Page 38 - 水利学报2021年第52卷第11期

的福建标准砂的应力应变发展规律，发现单纯球应力和偏应力的往返作用不仅会引起体应变，也会
引起偏应变，即两者存在着交叉影响，并分别提出了预测球应力和偏应力作用下应变发展的方法。
通过以上介绍，可以发现，这些关于球应力与偏应力耦合作用的研究大都基于低应力状态下，
大部分试验的初始固结围压不超过 1 MPa。这对于研究深层尾粉砂在地震荷载下的土体动力特性是远
远不够的，也不能真实地反映深层尾粉砂在高应力条件下所产生的复杂应力应变状态。在地震纵波
和横波的传播过程中，纵波会对土体单元产生循环变化的正应力，横波会对土体单元产生循环变
化的剪应力 ［13］ 。一般情况下，当地震震源深度大、震级小时，纵波传播到地面时已经产生很大衰
减，可以忽略不计。但在震级较大、震源较浅（例如 2008 年汶川地震）时，纵波的影响是不能被忽
略。Schroeder 等 ［14］ 提出了一种估算纵波与横波引起土体正应力和剪应力的简便方法，以模拟地震
纵波与横波的耦合，其具体的实现方法可参见文献［15］。对于研究尾矿的动力学特性来说，也很
少有涉及循环球-偏应力耦合，大多数试验通过研究不同固结状态 ［16］ 、单双向循环振动 ［17］ 以及尾矿
材料的性质 ［18-19］ 来揭示地震荷载作用下尾矿的动力学特性及破坏机制等规律。因此，研究在高应力
条件下循环球-偏应力耦合作用对尾粉砂动力特性的影响是一个非常值得探讨的话题。目前，据笔者
所知，循环球-偏应力的耦合作用对饱和尾粉砂动力特性尤其是累积孔压和累积塑性应变等方面的成
果相对较少。正基于此，本文通过一系列高应力条件下的动三轴试验，初步研究了循环球-偏应力耦
合作用对饱和尾粉砂累积孔压及累积塑性应变的发展规律的影响。

2 试验仪器及方案介绍

本试验采用 SDT-100 型振动三轴试验系统，该设备可以同时施加循环变化的轴向应力和围压，并
且轴向应力和围压的振幅、频率、波形以及两者之间的相位差均能独立控制。本文试验用土取自西南
某铅锌尾矿库开挖至一定深度的尾粉砂，其基本物理参数见表 1。利用 Mastersizer3000 激光粒度分析仪
［20］
对尾粉砂颗粒级配进行分析，结果如图 1 所示。根据《土工试验规程》 ，配制含水率ω=14%的试验用
土、并利用不同高度的压头模具分五层静压制备直径
61.8 mm，高 125 mm，干密度ρ =1.65 g·cm 的试样 ，
-3
d
制备完成后利用保鲜膜将试样包裹放至恒温恒湿环
境下保存。试验前将试样放入反压装置中，通无气
水进行反压饱和，测得 B（u/σ ）值在 0.95 以上方可认
3
为试样饱和完成。之后根据试验方案需求，在不同
的围压下进行等压排水固结，固结一段时间后，关
闭排水阀，若一段时间内孔压不发生明显变化，则
表明固结完成。固结完成后，关闭排水阀，按下述
试 验 方 案 施 加 一 定 幅 值 的 循 环 球 应 力 和 循 环 偏 应
力，若试样不发生明显破坏，则循环激振达到 6000
次后即停止试验；若试样发生破坏，则选取累积塑
图 1 试验尾粉砂颗粒级配曲线
性应变达到 15%作为试样破坏标准。

表 1 试验尾粉砂基本物理性质指标
-3
天然含水率ω/% 干密度ρ d/（g·cm ） 相对密度 Dr/% 平均粒径 d 50/mm 不均匀系数 C u 曲率系数 C c
9.3~18.6 1.42~1.74 76 0.076 25.78 0.554
本文选取振动频率为 1 Hz 的正弦波作为研究波形，在下述试验方案中（见表 2），通过控制施加在
ampl ampl 以及两者之间的相位差来控制循环球应力
试样上的循环轴向应力的幅值σ 1 、循环围压的幅值σ 3
幅值 p ampl 和循环偏应力幅值 q ampl ，从而模拟在浅源直下型地震发生时，纵波和横波的耦合。具体表达

式如下：
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