固結(jié)時(shí)間對(duì)軟土動(dòng)力特性影響的試驗(yàn)研究1

蘭景巖 王延偉 曹振中 劉 娟

1）北京工業(yè)大學(xué)，北京 100022

2）桂林理工大學(xué)，廣西桂林 541004

3）中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所，哈爾濱 150080

0 引言

固結(jié)是指在荷載或其他因素作用下，土體孔隙中水分逐漸排出、體積壓縮、密度增大的現(xiàn)象，是室內(nèi)試驗(yàn)還原土體實(shí)際應(yīng)力的重要過程，同時(shí)也是準(zhǔn)備土動(dòng)力前期試驗(yàn)的重要環(huán)節(jié)。在動(dòng)三軸、共振柱等土動(dòng)力試驗(yàn)開始前，需對(duì)土體施加反壓排水固結(jié)，但對(duì)于穩(wěn)定固結(jié)時(shí)間而言，目前尚未有明確的答案和公認(rèn)的結(jié)論，相關(guān)規(guī)范中關(guān)于固結(jié)時(shí)間的規(guī)定較為模糊，《土工試驗(yàn)規(guī)程》（SL 237—1999，中華人民共和國(guó)水利部，1999）規(guī)定粘土試樣1 小時(shí)內(nèi)固結(jié)排水量變化不大于0.1cm3；《地基動(dòng)力特性測(cè)試規(guī)范》（GB/T 50269—2015，中國(guó)人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，2015）則指出在靜力作用下固結(jié)穩(wěn)定即可試驗(yàn)。

研究結(jié)果表明（Yilmaz 等，2004；Frost 等，2004；Rao 等，2007），剪切模量和阻尼隨著地質(zhì)年齡而變化，其中粘性土所受影響較砂土更大。Anderson 等（1978）采用動(dòng)剪切模量增量系數(shù)描述土體動(dòng)剪切模量隨固結(jié)時(shí)間增加而增大的規(guī)律。但也有研究表明，粘性土動(dòng)力特性受固結(jié)應(yīng)力歷史的影響有限，粘性土孔隙比隨應(yīng)力狀態(tài)與應(yīng)力歷史變化，而動(dòng)剪切模量比曲線則幾乎不受應(yīng)力狀態(tài)與應(yīng)力歷史的影響（陳國(guó)興等，1995）。可知，關(guān)于固結(jié)時(shí)間或應(yīng)力歷史對(duì)粘性土的動(dòng)力特性影響的研究結(jié)論尚未統(tǒng)一，仍存在爭(zhēng)議?；诖?，王炳輝等（2009）通過軟粘土自振柱試驗(yàn)，分析固結(jié)時(shí)間對(duì)軟粘土最大動(dòng)剪切模量、動(dòng)剪切模量比和試樣尺寸的影響，并得到有益結(jié)論。熊偉等（2011）進(jìn)行室內(nèi)動(dòng)三軸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，在排水固結(jié)階段，隨著固結(jié)時(shí)間的推移，剪切模量曲線上升而阻尼比曲線下降。此外，隨著地震安全性評(píng)價(jià)工作在我國(guó)的廣泛開展，為滿足土動(dòng)力學(xué)參數(shù)測(cè)試日益增多的需求，并提高試驗(yàn)工作效率，通常采用1h 或3h 的快速方法對(duì)土體進(jìn)行固結(jié)，研究結(jié)果顯示（劉霞等，2010），兩種試驗(yàn)結(jié)果差別不大。

總的來(lái)看，在動(dòng)三軸或共振柱等土動(dòng)力試驗(yàn)中，由于沒有具體的規(guī)范界定土體固結(jié)時(shí)間，也沒有可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為依據(jù)，使得這一問題往往被人們所忽視，固結(jié)時(shí)間過長(zhǎng)或過短都不能客觀反映土體真實(shí)的受力狀態(tài)和應(yīng)力水平，特別是軟土，因其具有含水量高、孔隙率大等特性，實(shí)驗(yàn)室中試樣制備、儀器裝樣等過程較困難，因此軟土的固結(jié)試驗(yàn)成為科研人員關(guān)注的焦點(diǎn)（劉洋等，2013；雷華陽(yáng)等，2014；蘭景巖，2016）。故基于上述觀點(diǎn)，擬通過室內(nèi)動(dòng)三軸試驗(yàn)，對(duì)比不同固結(jié)時(shí)間對(duì)土動(dòng)力特性的影響，定性分析濱海軟土動(dòng)力特性參數(shù)隨固結(jié)時(shí)間的變化，重點(diǎn)考察工程關(guān)注的動(dòng)剪切模量和阻尼比試驗(yàn)結(jié)果。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)用土

試驗(yàn)用土均為原狀土，采自天津?yàn)I海新區(qū)，屬濱海沉積相軟粘土，呈軟塑狀，含水量較高，孔隙比較大，形態(tài)較松軟，物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表1 所示。

表1 試驗(yàn)用土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo) Table 1 Physical and mechanical properties of test soft soil

1.2 儀器設(shè)備

采用目前較為先進(jìn)的英國(guó)GDS 商業(yè)型動(dòng)態(tài)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)（型號(hào)為ELDyn，見圖1），可在荷載控制或位移控制的條件下對(duì)試樣進(jìn)行循環(huán)加載，提供4 通道的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集，并帶有16比特?cái)?shù)據(jù)采集和軸向作動(dòng)器的編碼器，編碼器可提供高精度的位置反饋。基本參數(shù)為：最大軸向位移100mm，最大軸向荷載5kN（5Hz），可使用不同尺寸的試樣，試樣直徑最大可達(dá)150mm。

1.3 飽和方式和固結(jié)試驗(yàn)

所取土樣均位于地下水位之下，處于或接近于飽和狀態(tài)。由于土樣在獲取、運(yùn)輸、儲(chǔ)存過程中均有不同程度的失水現(xiàn)象，需飽和后進(jìn)行試驗(yàn)，為提高飽和度，采用真空抽氣與反壓飽和的方式，即按《土工試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行抽氣飽和，真空抽氣2h 后水中靜置10h。反壓飽和，即先施加20kPa 圍壓進(jìn)行預(yù)壓，然后分級(jí)施加（每級(jí)增量約30kPa）反壓和圍壓，先施加圍壓后施加反壓，始終保持圍壓比反壓大20kPa，其中有效圍壓保持為100kPa。

圖1 GDS 動(dòng)三軸反壓控制系統(tǒng) Fig.1 Back pressure control system of GDS triaxial test

采用均等固結(jié)不排水試驗(yàn)，先施加20kPa 圍壓，然后逐級(jí)施加均等的圍壓和軸向壓力，直至預(yù)定壓力。固結(jié)時(shí)間分別為8h、12h、24h、48h，以便定性分析固結(jié)時(shí)間對(duì)土動(dòng)力特性的影響。

1.4 加載方式

動(dòng)剪切模量、阻尼比試驗(yàn)采用應(yīng)變控制，應(yīng)變?cè)O(shè)為1×10-4—5×10-2，6 級(jí)左右，每級(jí)應(yīng)隨機(jī)設(shè)定；為減少累積的振動(dòng)次數(shù)對(duì)試樣剛度的影響，每級(jí)振動(dòng)次數(shù)為3 次。

2 分析方法

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)試驗(yàn)方案，取同一位置、同一深度的同種土，分別采用不同固結(jié)時(shí)間（8h、12h、24h、48h），在保證施加的圍壓、軸壓和動(dòng)應(yīng)力完全一致的情況下，對(duì)4 個(gè)試樣進(jìn)行平行試驗(yàn)。圖3 所示為不同固結(jié)時(shí)間下飽和濱海軟土試樣動(dòng)應(yīng)力-動(dòng)應(yīng)變曲線，由圖3 可知，應(yīng)力方向變化時(shí)，應(yīng)變也隨之變化，即出現(xiàn)壓應(yīng)變和拉應(yīng)變的反轉(zhuǎn)；隨著循環(huán)次數(shù)的增加，動(dòng)應(yīng)力-動(dòng)應(yīng)變曲線的形狀也發(fā)生變化；隨著動(dòng)剪切應(yīng)變的發(fā)展，動(dòng)應(yīng)力-動(dòng)應(yīng)變曲線的形狀最終發(fā)展為S 形。

圖3 動(dòng)應(yīng)力-動(dòng)應(yīng)變滯回曲線 Fig.3 Stress-strain hysteresis loop by different consolidation time

利用動(dòng)三軸試驗(yàn)得到濱海軟土動(dòng)剪切模量和動(dòng)剪切應(yīng)變間的關(guān)系，采用雙曲線骨架曲線模型，可求得試驗(yàn)特征參數(shù)a、b值、Gmax、λmax、τulb與固結(jié)時(shí)間的關(guān)系，如圖4、表2 所示。

圖4 動(dòng)剪切模量和阻尼比的擬合結(jié)果對(duì)比 Fig.4 Comparison of fitting result for dynamic modulus and damping

表2 動(dòng)三軸試驗(yàn)特征參數(shù)擬合值 Table.2 Characteristic fitting parameters of dynamic triaxial test

由表2 可知，Gmax隨著固結(jié)時(shí)間的增加而增大，λmax與τulb則隨著固結(jié)時(shí)間的增加而減小。根據(jù)上述結(jié)論，繪制固結(jié)時(shí)間與Gmax和λmax的關(guān)系曲線，如圖5 所示。由圖5 可知，固結(jié)時(shí)間與Gmax、λmax呈現(xiàn)一定線性關(guān)系。其中，固結(jié)時(shí)間為48h 的Gmax為固結(jié)時(shí)間8h 的1.76 倍，而λmax為0.69 倍。

圖5 Gmax、λmax 與固結(jié)時(shí)間的關(guān)系 Fig.5 The relationships between consolidation time and Gmax, λmax

根據(jù)表2 試驗(yàn)結(jié)果，擬合得到不同固結(jié)時(shí)間下動(dòng)剪切模量比Gd/Gmax、阻尼比λ與動(dòng)剪切應(yīng)變?chǔ)胐的關(guān)系曲線（見圖6）。由圖6 可知，Gd/Gmax隨著γd的增大而減小，λ隨著γd的增大而增大。曲線變化趨勢(shì)隨著固結(jié)時(shí)間的變化而變化，其中動(dòng)剪切模量比受固結(jié)時(shí)間的影響較顯著，且隨著固結(jié)時(shí)間的增加而減小。阻尼比同樣受固結(jié)時(shí)間的影響，以γd=0.26×10?4為分界點(diǎn)，當(dāng)γd＞0.26×10?4時(shí)，λ隨著固結(jié)時(shí)間的增加而減??；當(dāng)γd＜0.26×10?4時(shí)，λ隨著固結(jié)時(shí)間的增加而增大。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因，可根據(jù)阻尼比的定義（正比于滯回圈和三角形面積之比）進(jìn)行分析，在循環(huán)振動(dòng)過程中，阻尼比隨著動(dòng)剪切應(yīng)變動(dòng)態(tài)變化。由圖3 可知，隨著動(dòng)剪切應(yīng)變的逐漸升高，滯回圈的面積隨之增大，但8h 固結(jié)條件下的滯回圈和三角形面積之比先大后小，而48h 固結(jié)條件下的滯回圈和三角形面積之比則先小后大，在8h 固結(jié)條件下滯回圈先小后大，而在48h 固結(jié)條件下滯回圈則先大后小，阻尼比在動(dòng)剪切應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)的過程中可能達(dá)到平衡，即出現(xiàn)分界點(diǎn)。具體結(jié)果還需多組平行試驗(yàn)進(jìn)行有效驗(yàn)證，進(jìn)而提高試驗(yàn)結(jié)果的精度。

圖6 Gd/Gmax -γd 和λ-γd 曲線 Fig.6 The curve of G/Gmax -γ and λ-γ under different consolidation time

為滿足工程需要，計(jì)算目前廣泛使用的土粘彈性等價(jià)線性本構(gòu)模型中常用的8 個(gè)典型動(dòng)剪切應(yīng)變下的動(dòng)剪切模量比和阻尼比，結(jié)果表3 所示。

表3 典型動(dòng)剪切應(yīng)變下的動(dòng)剪切模量比與阻尼比 Table.3 The values of shear modulus and damping ratio by typical shear strains

4 結(jié)論

針對(duì)天津?yàn)I海軟土，利用動(dòng)三軸試驗(yàn)儀，通過應(yīng)變控制施加循環(huán)荷載進(jìn)行模量、阻尼試驗(yàn)，初步分析動(dòng)三軸固結(jié)時(shí)間對(duì)濱海軟土動(dòng)力特性參數(shù)的影響，得出以下結(jié)論：

（1）隨著固結(jié)時(shí)間的增加，最大動(dòng)剪切模量Gmax有逐漸減小的趨勢(shì)，而最大阻尼比λmax和極限抗剪強(qiáng)度τulb隨之增大，并呈現(xiàn)一定的線性關(guān)系。

（2）動(dòng)剪切模量比Gd/Gmax隨著動(dòng)剪切應(yīng)變?chǔ)胐的增大而減小，阻尼比λ隨著動(dòng)剪切應(yīng)變?chǔ)胐的增大而增大。試驗(yàn)結(jié)果表明，固結(jié)時(shí)間對(duì)Gd/Gmax-γd曲線、λ-γd曲線的影響較大，γd相同時(shí)，Gd/Gmax隨著固結(jié)時(shí)間的增大而減小。對(duì)于阻尼比而言，以γd=0.26×10?4為分界點(diǎn)，當(dāng)γd＞0.26×10?4時(shí)，阻尼比隨著固結(jié)時(shí)間的增加而增大；當(dāng)γd＜0.26×10?4時(shí)，阻尼比隨著固結(jié)時(shí)間的增加而減小。

由于天然軟土含水量高、孔隙比大等特殊物理力學(xué)性質(zhì)，在動(dòng)三軸試驗(yàn)中會(huì)受到制樣難和裝樣難等條件制約，并直接影響固結(jié)試驗(yàn)的成功率，也導(dǎo)致本研究中平行試驗(yàn)未能得到多組試驗(yàn)數(shù)據(jù)。此外，對(duì)于更長(zhǎng)的固結(jié)時(shí)間對(duì)軟土動(dòng)力特性的影響將在下一步工作中進(jìn)行研究。