滑坡)的地196816松播-平武72震穩(wěn)定性關(guān)系到整個工程的成敗,這使得斜坡地震動力響應(yīng)研究具有重要意義滑帶土在滑坡的發(fā)生和老滑坡的復(fù)活過程中均1滑帶土常規(guī)物理力學(xué)性質(zhì)起著十分重要的作用。除了其物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)特征對滑坡穩(wěn)定性狀況有重要影響外,更為重要的是滑據(jù)室內(nèi)土工試驗,滑帶土的物理力學(xué)性質(zhì)及有帶土的物理力學(xué)性質(zhì)。目前對大量滑坡的穩(wěn)定關(guān)參數(shù)見表2。由表2可知,從天然狀態(tài)到飽水狀性分析仍主要采用靜荷載作用下的強度指標進行,態(tài)滑帶土的抗剪強度指標變化較大這是滑坡易于但眾多事例中遇到了因動荷載而導(dǎo)致復(fù)活的滑坡的在連續(xù)降雨之后變形復(fù)活加劇的原因之穩(wěn)定性問題。為此,本文就某滑坡滑帶土動力學(xué)特性2進行研究,以探討其動力響應(yīng)特性,從而指導(dǎo)表2滑帶土物理力學(xué)性質(zhì)及有關(guān)參數(shù)表Table 2 Physical and mechanical properties of soil in sliding zone天然含水率天然密度飽和密度天然快剪飽水快剪壓縮模量w/(%)/kN3內(nèi)聚力內(nèi)摩擦角內(nèi)聚力內(nèi)摩擦角Es/MPac/kPa17.0-24220.5~24.222.I-24.75-17257-32815-4313.9-19.952-9.2樣制成直徑50mm,高為100mm的圓柱形樣共兩組2滑帶土動力學(xué)性質(zhì)(C1、G2,計20個樣品)。試驗在不固結(jié)不排水條件下進行。側(cè)向壓力由于歷史上多次強震都對該滑坡所在區(qū)造成了(圍壓)分別采用a3=100kPa,200kPa和300三級,嚴重災(zāi)害同時引發(fā)了無數(shù)山崩、滑坡以及地面裂縫在試驗過程中側(cè)向壓力保持不變。試樣裝畢后根等地質(zhì)災(zāi)害。為了查明該區(qū)地震作用影響山體斜坡?lián)﨟.B.Sed理論3,模擬地震動荷載作用確定如巖土體力學(xué)特性變化的規(guī)律對該老滑坡滑帶土進下:在各向等壓狀態(tài)下開始施加軸向振動荷載控制行了動力學(xué)條件下的力學(xué)特性試驗。方式采用力控制,振動波形為正弦波,頻率為1Hz2.1實驗測試條件振幅隨試樣性質(zhì)確定。2.2滑帶土動彈性模量測試試驗是參照水電部《土工試驗規(guī)程》(SDS0179)在MIS8l0 Teststar程控液壓伺服土動三軸儀上本次試驗采用單樣逐級放大動應(yīng)力的分級試驗進行的。本次試驗采用擾動土樣,制樣基本物理指方法。分別在圍壓(側(cè)向壓力)為100kPa,20kPa標按滑帶土的現(xiàn)場測試指標確定:即制樣含水率30中國煤化工彈性模量測定,測19%,容重13kN·m3。根據(jù)制樣要求滑帶土定CNMHG關(guān)系曲線(圖1和Journal of Engineering Geology工程地質(zhì)學(xué)報200311(3)圖2)。由圖可知,4-E關(guān)系具有明顯的非線性0.0025特征,曲線態(tài)與雙曲線近似-200kPa300kFa +b上映=0.00050.05P 300kPa圖3G1滑帶土動應(yīng)變-動彈模倒數(shù)擬合曲線Fig 3 Dynamic stress- elasticity modulus reciprocalhit curve of soil in GI sliding zone0.0500.008動應(yīng)變/(%圖1G1滑帶土動應(yīng)力-動應(yīng)變曲線0.006Fig. 1 Dynamic stress-strain curve of0.soil in Gl sliding zone0.002圖4G2滑帶土動應(yīng)變-動彈模倒數(shù)擬合曲線Fig 4 Dynamic stress-elasticity modulus reciprocalbit curve of soil in G2 sliding zone動應(yīng)變/(%)圖2C2滑帶上動應(yīng)力-動應(yīng)變曲線Fig 2 Dynamic stress- strAin curve ofC200k Pssoil in G2 sliding zone-+300kPa上式表明動(割線)彈性模量E4的倒數(shù)與動彈性應(yīng)變c近似為線性關(guān)系。圖3和圖4為線性回歸后的-E曲線直線與軸的截距a=(動應(yīng)變/(%)此時的E4為最大值E-m常為初始切線模量。而圖5G1滑帶土動應(yīng)變-動彈模倒數(shù)擬合曲線6a直線的斜率b則為:當E4→∞時,on=Fig 5 Dynamie strain- elasticity modulusit curve af soil in GI sliding zone即為動應(yīng)力的最大值σ如m,同時也是a4-6a曲線的漸近線。表3列出滑帶土樣在不動周次的a=E曲線形成滯回圈滯回圈面積大小表示加、卸荷過程中能量損失的大小,即表示了土體同圍壓下的a、b、Edm、O-,值。同樣,可擬合動彈模E與動應(yīng)變6關(guān)系曲線的阻尼大小。阻尼A是土體振動中材料阻尼與臨界(圖5和圖6)由圖可知,E隨Et的增大而非線性地阻尼的比值。降低。本次試樣的動應(yīng)變E4與阻尼比A4的關(guān)系曲線見圖7和圖8由圖可知,滑帶土的阻尼比均有隨動由于滑帶土體內(nèi)阻尼,在振動過程中應(yīng)變的變?yōu)榘诵脑黾佣龃蟮内厔?但更為明顯的特征是:2.3阻尼比測試應(yīng)變中國煤化工0.38%(G2樣)時化相對于應(yīng)力的變化有一事實上的滯后,在同一振阻CNMHG增長,此后,曲線趨晏鄂川等:滑帶土動力學(xué)性質(zhì)試驗研究2000200kPa300kPa00.0.20.30.40.50.60.700.120.240.360.480.60.72動應(yīng)變/(%)圖8C2滑帶土動應(yīng)變-阻尼比曲線圖6G2滑帶土動應(yīng)變一動彈模擬合曲線Fig8 Dynamic strain-damping ratioFig6 Dynamic strain-elasticity moduluscurve of soil in G2 sliding zonebit curve of soil in G2 sliding zone于平緩。這說明滑帶土體的阻尼比隨動應(yīng)變增加而2.4動強度測試增大,但在應(yīng)變到達一定值的條件下,這種變化不顯滑帶土動強度指在一定應(yīng)力循環(huán)次數(shù)下使試樣著即振動過程中應(yīng)變的變化滯后于應(yīng)力的變化是達到破壞應(yīng)變時的振動應(yīng)力。據(jù)相關(guān)規(guī)范和工程要有一極限值的,相應(yīng)地加卸荷過程在土體中的能求確定本次試樣的破壞標準為:應(yīng)變達到25%時量損失也是有一定域值。為破壞標準。每個試樣按選定的動應(yīng)力振動直至破壞,動應(yīng)力的選值為盡量使土樣振動破壞的周次N表3滑帶土初始切線模量及動應(yīng)力實驗值小于10周、20周、30周(分別對應(yīng)于H.B.Sed根Table 3 The test results of tangent modulus據(jù)強震記錄資料分析中的7級75級、8級地震)。and dynamic stress in sliding zone soil試驗結(jié)果如圖9。由圖可知,在相同圍壓下隨動應(yīng)x 10kPa力σ增加,破壞振次N減小;在相同的破壞振N次0.71428.570.143下,圍巖σ3越大,所需施加的動應(yīng)力σ4越大。854909.10.125】0.20←100kPa振次/N圖9滑帶土破壞時動應(yīng)力與破壞振次的關(guān)系曲線100kP2200kPacurve of soil sliding zone in failure process莫爾-庫侖理論仍然適用于土動力學(xué),通過動應(yīng)變/(%)動強度測試可求出動抗剪強度參數(shù)c4和q在圖9圖7G1滑帶土動應(yīng)變一阻尼比曲線中,按一定振次分別在4條曲線上截取4個不同圍壓Fig 7 Dynamic strain-damping ratioo3對應(yīng)的動應(yīng)力σ4,即得最大主應(yīng)力σ1=σ3+σa,curve of soil in Gl sliding zone在s-t座標中(s=(σ1+σ3)2,t=(a1-a2)2)對實驗點進行線性回歸分析(圖10)得出:t=a+s中國煤化工(wg)求得滑帶CNMHG一結(jié)果計算隨破壞322Journal of Engineering Geology工程地質(zhì)學(xué)報200311(3)(2)滑帶土的動割線模量隨動應(yīng)變增加而降00515+41.6(=x9T低(3)滑帶土的阻尼比隨動應(yīng)變增加而增大,但應(yīng)變達到一定范圍時,阻尼比增加不顯著;0.058s+38.298(r=0.958)20}=0030+3振動10次(4)振次越高滑帶土的抗剪強度cφa降低幅(r=0.956)度較大;振動30(5)動荷載如強震對斜坡或滑坡的巖土體力學(xué)400500性質(zhì)影響顯著,可以加速斜坡失穩(wěn)破壞或滑坡變形復(fù)活進程圖10滑帶土動強度擬合曲線參考文獻of soil in G1 sliding zone振次的增加,動內(nèi)聚力c比動內(nèi)摩擦角φ的下降幅[1]韓愛果聶得新任光明大型滑坡滑帶土剪切流變特性研究[]工程地質(zhì)學(xué)報2001,9(4):22~25度更大,分別達6~10%和1%。Han Aiguo, Nie Dexin, Ren Guangming. 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