不同加載方式下飽和軟黏土動力特性的試驗研究

劉添俊，安關峰

(1. 廣州市市政集團有限公司，廣州 510060；2. 廣州市市政集團有限公司市政工程技術研究院，廣州 510060)

珠江三角洲水系發達，軟土分布廣泛，河堤數量眾多，隨著城鎮化程度的不斷提高，路網往往需要從河堤頂通過，在長期的交通荷載作用下，河堤路面出現了開裂、沉陷、坍塌等病害。因此，迫切需要對長期循環荷載作用下軟土的動力特性展開深入研究[1,2]。

長期循環荷載作用下累積塑性變形、孔壓變化、動模量和動阻尼比等是研究軟土動力特性的主要內容。Yashuara K[3]，Fujikawa K[4]，CHAI J C等[5]和Hyodo M[6]分別開展了土體的動模量特性、動阻尼比特性和動累積塑性變形特性的研究，Parr等[7]從累積應變速率的角度出發建立了倫敦黏土與循環次數的雙對數關系式。國內張勇[8]、黃茂松等[9,10]通過不排水動三軸試驗，研究了交通循環荷載作用下飽和重塑軟豁土的累積塑性應變發展形態，提出了飽和軟豁土的穩定型累積塑性應變方程。丁伯陽等[11]通過一系列動三軸試驗，得到了杭州軟土的動應力～應變骨干曲線以及相關動力特性參數，并研究了土體結構性對參數的影響；蔣軍[12]研究了茹土應變速率在循環荷載下的變化規律，考慮頻率、超固結比及循環應力等因素的影響；劉添俊等[13,14]長期循環壓縮荷載下飽和軟黏土的累積應變速率進行了研究。

從以上國內外的研究現狀中可以看出，循環荷載下的軟黏土的動力特性問題已有不少研究，但研究的內容主要集中在一種循環荷載波形(通常是使用雙幅對稱的正弦波荷載，即循環拉-壓荷載)的軟土特性。本文將針對不同循環荷載波形，對珠三角地區典型的飽和軟黏土分別進行了循環壓縮試驗與循環拉-壓試驗，通過對軸向累積應變發展規律和累積孔壓變化規律的比較，分析了飽和軟黏土在這2種循環荷載作用下的性狀差異，探討和研究飽和軟黏土在循環荷載作用下的應變和孔壓的變化規律，有助于分析長期循環荷載作用下軟土地基受力響應的機理。

1 循環三軸試驗

1.1 試驗土樣

圖1 飽和軟黏土的粒徑級配累積曲線Fig.1 Grain size accumulation curve of soft clay

1.2 試驗方案

試驗的目的是著重比較分析不同加載方式下飽和軟黏土變形規律，探討循環荷載與土體變形的對應關系，為路面設計以及控制工后沉降提供理論依據。

本次試驗是為了尋求飽和軟黏土在循環荷載下的變形響應，因此試驗停止的條件設為軸向應變達到15%(認為已進入塑性破壞)或軸向應變的變化趨于穩定(振動次數達到足夠多次變形依然變化不大)。

因此加載頻率的選取主要是出于對以下幾個因素的綜合考慮：①作用在軟土地基上的行車交通荷載以低頻分量為主，試驗加載頻率的選取應盡可能地接近實際荷載；②總結有關加載頻率對飽和軟黏土性狀影響的研究成果，前人的研究顯示在低頻長期循環荷載作用下(頻域為0.1～3.0 Hz)，加載頻率對黏土應變和孔壓的影響不大[10-12]。

在DDS-70微機控制電磁式振動三軸試驗儀上對重塑的珠江三角洲飽和軟黏土進行了循環荷載試驗，利用該儀器提供獨立的波形輸入系統，改寫了波形輸入文件，使得儀器不僅可以進行常規的循環拉-壓試驗，還可以進行循環壓縮試驗。荷載的施加采用應力控制的方式，在循環荷載作用過程中試樣處于不排水狀態，加荷的頻率為0.5 Hz，具體的試驗控制參數見表1，表1中的σd為循環應力幅值。

表1 試驗控制參數 kPa

為了比較分析試驗土樣在循環壓縮荷載與循環拉-壓荷載作用下的試驗結果，由靜三軸試驗得不同固結壓力下試驗土樣的不排水破壞強度：固結壓力為50 kPa，su=86.1kPa；固結壓力為100 kPa，su=128.4 kPa；固結壓力為150 kPa，su=165.1 kPa。

2 試驗結果及分析

2.1 循環壓縮試驗的試驗結果

圖2是試驗土樣在不同固結壓力下循環壓縮試驗的軸向動應變與振動次數的關系曲線，圖3(a)～(c)是試驗土樣在不同固結壓力下循環壓縮試驗的孔壓與振動次數的關系曲線。圖2、圖3中的R為循環應力幅值σd與固結壓力的比值。

圖2 飽和軟黏土循環壓縮荷載作用下的軸向應變～振次關系曲線Fig.2 Dynamic axial strain-cyclic number curves of saturated soft clay under one-way cycle loading

從圖2和圖3的試驗結果可以看到，在給定的固結壓力和動應力水平下，在加載初期，軸向累積應變和孔壓增加較快，土體的軸向累積應變和孔壓隨加荷周數的增加而累積增長。當循環應力大于或小于某個應力值時土體對應于完全不同的應變發展規律與孔壓發展規律，該應力值可以定義為對應固結壓力和固結條件下的臨界循環應力，當循環應力小于臨界循環應力，循環達到一定次數后累積軸向應變和孔壓趨于穩定；當循環應力大于臨界循環應力后，應變和孔壓隨加荷周數的增加迅速增加，并且土體在加荷周數較少的情況下就達到破壞。

不同固結壓力下，臨界循環應力不相同，固結壓力越大，臨界循環應力越大。通過引入臨界循環應力比，可以用不排水強度對臨界循環應力進行歸一化處理。臨界循環應力比為rc=σd/su，σd為循環應力幅值，su為不排水強度，對飽和黏土在各個固結壓力下的臨界循環應力進行歸一，結果見表2。珠江三角洲飽和軟黏土在循環壓縮荷載作用下的臨界循環應力比約為0.60。

表2 各個固結壓力下的臨界循環應力比 kPa

圖3 飽和軟黏土循環壓縮荷載作用下的孔壓～振次關系曲線Fig.3 Pore pressure number curves of saturated soft clay under one-way cycle loading

大體而言，在同一固結壓力下，孔壓發展速率隨循環應力幅值與固結壓力的比值增加而提高，但土體破壞時的孔壓值(對應于應變15%的孔壓值)則相反。前一現象是因為在小幅值循環荷載作用下，土顆粒間的相互錯動和位移較小，土體的剪縮過程較慢，因此孔壓上升的速率也較慢；后一現象與孔壓增長的累積效應以及軟黏土孔壓測量的滯后效應有關，一方面，孔壓隨振次不斷累積增長，雖然動應力幅值越小，孔壓增長速率越慢，但由于小幅值荷載作用下的破壞振次較大，最終的累積孔壓也能達到較大值，另一方面，當動應力較大時，試樣很快破壞，雖然破壞面孔壓值較大，但該孔隙水壓力來不及在土中重分布，導致孔壓傳感器所在位置的孔壓要小于破壞面處的孔壓，動應力越小，試樣破壞所需的振次越大，土中孔壓就有越多的時間進行重分布，孔壓滯后效應就越小，測得的孔壓值也就越接近真實值，因此測得土體破壞時的孔壓值反而越大。

2.2 循環拉-壓試驗的試驗結果

圖4是試驗土樣在不同固結壓力下循環拉-壓試驗的軸向動應變與振動次數的關系曲線。

圖4 飽和軟黏土循環拉-壓荷載作用下的軸向應變～振次關系曲線Fig.4 Dynamic axial strain-cyclic number curves of saturated soft clay under tow-way cycle loading

從圖4可以看到循環拉-壓荷載作用下飽和軟黏土在各固結壓力下的軸向應變隨振次增加的發展變化過程，土樣在循環拉-壓荷載作用的初期，軸向應變展緩慢，當循環荷載作用到一定次數后，應變曲線上會出現轉折點，土樣變形急劇增大，再經過很少的振次，土樣就達到破壞。Seed等(1955年), Larew (1960年)，Sangrey (1968年), Mitchell和King (1977年)，Raymond等(1979年)以及陳穎平(2005年)用雙幅對稱的循環荷載對黏土進行的不排水循環荷載試驗中都觀察到這種現象，飽和軟黏土在循環拉-壓荷載作用下的破壞往往比較突然，具有脆性破壞的特征。

定義變形發展過程中出現的轉折點應變為εz，將應變轉折點對應的振次定義為Nz,土體軸向應變出現突然增大的轉折點應變并不是定值，而是隨所施加的動荷載幅值而變化，動應力幅值越大，則該轉折點出現得越早，對應的應變εz也越大。這些應變轉折點基本落在一條直線上，如圖4中的虛線所示。εz與Nz之間的關系可以用直線方程來擬合：

εz=αlogNz+β

(1)

式中：α、β為擬合系數，不同固結壓力下的α、β值見表3。

從表3可以看出，在不同的固結壓力下，α、β的值變化不大，基本上保持為一常量。

表3 不同固結壓力下擬合系數α、β的取值Tab.3 Value of α and β under different confining pressure

用飽和軟黏土各固結壓力下的不排水強度對轉折點振次Nz與動應力幅值σd的關系進行歸一處理，得到Nz～σd/su的關系曲線，如圖5所示。從圖5可以看到，各固結壓力下，不同動應力幅值σd對應的轉折點振次Nz和σd/su表現出合理的歸一化，Nz～σd/su的關系曲線趨于一條穩定曲線，當荷載的循環次數很大時，σd/su趨于一個穩定值。可以把該值看作是飽和軟黏土在循環拉-壓荷載作用下的臨界應力水平，當土體的應力水平小于該值時，不論循環拉-壓荷載作用次數多大，飽和軟黏土都不會發生破壞。從圖6可以看到，在循環拉-壓荷載作用下，飽和黏土的臨界循環應力比約為0.16。與循環壓縮荷載下的臨界循環應力比相比，飽和黏土在循環拉-壓荷載下的臨界循環應力比要低得多。

圖5 不同固結壓力下飽和軟黏土Nz～σd/su關系曲線Fig.5 Nz～σd/su curve of saturated soft clay under different confining pressures

圖6 飽和軟黏土循環拉-壓荷載作用下的孔壓～振次關系曲線Fig.6 Pore pressure number curves of saturated soft clay under tow-way cycle loading

從圖6可以看到飽和軟黏土在各固結壓力下的孔壓隨循環拉-壓荷載的循環次數變化而變化的過程。與軸向應變不同，無論循環荷載幅值多大，孔壓均隨振次不斷上升，不具有在土結構破壞時突然變化的特征。孔壓上升的速度，與循環應力水平有較大的關系，循環應力水平越大，孔壓上升得越快；孔壓的累積變化量與固結壓力的大小有關，固結壓力越大，累積的孔壓就越高。

2.3 試驗結果的比較分析

通過上述對飽和軟黏土循環壓縮試驗與循環拉-壓試驗結果的分析，可以看到在這2種不同形式的循環荷載作用下飽和軟黏土的動力特性有很大的不同。

在循環壓縮荷載作用下，飽和軟黏土的臨界循環應力比要比循環拉-壓荷載下的臨界循環應力比大得多；同時，循環壓縮荷載作用下飽和軟黏土變形的累積效應更加明顯。從累積應變和累積孔壓隨振動次數的發展規律來看，循環壓縮荷載作用下，當動應力小于臨界動應力，飽和軟黏土的軸向應變與孔壓在加載初期不斷地累積增大，加載循環達到一定次數后累積軸向應變和累積孔壓趨于穩定；而當動應力大于臨界動應力，應變和孔壓隨加荷周數的增加迅速增加，并且在加荷周數較少的情況下就達到破壞值。在循環拉-壓荷載作用下，飽和軟黏土的累積軸向應變，在土的結構破壞時會出現突然變化，呈現出脆性破壞的特征；然而，與動應變不同，孔壓不具有在土結構破壞時突然變化的特征。

關于飽和軟黏土在這2種不同循環加載方式下軸向累積應變發展規律的差異，可以從飽和軟黏土的軟化機理來分析。在循環拉-壓荷載作用下飽和軟黏土軟化的機理主要是飽和軟黏土在循環拉-壓荷載作用下孔壓隨振動次數增加而不斷增大，土體的有效圍壓不斷減少，飽和黏土產生了減壓軟化；由于出現應力反向，對飽和黏土顆粒間的膠結鏈產生了較大程度的破壞，土體發生了較明顯的損傷軟化。循環拉-壓荷載作用下飽和軟黏土的破壞是減壓軟化與損傷軟化共同作用的結果，是一種漸進損傷破壞。在損傷破壞的條件下土體結構的變化伴隨著應變的發展，累積應變曲線上轉折點的出現標志土體結構即將出現坍塌性破壞。在轉折點出現以前，飽和軟黏土的土體結構還保持得較完好，通常這個過程中土體在循環拉-壓荷載作用下的變形并不大，因此轉折點上的軸向累積應變較小。在循環壓縮荷載作用下，土體中不會出現反方向的應力，顆粒間膠結鏈破壞的程度遠小與循環拉-壓荷載作用下的情況，即循環壓縮荷載作用下土體的損傷軟化特征不明顯。土體的軟化主要包括減壓軟化與剪脹軟化，減壓軟化是由于孔壓隨振動次數增加而不斷增大，土體的有效圍壓不斷減少而造成的，剪脹軟化是與剪脹過程中顆粒組構變化有關的一種軟化，反映顆粒接觸面狀態的變化，在循環壓縮荷載作用下，由于是單向加載，土體的偏應力只發生在壓縮一側，使顆粒之間很容易沿某一方向錯動或滑動而形成剪切面造成內摩阻力減小，相當于黏土摩擦強度中顆粒咬合力的喪失。由于摩擦強度的發揮需要較大的應變，因此循環壓縮荷載下飽和軟黏土的臨界應變要比循環拉-壓荷載下大得多。同時由于土體的偏應力只發生在壓縮一側，致使飽和軟黏土在循環壓縮荷載下軸向應變的累積效應要明顯得多。

比較2種循環荷載下孔壓隨振動次數的變化規律，可以發現：在循環壓縮荷載作用下，飽和軟黏土的孔壓發展規律與其軸向應變的發展規律相似；在循環拉-壓荷載作用下，孔壓發展規律與軸向應變不同，孔壓隨振次不斷上升，不具有在土結構破壞時突然變化的特征。參照上面可以看到，大體上飽和軟黏土的孔壓在循環拉-壓荷載條件下發展得較快，當軸向應變達到15%時，孔壓的發生量為80%～90%；在循環壓縮荷載作用下，當軸向應變達到15%時，飽和軟黏土的孔壓發生量為60%～70%。這是由于飽和軟黏土在循環拉-壓荷載作用下，土體內會出現反方向的剪應力，剪應力反向將會增加動孔壓的累積。

3 結 論

針對前言工程背景提及的河堤路面病害問題，本文的試驗結果可以為病害的防治提供有益的參考。

(1)通過引入臨界循環應力比，可以用不排水強度對臨界循環應力進行歸一化處理。在其他條件相同的情況下，試樣循環壓縮荷載下的臨界循環應力比約為0.60，循環拉-壓荷載下的臨界循環應力比約為0.16。

(2)土體內會出現反方向的剪應力,會增加動孔壓的累積，對于飽和軟黏土，孔壓在循環拉-壓荷載條件下發展得較快，當軸向應變達到15%時，孔壓的發生量為80%～90%；在循環壓縮荷載作用下，當軸向應變達到15%時，飽和軟黏土的孔壓發生量為60%～70%。

(3)作用在土體上的交通荷載，其作用形式比較復雜，其表現形式有循環壓縮、循環拉-壓、主應力軸旋轉等，但通過試驗結果的比較，在進行河堤路面設計時，可以偏保守地選用循環拉-壓荷載的試驗結果。

(4)根據臨界循環應力比和土質情況，確定交通荷載擴散到每層土層中的允許循環應力，根據作用在路面上循環荷載的大小以及該允許循環應力，就可以為設計確定路面和基層的厚度以及剛度提供計算依據。

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