循環大中主應力耦合作用下飽和軟粘土的動力特性

張婷婷（溫州職業技術學院 建筑工程系，浙江 溫州 325035）

循環大中主應力耦合作用下飽和軟粘土的動力特性

張婷婷（溫州職業技術學院 建筑工程系，浙江 溫州 325035）

為更加真實地模擬交通荷載引起的復雜動應力場，基于GDS動靜真三軸測試系統，通過循環大主應力及循環中主應力的耦合，模擬交通荷載下豎向及水平向循環正應力的耦合，探討循環中主應力系數、循環大主應力幅值等對飽和軟粘土累積變形特性的影響，建立能考慮循環中主應力影響的飽和軟粘土累積應變預測模型。試驗結果表明，一方面，循環中主應力大大加快了永久中主應變的發展速度；另一方面，隨著循環中主應力系數的增大，永久大主應變的累積速度逐漸減小，表明循環中主應力的存在大大降低了路基在交通荷載下的沉降。

軟粘土；交通荷載；真三軸；累積變形

1 相關研究背景

我國東南沿海一帶廣泛分布著深厚軟粘土，軟粘土具有高壓縮性、低強度、高含水量等諸多不良工程性質。隨著經濟的高速發展，在軟粘土地區建有大量公路、鐵路、機場、地鐵等交通基礎設施。如何較好地預測和控制路基沉降一直是軟粘土地區交通建設的重點和難點。

大多數研究嘗試通過室內單元試驗探討交通荷載等動力荷載下飽和軟粘土的變形問題，如何真實地模擬動力荷載一直是關注的重點。在研究中，受到儀器的限制，試驗使用的應力路徑往往只包含單一方向的循環應力分量，如動三軸儀只能施加單一的循環偏應力。隨著巖土工程試驗儀器的開發，許多研究開始關注更加復雜應力路徑下飽和土體的動力特性。如基于雙向動單剪儀，探討兩個垂直方向的循環剪應力耦合形成的應力路徑對飽和砂土動力特性的影響［1-4］，以及兩個垂直方向的動剪應力組成的應力路徑對飽和砂土孔壓特性的影響［5］；基于空心圓柱扭剪儀，探討包括主應力軸旋轉的二維應力路徑對飽和土體變形、孔壓等特性的影響［6-10］；基于變圍壓動三軸試驗，通過循環偏應力與循環圍壓的耦合，模擬真實交通荷載下豎向循環正應力與水平循環正應力的耦合，探討循環圍壓對飽和軟粘土孔壓、永久變形和回彈特性的影響［1 1］。

已有研究基本基于軸對稱狀態（即σ2=σ3）［12-18］，這與實際交通荷載引起的動應力場不相符。交通荷載引起的動應力場中，除了豎向循環正應力之外，水平向循環正應力同時包括平行于路面方向的正應力及垂直于路面方向的正應力，而且垂直于路面方向的正應力幅值遠小于平行于路面方向的正應力幅值，如圖1所示。

圖1 交通荷載下路基土體中的動應力

鑒于此，本文基于GDS動靜真三軸測試系統，通過循環大主應力及循環中主應力的耦合，模擬交通荷載下豎向及水平向循環正應力的耦合，探討循環中主應力系數及循環大主應力幅值等對飽和軟粘土累積變形特性的影響，并建立考慮中主應力影響的飽和軟粘土累積變形預測公式。

2 試驗方案

2.1 試驗設備

所用設備為溫州大學GDS動靜真三軸測試系統（見圖2）。該設備由壓力室、加荷系統、數據收集系統等組成，可同時施加循環變化的大主應力及循環變化的中主應力。

2.2 試驗材料

試驗用土取自溫州市茶山高教園區某深基坑，深度約6m。取樣過程對土體的擾動小，可認為是未擾動的原狀土樣。在原土樣中切取長×高×寬為150×75×75（mm）的立方體土樣進行試驗。所用土樣的物理性質指標見表1。

表1 土樣的物理性質指標

2.3 循環中主應力系數bampl

在三維應力空間中，常用畢肖甫常數（中主應力系數）b來衡量中主應力與其他主應力的關系，即：

在動力試驗中，將（1）式改寫為：

其中定義bampl為循環中主應力系數。

2.4 試驗方案與應力路徑

3 試驗結果

3.1 永久中主應變

表2 試驗方案

圖3 三維空間中的應力路徑

圖4 循環中主應力系數對永久中主應變的影響

bampl相同但σ不同時循壞大主應力幅值對永久中主應變的影響如圖5所示。由圖5可知，σ越大，永久中主應變越大，表明σ可加速永久中主應變的發展。

3.2 永久大主應變

11組試驗永久大主應變隨加載周數的變化關系曲線如圖6所示。由圖6可知，每條曲線的斜率在試驗的初始階段較大，然后隨著加載周數的增加逐漸減小，表明永久大主應變的發展速率隨著加載周數的增大逐漸減慢。對比σ相同但bampl不同時各條曲線發現，bampl增大顯著降低了永久大主應變的累積速度，并且這種減緩程度隨著bampl的增大而增大，表明當σ相同時，循環中主應力限制了軸向應變（大主應力變）的發展。這表明在實際工程的路基設計中，增大路基水平約束可有效降低路基在交通荷載下的沉降。

圖5 循環大主應力幅值對永久中主應變的影響

需要特別指出的是，bampl=1時的永久大主應變大于bampl=0.5時的相應值，似乎背離了永久大主應變隨bampl的增加而減小的規律（見圖6c）。通過分析發現，這是由于循環中主應力幅值過大，導致試樣水平方向上發生嚴重變形，從而造成土樣破壞，加快了大主應變的發展。據此猜測，當循環中主應力幅值達到某一臨界值時，永久大主應變隨著bampl的增加而減小的規律將不再適用，對于此臨界值的取值有待于進一步深入研究。

圖6 永久大主應變隨加載周數的變化關系曲線

4 永久大主應變預測模型

為定量描述循環中主應力對永久大主應變的影響，給出N=5 000時6組試驗得到的永久大主應變值ε與相同循環大主應力幅值下，bampl=0時大主應變值ε0的比值與bampl的關系曲線，如圖7所示。可見，二者呈現出較好的線性關系，即：

（4）式表明，ε/ε0隨著bampl的增大而線性減小：bampl增加1，ε/ε0約減小0.876，即bampl=1時的永久大主應變約為bampl=0永久大主應變的0.124倍。

圖7 中主應變比與動應力比的關系

雙對數坐標下bampl=0時，即循環中主應力幅值為0時，永久大主應變與加載周數的關系曲線如圖8所示。

圖8 bampl=0時永久大主應變與加載周數的關系曲線

由圖8可知，在雙對數坐標圖中，當N＞100時，大主應變的發展曲線接近直線。因此，可得到bampl=0時永久大主應變與加載周數的關系式為：

即：

圖9 ε與ACSR的關系曲線

將（6）、（7）式代入（4）式中，即得到考慮循環中主應力影響永久大主應變的計算公式為：

圖10 計算值與試驗值的對比

5 結 論

本文基于GDS動靜真三軸測試系統，通過循環大主應力和循環中主應力的耦合，模擬交通荷載下豎向循環正應力與水平向循環正應力的耦合，得到以下結論：

（1）循環中主應力較大程度地增加了永久中主應變的累積速度。

（2）隨著循環中主應力系數的增大，永久大主應變的累積速度逐漸減小，表明循環中主應力的存在大大降低了路基在交通荷載下的沉降。

（3）建立了能考慮循環中主應力影響的飽和軟粘土累積應變預測模型。

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［責任編輯：孫林柱］

Study on the Dynamic Characteristics of Saturated Soft Clay with Coupling Effect of Main Stress in Circulation

ZHANG Tingting （Architecture Engineering Department， Wenzhou Vocational & Technical College， Wenzhou， 325035， China）

In order to better imitate the complex dynamic stress field resulting from traffic load， efforts have been made to imitate the vertical and horizontal normal stress coupling in circulation under traffic load.This study is based on triaxial GDS static and dynamic testing system.It is designed to explore the effect of main stress coefficient in circulation and main stress amplitude in circulation on the characteristics of accumulated deformation of saturated clay.And it is expected to create a model to predict the effect of main stress in circulation on the accumulated deformation of saturated clay.The test results reveal that on one hand， the main stress in circulation greatly speeds up the development of permanent principal strain； and on the other hand， with the increasing of main stress coefficient in circulation， the permanent principal strain slows down in accumulating， which shows that main stress in circulation greatly prevents roadbed from sinking under traffic load.

Saturated soft clay； Traffic load； True three axes； Accumulated deformation

10.13669/j.cnki.33-1276/z.2016.061

TU442；TU431

A

1671-4326（2016）03-0051-06

2016-06-17

張婷婷（1983—），女，山東濟寧人，溫州職業技術學院建筑工程系講師，碩士.