循環荷載作用下淤泥質黏土軟化試驗研究

陳甦 ，李武 ，，蔡正銀

（1.中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海 200032；2.南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029）

0 引言

我國沿海從北到南廣泛分布著淤泥質海岸帶，如連云港、上海、天津、寧波舟山、溫州等，軟土深厚、物理力學指標差、靈敏度高，容易發生軟化。如何確定土體軟化程度已經發展為一個新課題，它關系到軟土地基與結構相互作用的動力特性，已成為迫在眉睫的關鍵課題。因此，許多學者開始深入探索軟黏土動力特性。影響動力特性的因素有很多，最主要的有動應力幅值的大小、靜偏應力、循環周次、振動頻率、固結比以及土體本身的結構性等[1]。在這方面，主要是地震荷載作用下土動力特性研究，而對循環荷載所引起的土體動力特性研究則相對較少。Matsui等[2]和Yasuhara等[3]對循環荷載作用后土的強度與剛度衰減等問題進行了研究，指出了循環周次的影響。周建等[4]對循環荷載作用下正常固結飽和軟黏土的剛度軟化現象進行了研究，建立了含動應力幅值和循環周次的土體軟化模型。Hicher等人[5]對循環荷載作用下黏土的研究成果表明，主應力方向的改變可以引起黏土結構重塑，導致黏土強度的降低。Lefebvre等人[6]研究了循環荷載作用下應變速率對土體軟化的影響。Idriss等人[7]提出了軟化指數概念，并建立了軟化指數與循環次數之間的表達式。蔡袁強等人[8-14]研究循環荷載下引起軟土軟化因素，通過試驗研究軟土剛度軟化及應變軟化模型?？琢顐サ热薣15]通過飽和軟黏土室內不排水動三軸試驗，研究了循環周次和動應力幅值對土體動力特性的影響。目前對軟土研究成果雖然比較深入，但是對海洋淤泥質軟土的研究還比較少，特別是低圍壓下淤泥質土體軟化特性研究?；诖耍疚耐ㄟ^三軸試驗和現場試驗，研究淤泥質土的軟化特性，提出土體軟化的判別參數，并結合連云港地區土體特點，確定土體強度和剛度折減系數，為工程設計提供參考。

1 試驗內容和方法

1.1 試樣制備

本試驗過程中的土樣均為原狀土樣，其試樣制備方法嚴格按照《土工試驗規程》的要求進行。試樣直徑和高度分別為39.1 mm和80 mm。

通過循環荷載試驗研究了波浪荷載作用下原狀淤泥質黏土的動力性質。循環荷載試驗的步驟包括：

1）土體固結：首先對土樣施加豎向固結應力σ1c和側向固結應力σ3c并進行固結。分別模擬初始等壓固結狀態和K0（K0為土體自然固結系數）固結狀態，其中K0固結狀態取σ3c/σ1c=0.667。豎向固結應力和側向固結應力的加載速率相同，約為10~20 kPa/h，固結時間約20 h。

2）不排水條件下施加軸向循環荷載，以模擬波浪風暴荷載的作用：當固結應力作用下的靜應變穩定后，沿土樣軸向施加正弦波形式的循環應力σd。循環應力相當于波浪循環荷載作用下在地基土內引起的附加動應力。由于軟黏土的滲透系數非常小，且風暴波浪荷載持續時間通常在數10 h左右，在此過程中可近似認為飽和軟黏土地基處于不排水狀態，通過對土樣施加不同的固結應力、循環應力幅值，研究土體在不同風暴荷載作用下的動力性質。

1.2 試驗設備

循環三軸試驗和靜三軸試驗均在GDS動三軸試驗系統（DYNTTS）上進行，試驗系統如圖1所示。該系統將三軸壓力室和動力驅動器合為一體，從壓力室底座施加軸向力和軸向變形。采用兩個壓力控制器連接到計算機和壓力室，一個用來控制圍壓，一個用來設置反壓和測量體積變化。通過內置水下荷重傳感器來測量軸向力。通過獨立閉環控制軸向應力和圍壓，可施加正弦波、半正弦波、三角波、方波和自定義波等波形。位移精度為0.07%，軸向力精度小于荷重傳感器量程的0.1%，孔壓通過連接在底座上的孔壓傳感器測量。

圖1 GDS動靜三軸試驗系統

2 試驗結果與分析

2.1 累積軸向動應變發展模式

在循環荷載作用下土體的累積軸向應變εp與循環周數N的關系如圖2所示，等壓固結土樣在不同幅值循環應力作用后的軸向應變如圖3。

圖2 K0固結土樣累積應變隨循環周數的變化關系

由圖2、3可知，K0固結和等壓固結土樣在循環荷載作用后表現出相同的變形特性，即循環應力幅值比σcy/σ1c越大，累積軸向應變εp越大。循環應力幅值比越大，累積軸向應變達到穩定所需的循環周數越大，當σcy/σ1c為0.3時，動應力循環1 500周后累積軸向應變仍未達到穩定。

圖3 等向固結土樣累積軸向應變隨循環周數的變化關系

圖4 是循環應力幅值比為0.2，不同固結應力下的K0固結飽和土樣受循環荷載作用后的累積應變增長情況。

圖4 不同固結壓力下累積軸向應變與循環周數關系

在循環應力幅值比相同的情況下，固結壓力越大，累積軸向應變越大，且累積軸向應變達到穩定所需的循環周數也越大。

2.2 軸向循環應變幅值的發展模式

軸向循環應變幅值εcy與循環周數N的關系如圖5、圖6所示。其中圖5為相同初始固結狀態的土樣在不同循環應力幅值比作用下的應變幅值；圖6為相同循環應力幅值比，不同初始固結應力的土樣循環荷載試驗結果。

圖5 軸向循環應變幅值與循環周數關系

圖6 軸向循環應變幅值與循環周數關系

由圖5、圖6可知，固結壓力和循環應力幅值比σcy/σ1c越大，軸向循環應變幅值εcy越大，且軸向循環應變幅值達到穩定所需的循環周數也越大。在循環周數N大于約1 000周后軸向循環應變幅值會達到穩定。

2.3 動孔壓增長模式

黏性土在循環三軸試驗中孔壓的變化往往具有滯后性，同時在循環荷載作用下試樣在軸向和徑向上會形成孔壓梯度，為使孔壓測量結果具有一定的代表性，孔壓值取每個循環周期內的平均值uavg。

圖7為不同循環應力幅值下平均孔壓比值uavg/σ1c與循環周數N的關系，可以看出，循環周期越大平均孔壓比值會越大。循環周數趨于1 000周時，平均孔壓比值逐漸趨于穩定值。

圖7 平均孔壓比值與循環周數N的關系曲線

2.4 循環周期的影響

為了分析循環荷載周期對軟土動力性質的影響，在豎向固結應力σ1c=150 kPa，側向固結應力σ3c=100 kPa，循環應力幅值比 σcy/σ1c=0.2的條件下分別進行了循環周期為3 s、6 s、9 s的試驗，循環周數均為1 500周。圖8、圖9分別為不同循環周期試驗的累積軸向應變和孔壓絕對值與循環周數的關系。

圖8 不同循環周期下累積軸向應變與循環周數關系

圖9 不同周期下平均孔壓值與循環周數關系

循環周期越大累積軸向應變和平均孔壓值會越大。根據圖8、9中的累積軸向應變和動孔壓的變化曲線，本次試驗取循環周期T=9 s為工程最不利情況，據此得出的土體動力和靜力軟化特征能滿足工程設計需要。

2.5 動模量的弱化指數

定義土體弱化指數δ為第N周動模量Ecy，N與第1周動模量Ecy，1的比值。弱化指數反映了土體在循環動力荷載作用期間抵抗變形能力的下降，數值上小于1。

循環荷載作用下弱化指數δ與循環周數N的關系如圖10、圖11所示。其中圖10為不同循環應力幅值比試驗的結果，圖11為不同固結應力試驗的結果。

從試驗結果可以發現，隨著固結壓力和循環應力幅值比的增大，弱化指數δ逐漸減小，即地基土在波浪荷載循環作用過程中的動力軟化越明顯。循環周數小于150周時，弱化指數降低較快，超過150周后，基本趨于穩定值。

圖10 不同循環應力幅值下土體弱化指數與循環周數的關系

圖11 不同固結壓力下土體弱化指數與循環周數的關系

2.6 循環荷載作用期間土體軟化機理分析

在波浪荷載循環作用下，隨著動孔壓的不斷上升，有效應力降低，土體動強度產生了一定幅度的降低，即循環荷載使飽和軟黏土產生了動力弱化。

循環荷載作用下軟黏土的強度弱化效應可從兩方面來分析，就宏觀方面而言，土體強度的減小是孔隙水壓力增加，有效應力減小的結果；就微觀方面而言，土體內部骨架長期受振動荷載往復作用后結構受到破壞，土顆粒重新排列，引起強度的衰減，衰減的程度往往受加載速率、荷載有無反向的影響。

土的抗剪強度通常由摩擦分量和黏聚分量組成，前者在動應力的往復作用下，顆粒之間常發生相對錯動或滑動而形成剪切面，造成摩阻力減??；后者是由膠結力和黏著水膜組成，一般的軟土在受長期振動后，結合水逐漸變成自由水，從而使土顆粒之間通過黏著水膜形成的這部分黏聚力減小。但由于本次試驗的土樣為現場原狀樣，土體內部水分中含大量的鹽類陽離子，結合水較難轉變為自由水，因此土體強度衰減程度低于一般軟黏土。

循環荷載作用下軟黏土抵抗變形的能力即模量產生了不同程度的弱化，這是由于淤泥質黏土顆粒粒徑非常小，對水的滲透性能弱，振動累積孔隙水壓力不容易消散，所以體積變形很小，土骨架破壞程度輕，不可恢復的累積變形主要表現為動荷載作用引起的剪切變形，因此引起的剛度軟化程度相對較輕。

典型風暴潮對應的循環應力幅值在0.1~0.2之間，周期約為9 s，則地基土在循環荷載作用下的土體弱化指數為0.75~0.80，即土體強度和模量衰減了20%~25%。

3 結語

通過三軸循環荷載試驗，研究了淤泥質地基土在循環荷載作用下動力特性。

1）淤泥質地基軟黏土層在波浪循環荷載作用期間，穩定軸向循環應變幅值和累積軸向應變值均隨著循環應力幅值和固結壓力的增大而增大，在循環周期超過500周后趨于穩定。

2）在循環荷載作用下土樣中平均孔壓比隨著循環應力幅值的增大而增大。土體內動孔壓的上升引起有效應力和動強度下降，土體動模量也會產生一定幅度的軟化。在循環荷載的初期，動模量的弱化隨著循環應力幅值和循環周數的增大而更加顯著；當循環周數超過500周時，動模量的變化較緩慢。

3）淤泥質黏土穩定弱化指數隨著循環應力幅值的增大而降低。但對風暴潮的波浪循環荷載幅值，淤泥質黏土表層的模量弱化指數宜乘以0.20~0.25的折減系數，在工程設計與計算中適當考慮風暴潮期間的動強度和動模量的軟化影響。

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