結(jié)構(gòu)性軟黏土循環(huán)荷載下的軟化特性研究

黃鑫， 丁智， 孫苗苗， 虞建剛， 職非韓， 黃燦

（1.浙江大學建筑工程學院，杭州 310058；2.浙大城市學院土木工程系，杭州 310015）

0 引言

自20世紀初土體的結(jié)構(gòu)性概念問世以來，關(guān)于結(jié)構(gòu)性的研究已經(jīng)從最初的概念描述發(fā)展到如今的圖像分析和定量研究階段，隨著不斷深入研究，研究者們發(fā)現(xiàn)土體的結(jié)構(gòu)性對其力學性質(zhì)起著決定性作用。沈珠江院士將土體結(jié)構(gòu)性稱為21世紀巖土工程學科發(fā)展的核心問題[1]。

研究表明軟黏土在循環(huán)荷載下會產(chǎn)生軟化現(xiàn)象，導致土體的沉降，對實際的工程建設(shè)產(chǎn)生不良影響。張華慶等[2]對波浪循環(huán)荷載作用下軟黏土軟化機理進行了總結(jié)，闡述了軟黏土在循環(huán)荷載作用下，會發(fā)生變形增加、強度降低的軟化現(xiàn)象。張勇等[3]總結(jié)了在循環(huán)荷載作用下，隨著循環(huán)周次的增加，土體均存在不同程度的剛度軟化現(xiàn)象。莊海洋等[4]就列車振動引起的路基沉降進了動荷載作用下新近沉積片狀細砂的振動排水特性和豎向累積變形特性的研究，為列車振動荷載作用下的砂性土動力學特性研究提供了參考。蒲黍絛等[5]以上海地鐵9號線為工程背景，在實測的基礎(chǔ)上，對地鐵循環(huán)荷載作用下隧道周邊軟黏土的動力響應(yīng)特性進行了研究。陳蔚[6]通過現(xiàn)場實測，確定了地鐵列車行駛引起的隧道周圍土體的響應(yīng)頻率分布區(qū)域后，并采用動三軸試驗分析不同動應(yīng)力比和頻率對土體動強度的影響。羅文俊等[7]對飽和重塑紅黏土進行單向加載循環(huán)三軸試驗，結(jié)果表明隨著動應(yīng)力比的增大,土體的軟化程度也越大，但在較高的循環(huán)振次下，軟化程度減弱。在軟土的結(jié)構(gòu)性特性方面，臧濛[8]對湛江結(jié)構(gòu)性軟黏土進行了考慮不同靜偏應(yīng)力對循環(huán)動力特性影響的試驗研究，結(jié)果表明靜偏應(yīng)力的改變會影響土體孔隙水壓力的變化，孔壓在土體破壞后呈負增長，出現(xiàn)明顯的拐點。隨著研究不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)在工程實踐中重塑土與原狀土相比存在著截然不同的力學性質(zhì)。賈富利和許華青[9]利用GCTSSTX-100雙向振動三軸儀對甘肅中試廠的地基土進行了原狀土與重塑土對比特性試驗，得出了重塑土與原狀土之間較大的力學性質(zhì)差別。與具有結(jié)構(gòu)性的原狀土相比，重塑土的結(jié)構(gòu)性較弱，在具體工程實踐中容易產(chǎn)生計算結(jié)果與實際值誤差較大的問題。綜合以上研究成果發(fā)現(xiàn)，目前國內(nèi)研究大多以重塑軟土為主，構(gòu)建的模型也僅僅是針對重塑土提出的，且重塑土樣與結(jié)構(gòu)性土存在顯著的力學性質(zhì)差異（剛度和應(yīng)變軟化），以重塑土為研究對象而得到的軟土的軟化特性與實際情況不符，基于此，文中選取濱海結(jié)構(gòu)性原狀土進行相關(guān)室內(nèi)循環(huán)三軸試驗，研究了有效固結(jié)圍壓、振動頻率以及動應(yīng)力比對結(jié)構(gòu)性軟黏土軟化發(fā)展規(guī)律的影響，建立了飽和軟黏土的經(jīng)驗軟化模型，并驗證了模型的準確性，模型可以為實際工程中地基土層的長期沉降預(yù)測以及計算提供了一定理論基礎(chǔ)。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗土樣

試驗用土取自杭州市濱海地區(qū)，土樣的基本物理特性指標如表1所示，土體經(jīng)過取土、切削完成后，放入真空飽和器中真空飽和24h，操作過程嚴格按照GB/T 50123-2019《土工試驗方法標準》的規(guī)定進行，所制土樣直徑5cm，高10cm。

表1 土體的基本物理特征指標

1.2 試驗方案

為了探究濱海結(jié)構(gòu)性飽和軟黏土的動力特性，采用GDS動三軸儀對原狀軟黏土進行了循環(huán)加載試驗研究，以期得到有效固結(jié)圍壓、振動頻率以及動應(yīng)力比對累積應(yīng)變發(fā)展規(guī)律的影響。根據(jù)波浪、交通等動力荷載的頻率，選取了0.1、0.5、1Hz三個頻率，同時為了保證土體結(jié)構(gòu)性，采用K0固結(jié)方式，固結(jié)時間設(shè)為96h，選取階梯型動應(yīng)力比加載方式，試驗方案如表2所示。表中循環(huán)應(yīng)力比 CSR=τd/Cu，其中 τd=σd/2，σd為軸向循環(huán)動應(yīng)力，Cu為土體不排水強度。

表2 試驗方案

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 軟化指數(shù)定義

軟化指數(shù)最早由Idriess等[10]提出，文中在Idriss軟化指數(shù)δ的定義基礎(chǔ)上，考慮到試驗加載方式為應(yīng)力控制，采用王軍[11]定義的軟化指數(shù)δ公式：

式中，qmax、qmin分別為每次循環(huán)中的最大和最小偏應(yīng)力；ε1,max、ε1,min分別為第一次循環(huán)中最大和最小軸向應(yīng)變；εN,max、εN,min分別為第N次循環(huán)中最大和最小軸向應(yīng)變。

2.2 有效圍壓的影響

如圖1所示為土體循環(huán)荷載作用下不同有效圍壓的軟化指數(shù)隨循環(huán)次數(shù)的變化情況，從圖上可以看到，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，各級振動頻率下的軟化指數(shù)均呈減小的趨勢，土體的軟化程度提高，這與YASUHARA等[12]的結(jié)論一致。從曲線的發(fā)展趨勢來看，土體在有效圍壓為100kPa下的軟化指數(shù)減小速率遠小于有效圍壓為50kPa時的軟化指數(shù)減小速率，如圖1（b）所示，在相同的循環(huán)次數(shù)N=100時，有效圍壓100kPa對應(yīng)的土體軟化指數(shù)為0.85，而相應(yīng)的有效圍壓為100kPa時的軟化指數(shù)僅為0.75，約為前者的88%，又如圖1（c）所示，當循環(huán)次數(shù)為10000次時的有效圍壓為100kPa對應(yīng)的軟化指數(shù)為0.83，有效圍壓50kPa則為0.78。此外，從圖中還可以看出，當有效圍壓為100kPa時，軟化指數(shù)與循環(huán)次數(shù)對數(shù)值lgN的關(guān)系多為線性關(guān)系，而當有效圍壓為50kPa，且循環(huán)次數(shù)>100時，軟化指數(shù)與循環(huán)次數(shù)對數(shù)值lgN的關(guān)系不再是線性而是曲線了，如圖1（a）～圖1（f）所示。以上分析表明，有效圍壓對于土體的軟化指數(shù)有著顯著的影響，增大有效圍壓可以有效減小土體軟化指數(shù)的發(fā)展速率。

圖1 不同有效圍壓下的軟化指數(shù)隨振次的變化曲線

2.3 加載頻率的影響

圖2為試樣在有效圍壓為50、100kPa時不同加載頻率影響下軟化指數(shù)的發(fā)展情況。

圖2 不同頻率下的軟化指數(shù)

由圖可知，隨著振次增加，不同有效圍壓下的軟化指數(shù)均呈遞減的趨勢，且遞減速率隨著循環(huán)次數(shù)的繼續(xù)增加而趨緩，這與周建和龔曉楠[13]的研究結(jié)果一致。此外，試樣軟化指數(shù)在加載頻率為0.1Hz下衰減最快，其次為1Hz試樣，0.5Hz試樣軟化指數(shù)衰減速度則最慢，以圖2（b）為例，在循環(huán)次數(shù)為1000時，對應(yīng)的軟化指數(shù)分別為0.73、0.75、0.85，這說明頻率對軟化指數(shù)衰減影響并非為線性的。對比圖2（a）、圖2（b）、圖 2（d），當頻率較低時（f=0.1），土樣在較低的次數(shù)軟化指數(shù)的迅速衰減，這是因為當土體處于低頻循環(huán)荷載作用下，孔壓有足夠的上升時間，而當頻率較大時（f≥0.5）時，試樣在較大的次數(shù)（100000）才發(fā)生破壞，可見頻率對軟化指數(shù)的影響顯著。

2.4 循環(huán)應(yīng)力比的影響

圖3表示的是不同循環(huán)應(yīng)力比下軟化指數(shù)隨加載次數(shù)變化的發(fā)展曲線。從圖中可以看出，軟化指數(shù)隨著加載次數(shù)的增加而逐漸衰減，土體的軟化程度提高。

圖3 不同循環(huán)應(yīng)力比下的軟化指數(shù)

從圖3可知，循環(huán)荷載作用下，當循環(huán)應(yīng)力比較大時CSR=0.6,土樣在很小的循環(huán)次數(shù)下就發(fā)生破壞，而當循環(huán)應(yīng)力比較小時CSR=0.3，土樣經(jīng)歷較高的循環(huán)次數(shù)才發(fā)生破壞，這是因為CSR=0.6時，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，土樣累積應(yīng)變與孔壓上升緩慢上升，而CSR=0.3（<0.6）時的累積應(yīng)變與孔壓則迅速上升，此時可以認為CSR=0.6為臨界循環(huán)應(yīng)力比。

3 軟化模型

目前對于描述土體軟化特性的模型建立已經(jīng)取得了很多成果，由前述分析可知，軟化指數(shù)與加載次數(shù)對數(shù)值之間呈線性關(guān)系，基于此文中綜合考慮有效圍壓、循環(huán)應(yīng)力比、加載頻率對軟化指數(shù)得影響，建立如下關(guān)系式來描述軟化指數(shù)與循環(huán)次數(shù)對數(shù)值的關(guān)系。

式中，B為循環(huán)軟化參數(shù)；N為循環(huán)次數(shù)。對軟化指數(shù)和循環(huán)次數(shù)的關(guān)系進行回歸分析，得出實測值與計算值對比見圖4。擬合試驗結(jié)果見表3。各組試樣采用不同的試驗參數(shù)，對比分析擬合后相關(guān)性系數(shù)都超過0.99，且各曲線走勢和變化速率與預(yù)計曲線完全吻合，驗證了上述軟化指數(shù)與循環(huán)次數(shù)對數(shù)值關(guān)系的正確性，同時表明試驗結(jié)果的可靠性。

圖4 實測值與計算值對比曲線

表3 軟化參數(shù)

4 結(jié)語

為了探究濱海結(jié)構(gòu)性飽和軟黏土的循環(huán)軟化性狀，采用GDS動三軸儀對杭州原狀軟黏土進行了循環(huán)加載試驗研究，分別考慮了有效圍壓、頻率和動應(yīng)力比對軟化指數(shù)發(fā)展規(guī)律的影響，得到了以下幾點結(jié)論：

（1） 隨著循環(huán)次數(shù)的增加，各級振動頻率下的軟化指數(shù)均呈減小的趨勢，土體的軟化程度提高；相同試驗條件下，與高圍壓相比（100kPa）低圍壓下土樣的軟化指數(shù)發(fā)展速率更快，也就是說土樣更加容易發(fā)生破壞，軟化速度更快，這說明有效圍壓對于土體的軟化指數(shù)有著顯著的影響，增大有效圍壓可以有效減小土體軟化指數(shù)的發(fā)展速率。

（2） 頻率對軟化指數(shù)有顯著的影響，試樣軟化指數(shù)在加載頻率為0.1Hz下衰減最快，其次為1Hz試樣，0.5Hz試樣軟化指數(shù)衰減速度則最慢，這說明頻率對軟化指數(shù)衰減影響程度不以線性變化，高頻和低頻的動荷載激振場會使軟黏土產(chǎn)生較明顯的軟化現(xiàn)象。

（3） 存在臨界循環(huán)應(yīng)力比（CSR=0.6），當CSR<0.6時，土樣經(jīng)歷較高循環(huán)次數(shù)才發(fā)生破壞，而當CSR=0.6時，試樣在較小的循環(huán)次數(shù)就發(fā)破壞，這是因為累積應(yīng)變與孔壓上升速率差異導致的，這也說明循環(huán)應(yīng)力比的增加會顯著提高土體的軟化程度，加快土樣的破壞速度。