變圍壓循環(huán)荷載下飽和軟黏土的變形特性

王朝輝,李向輝,陳曉波

(1.中廣核風(fēng)電有限公司,浙江 杭州 311122;2.浙江工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院,浙江 杭州 310023)

真實(shí)的交通荷載或地震荷載作用下土單元包含了循環(huán)正應(yīng)力與循環(huán)水平應(yīng)力的變化,即伴隨著地基土單元受到連續(xù)的循環(huán)圍壓變化的作用,從而影響土的動(dòng)力特性[1-2]。目前,關(guān)于砂土、巖石材料在變圍壓下的研究已存在不少[3-4]。施明雄[5]通過單、雙振動(dòng)對(duì)比得出了循環(huán)圍壓會(huì)影響砂土的孔壓變化及應(yīng)變發(fā)展。Rondón等[6]采用具有相同平均應(yīng)力狀態(tài)的常圍壓與變圍壓應(yīng)力路徑,實(shí)現(xiàn)了基層松散顆粒材料在循環(huán)荷載下的應(yīng)變表現(xiàn)。也有許多學(xué)者針對(duì)黏土進(jìn)行變圍壓循環(huán)三軸試驗(yàn),如Wang等[7]、Sun[8]采用動(dòng)三軸設(shè)備對(duì)飽和軟黏土進(jìn)行了變圍壓動(dòng)三軸試驗(yàn),研究了循環(huán)平均主應(yīng)力與循環(huán)偏應(yīng)力的耦合對(duì)孔壓和累積軸向應(yīng)變的影響。Cai等[9]開展了部分排水下飽和軟黏土的變圍壓循環(huán)試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)其軸向累積應(yīng)變?cè)隽颗c體應(yīng)變?cè)隽烤c循環(huán)平均主應(yīng)力幅值的增量成正比。黃玨皓等[10]對(duì)不同超固結(jié)比的軟黏土進(jìn)行變圍壓不排水循環(huán)三軸試驗(yàn),得出了超固結(jié)比和循環(huán)圍壓對(duì)累積軸向應(yīng)變存在較為顯著的抑制作用的結(jié)論。

上述研究結(jié)果充分肯定了變圍壓對(duì)土在加載期間的動(dòng)力特性有較大影響。考慮到軟黏土的滲透性很低,目前針對(duì)軟黏土的循環(huán)特性的研究多是基于不排水條件,在實(shí)際工程中循環(huán)荷載的長(zhǎng)期作用下勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致孔隙水的排出,因此可認(rèn)為軟黏土處于部分排水狀態(tài)。在已有相關(guān)研究中,雖然變圍壓的變化方向往往與豎向應(yīng)力相同,但在地震荷載等特殊循環(huán)荷載條件下二者的變化方向可能并不一致,因此有必要研究考慮卸載變圍壓的循環(huán)荷載下的土體動(dòng)力特性。基于此,筆者利用GDS變圍壓動(dòng)三軸系統(tǒng),對(duì)源自溫州洞頭地區(qū)的重塑軟黏土分別開展了正向變圍壓(Positive variable confining pressure,PVCP)、卸載變圍壓(Negative variable confining pressure,NVCP)和常圍壓(Constant confining pressure,CCP)循環(huán)三軸試驗(yàn),并研究了在這3種圍壓條件下不同應(yīng)力路徑及不同循環(huán)偏應(yīng)力幅值下的土體變形情況。

1 試驗(yàn)儀器及試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用英國GDS公司的雙向動(dòng)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)(圖1),該設(shè)備可通過電機(jī)伺服液壓系統(tǒng)施加動(dòng)態(tài)循環(huán)軸向應(yīng)力,同時(shí)通過油壓系統(tǒng)獨(dú)立施加動(dòng)態(tài)循環(huán)圍壓,不但能夠單獨(dú)控制動(dòng)偏應(yīng)力與動(dòng)圍壓的幅值,而且能夠通過輸入自定義波形改變動(dòng)偏應(yīng)力與動(dòng)圍壓的相位差,從而實(shí)現(xiàn)不同幅值及相位差條件下循環(huán)偏應(yīng)力與循環(huán)圍壓的耦合,其循環(huán)荷載頻率為0.000 01～10.000 00 Hz。

圖1 GDS雙向動(dòng)三軸試驗(yàn)設(shè)備

本次試驗(yàn)的軸向力加載波形和循環(huán)外圍加載波形均為純壓縮波,平均有效主應(yīng)力和偏應(yīng)力的振幅計(jì)算式為

(1)

(2)

變圍壓動(dòng)三軸實(shí)驗(yàn)應(yīng)力路徑如圖2所示。圖2中:p,q分別為土體所受偏應(yīng)力與平均主應(yīng)力;p′0為初始有效圍壓;不同的變圍壓條件可以由循環(huán)平均有效主應(yīng)力振幅和偏應(yīng)力振幅之比η(圖2中應(yīng)力路徑斜率之倒數(shù))來表示,η的計(jì)算式為

圖2 變圍壓動(dòng)三軸實(shí)驗(yàn)應(yīng)力路徑

η=pampl/qampl

(3)

當(dāng)兩者的相位差為0°時(shí),pampl與qampl的比值η為

(4)

當(dāng)兩者的相位差為180°時(shí),pampl與qampl的比值η為

(5)

試驗(yàn)共分A,B兩組,A組偏應(yīng)力幅值qampl均為20 kPa;B組偏應(yīng)力幅值均為40 kPa。兩組分別開展了不同變圍壓條件η下的循環(huán)三軸試驗(yàn),具體試驗(yàn)方案如表1所示。表1中:CSR(Cyclic stress ratio)為循環(huán)應(yīng)力比,定義CSR=qampl/(2p′0),試驗(yàn)中p′0均為100 kPa,頻率為0.1 Hz,循環(huán)周次為10 000。

表1 變圍壓動(dòng)三軸試驗(yàn)方案

試驗(yàn)中使用重塑黏土試樣,原土為典型的溫州地區(qū)軟黏土,土體的基本物理參數(shù):天然密度ρ=1.63～1.65 g/cm3;土粒相對(duì)密度GS=2.66～2.68;天然質(zhì)量分?jǐn)?shù)w=63.7%～64.6%;液限質(zhì)量分?jǐn)?shù)wL=66%;塑性指數(shù)IP=42;初始孔隙比e0=1.64～1.71;黏聚力c=6.7 kPa;內(nèi)摩擦角φ=21°。重塑土樣制備方法:首先將原土烘干后粉碎并過篩;然后加入無氣水充分?jǐn)嚢柚瞥珊蕿橥馏w1.5倍液限的泥漿,使用大型固結(jié)儀在100 kPa的豎向壓力下對(duì)泥漿進(jìn)行約2周的固結(jié);最后用切土器從固結(jié)后的土塊中制得尺寸為50 mm×100 mm的圓柱形單元體試樣,并在三軸設(shè)備中使用300 kPa的高反壓進(jìn)行飽和,測(cè)得孔壓系數(shù)B值達(dá)到0.97之后進(jìn)行固結(jié)[11]。

2 試驗(yàn)結(jié)果

圖3 軸向應(yīng)變隨循環(huán)周次的發(fā)展

在部分排水條件下,飽和軟黏土由于排水導(dǎo)致的體應(yīng)變發(fā)展情況如圖4所示。由圖4可知:加載初期體應(yīng)變迅速增長(zhǎng),這是由于加載初期孔隙水壓力迅速上升,而較高的孔隙水壓力會(huì)產(chǎn)生更大的體積應(yīng)變。隨著加載的繼續(xù)進(jìn)行,孔隙水繼續(xù)排出以及試樣剛度逐漸增大,到達(dá)一定循環(huán)周次后,其體應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)逐漸變緩,最終接近穩(wěn)定值并基本保持不變。通過對(duì)比同一CSR在相同的循環(huán)周次下的體應(yīng)變,可以明顯看到體應(yīng)變隨著η的增大而增大,說明正向變圍壓更能促進(jìn)試樣孔隙水的排出,這與在不排水條件下正向變圍壓的存在將限制土體的變形有所區(qū)別[16]。此外,CSR也能較大程度地影響體應(yīng)變的發(fā)展,可以看出較高的CSR加速了孔隙水的排出而使體應(yīng)變累積。

圖4 體應(yīng)變隨循環(huán)周次的發(fā)展

由圖3,4可知:隨著循環(huán)周次的增加,累積軸向應(yīng)變和體應(yīng)變曲線發(fā)展趨勢(shì)相似,η越大的應(yīng)力路徑產(chǎn)生的累積軸向應(yīng)變?cè)酱蟆榱私獠煌儑鷫簵l件對(duì)累積軸向應(yīng)變的影響,選取了在不同特定循環(huán)周次(N=1 000,4 000,7 000,10 000)下,變圍壓與常圍壓在不同CSR下的累積軸向應(yīng)變關(guān)系,結(jié)果如圖5所示。由圖5可知:當(dāng)η=-2/3和η=2/3時(shí),所測(cè)得的累積軸向應(yīng)變與常圍壓(η=1/3)下所對(duì)應(yīng)的成正比,且與CSR和循環(huán)周次N無關(guān),這與Gu等[17]在正向變圍壓下所得到的結(jié)論一致。本次試驗(yàn)在η=-2/3和η=2/3時(shí)的對(duì)應(yīng)的累積軸向應(yīng)變分別是在η=1/3下的0.58倍和1.32倍。

圖5 變圍壓與常圍壓累積軸向應(yīng)變的關(guān)系

圖6 變圍壓與常圍壓累積軸向應(yīng)變的比值分析

3 結(jié) 論

在不同循環(huán)偏應(yīng)力和循環(huán)變圍壓耦合條件下,對(duì)溫州洞頭地區(qū)軟黏土進(jìn)行部分排水循環(huán)三軸試驗(yàn),分析了循環(huán)偏應(yīng)力幅值CSR、變圍壓條件η和循環(huán)周次N等因素對(duì)飽和軟黏土變形發(fā)展的影響,得出如下結(jié)論:1) 軟黏土在循環(huán)加載期間的軸向應(yīng)變和體應(yīng)變發(fā)展不僅與加載周次有關(guān),還與偏應(yīng)力幅值和變圍壓條件η有關(guān),較高的偏應(yīng)力幅值與較大的變圍壓條件η能促進(jìn)軸向應(yīng)變和體應(yīng)變的發(fā)展;2) 在排水條件下進(jìn)行變圍壓循環(huán)試驗(yàn),軟黏土累積軸向應(yīng)變發(fā)展的規(guī)律事實(shí)上與正向變圍壓和卸載變圍壓均無關(guān),而與循環(huán)平均有效主應(yīng)力與初始平均有效主應(yīng)力的大小有關(guān)。