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(xué)建筑工程學(xué)院，杭州 310058；2.浙大城市學(xué)院土木工程系，杭州 310015）

0 引言

自20世紀(jì)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(xué)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(jì)巖土工程學(xué)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(huì)產(chǎn)生軟化現(xiàn)象，導(dǎo)致土體的沉降，對實(shí)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(jī)理進(jìn)行了總結(jié)，闡述了軟黏土在循環(huán)荷載作用下，會(huì)發(fā)生變形增加、強(qiáng)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(dòng)引起的路基沉降進(jìn)了動(dòng)荷載作用下新近沉積片狀細(xì)砂的振動(dòng)排水特性和豎向累積變形特性的研究，為列車振動(dòng)荷載作用下的砂性土動(dòng)力學(xué)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(shí)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(dòng)力響應(yīng)特性進(jìn)行了研究。陳蔚[6]通過現(xiàn)場實(shí)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(dòng)三軸試驗(yàn)分析不同動(dòng)應(yīng)力比和頻率對土體動(dòng)強(qiáng)度的影響。羅文俊等[7]對飽和重塑紅黏土進(jìn)行單向加載循環(huán)三軸試驗(yàn)，結(jié)果表明隨著動(dòng)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(jìn)行了考慮不同靜偏應(yīng)力對循環(huán)動(dòng)力特性影響的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明靜偏應(yīng)力的改變會(huì)影響土體孔隙水壓力的變化，孔壓在土體破壞后呈負(fù)增長，出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)。隨著研究不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)在工程實(shí)踐中重塑土與原狀土相比存在著截然不同的力學(xué)性質(zhì)。賈富利和許華青[9]利用GCTSSTX-100雙向振動(dòng)三軸儀對甘肅中試廠的地基土進(jìn)行了原狀土與重塑土對比特性試驗(yàn)，得出了重塑土與原狀土之間較大的力學(xué)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(shí)踐中容易產(chǎn)生計(jì)算結(jié)果與實(shí)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(xué)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(shí)際情況不符，基于此，文中選取濱海結(jié)構(gòu)性原狀土進(jìn)行相關(guān)室內(nèi)循環(huán)三軸試驗(yàn)，研究了有效固結(jié)圍壓、振動(dòng)頻率以及動(dòng)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(yàn)軟化模型，并驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性，模型可以為實(shí)際工程中地基土層的長期沉降預(yù)測以及計(jì)算提供了一定理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)土樣

試驗(yàn)用土取自杭州市濱海地區(qū)，土樣的基本物理特性指標(biāo)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(yán)格按照GB/T 50123-2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定進(jìn)行，所制土樣直徑5cm，高10cm。

表1 土體的基本物理特征指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方案

為了探究濱海結(jié)構(gòu)性飽和軟黏土的動(dòng)力特性，采用GDS動(dòng)三軸儀對原狀軟黏土進(jìn)行了循環(huán)加載試驗(yàn)研究，以期得到有效固結(jié)圍壓、振動(dòng)頻率以及動(dòng)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(dòng)力荷載的頻率，選取了0.1、0.5、1Hz三個(gè)頻率，同時(shí)為了保證土體結(jié)構(gòu)性，采用K0固結(jié)方式，固結(jié)時(shí)間設(shè)為96h，選取階梯型動(dòng)應(yīng)力比加載方式，試驗(yàn)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(dòng)應(yīng)力，Cu為土體不排水強(qiáng)度。

表2 試驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)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(yàn)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(dòng)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(yuǎn)小于有效圍壓為50kPa時(shí)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(shí)，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(shí)的軟化指數(shù)僅為0.75，約為前者的88%，又如圖1（c）所示，當(dāng)循環(huán)次數(shù)為10000次時(shí)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(dāng)有效圍壓為100kPa時(shí)，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(dāng)有效圍壓為50kPa，且循環(huán)次數(shù)>100時(shí)，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(shí)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(shí)，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(dāng)頻率較低時(shí)（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?yàn)楫?dāng)土體處于低頻循環(huán)荷載作用下，孔壓有足夠的上升時(shí)間，而當(dāng)頻率較大時(shí)（f≥0.5）時(shí)，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(dāng)循環(huán)應(yīng)力比較大時(shí)CSR=0.6,土樣在很小的循環(huán)次數(shù)下就發(fā)生破壞，而當(dāng)循環(huán)應(yīng)力比較小時(shí)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?yàn)镃SR=0.6時(shí)，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(shí)的累積應(yīng)變與孔壓則迅速上升，此時(shí)可以認(rèn)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(jìn)行回歸分析，得出實(shí)測值與計(jì)算值對比見圖4。擬合試驗(yàn)結(jié)果見表3。各組試樣采用不同的試驗(yàn)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(jì)曲線完全吻合，驗(yàn)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(shí)表明試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。

圖4 實(shí)測值與計(jì)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(dòng)三軸儀對杭州原狀軟黏土進(jìn)行了循環(huán)加載試驗(yàn)研究，分別考慮了有效圍壓、頻率和動(dòng)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(diǎn)結(jié)論：

（1） 隨著循環(huán)次數(shù)的增加，各級振動(dòng)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(yàn)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(dòng)荷載激振場會(huì)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(dāng)CSR<0.6時(shí)，土樣經(jīng)歷較高循環(huán)次數(shù)才發(fā)生破壞，而當(dāng)CSR=0.6時(shí)，試樣在較小的循環(huán)次數(shù)就發(fā)破壞，這是因?yàn)槔鄯e應(yīng)變與孔壓上升速率差異導(dǎo)致的，這也說明循環(huán)應(yīng)力比的增加會(huì)顯著提高土體的軟化程度，加快土樣的破壞速度。