非均等固結條件下飽和軟黏土體應變特性試驗研究

收稿日期：2023-03-15；接受日期：2023-07-12

基金項目：國機集團青年科技基金項目（QNJJ-PY-2022-02）；中國博士后科學基金項目（2022M720456）

作者簡介：馬銳，男，高級工程師，主要從事巖土工程勘察設計工作。E-mail：rain11@126com

通信作者：

王建寧，男，高級工程師，博士，主要從事工程結構抗震研究。E-mail：wangjianninghebut@163com

EditorialOfficeofYangtzeRiverThisisanopenaccessarticleundertheCCBY-NC-ND40license

文章編號：1001-4179（2024）03-0199-06

引用本文：馬銳，趙丁鳳，王建寧非均等固結條件下飽和軟黏土體應變特性試驗研究［J］人民長江，2024，55（3）：199-204，225

摘要：

研究土料的動力特性對土石壩抗震設計具有指導作用。以盧旺達某水電站心墻黏土為工程依托，開展了一系列復雜初始固結條件下循環排水三軸試驗，研究了固結比Kc、有效圍壓σ′c和循環加載剪應變幅值γa對土體累積體應變εvd的影響。研究結果表明：小應變幅值循環加載條件下，εvd與γa線性相關，相同固結條件下εvd/γa發展均具有良好的一致性；σ′c與Kc對體應變的影響與土體結構性相關，σ′c與Kc越大，相同振次下體應變越小。另外，試驗結果表明，Martin等提出的體變增量模型能較好地描述本試驗中軟黏土的體變發展。

關鍵詞：土石壩；軟黏土；固結比；有效圍壓；剪應變幅值；體應變

中圖法分類號：TV6411

文獻標志碼：A" " " " " " " " "DOI：1016232jcnki1001-4179202403027

0引言

由于具有良好的安全性、地形適應性和經濟性，黏土心墻被廣泛應用于大壩工程的防滲體，且壩高已達300m級［1］。而由于黏土與混凝土墊層之間材料特性的差異，在工程使用期間易產生一定變形差異，引發心墻與壩殼之間的不均勻沉降和應力集中現象，最終導致壩體的破壞［2-3］。另外，高壩建設地區往往地質條件復雜，保障其長期安全運行關乎國計民生，因此，高壩大庫在地震作用下的安全性成為人們關注的重點。在動力荷載作用下，土石壩壩體和壩基會產生超靜孔隙水壓力，土體強度減小，出現噴砂冒水、不均勻沉降、地基失穩等一系列工程問題［4-7］，嚴重時甚至會導致潰壩［8-9］，造成嚴重的經濟損失和人員傷亡。已有研究結果表明，土石壩的動力響應受地震烈度、壩體動力特性、筑壩材料的動力特性、壩型、水庫水位等影響［10-12］。因此，對筑壩材料開展循環荷載試驗，以探究其動力變形特性，不僅對研究壩體長期變形、沉降具有積極意義，也對壩體抗震設計具有指導作用。

飽和土體在動力荷載作用下，土顆粒會產生滑移、重排，通過排出孔隙水產生變形，直至重新達到穩定狀態，土體趨于更致密。Martin等［13］通過對相對密實度Dr=45%的干砂開展循環直剪試驗，基于試驗結果提出了體變增長的經驗公式。Seed等［14］根據Lee和Albaisa［15］于1974年提出的固結孔壓消散理論，開展系列試驗給出了考慮相對密實度的土體孔壓比經驗預測公式。李吳剛等［16］結合修正劍橋模型推導了考慮土體結構性的塑性體應變模型。何紹衡等［17］通過一系列基于珊瑚砂的循環排水試驗，建立了考慮初始固結狀態和循環動應力比的累積應變預測公式。綜上，已有研究結果均表明，飽和土體的體變特性依賴于初始固結應力比、平均有效應力和相對密度等［18-19］。而大部分針對體變的研究主要試驗對象為砂土，針對黏土在長期荷載作用下體變特性的研究較少。

目前，對黏土排水力學特性的研究主要集中于建筑、路基工程等低荷載結構物，對具有較大圍壓和復雜受力的土石壩研究不足。本文以盧旺達某水電站心墻黏土作為試驗對象，對不同固結比Kc、有效圍壓σ′c下的黏土開展不同剪應變幅值γa的排水循環三軸試驗，研究其累積體變發展特性，以期為黏土心墻堆石壩的設計與數值模擬提供可靠的試驗參數。

1試驗設計及試驗步驟

11試驗材料及試驗儀器

本次試驗采用英國GDS公司的常規動三軸試驗系統（DYNTTS）進行，試驗儀器由壓力室、圍壓控制器、反壓控制器、信號控制器、底部基座組成，如圖1所示。儀器圍壓和反壓由標準的壓力/體積控制器控制加載和測量，最大可達1MPa；通過壓力室底部裝有馬達驅動的基座螺旋傳動控制軸向力和軸向變形，可施加最大10kN、頻率為2Hz的動態荷載，具有精度高、控制性好的優點，能很好地實現應力/應變控制的循環加載。軸向力傳感器、軸向位移傳感器分別位于試樣頂、底部，在試樣頂部測量超孔隙水壓力Δu。

本次研究中所用黏土取自該水電站壩體心墻底部。該電站主要承擔防洪、發電、下游生態灌溉用水等功能，黏土心墻壩壩頂高程141400m，壩頂寬80m，壩頂長3630m。試驗黏土呈紅褐色，可塑狀，顆粒呈次棱角狀，土壤主要成分為SiO2，其級配曲線見圖2，基本物理指標見表1。為更精確地模擬工程實際，本次試驗取壓實系數為098，即制樣干密度ρd為162g/cm3?？紤]到加載應變范圍較小，且動力加載時土體體應變均小于07%，參照地質勘察報告，本文計算分析中取泊松比νs=050。

12試驗步驟

試驗使用直徑50mm、高100mm的實心圓柱樣，根據最優含水率采用濕擊法制樣。試樣具體制備及飽和固結步驟如下。

（1）將風干土樣碾碎，根據制樣密度和最優含水率，稱取制樣所需的土體和蒸餾水的質量。將蒸餾水用噴霧器均勻噴灑于土樣表面，將其攪拌均勻后放入密封袋中，密封24h以保證土體中水分的均勻性。

（2）將充分潤濕的土樣分成4等份，裝入橡皮膜形成的圓筒內，通過使用擊實器輕擊土層控制每層土樣的高度，以達到預期的制樣密度。每層裝完后刮毛上表面后繼續裝入下一層，直至裝完第4層后將土樣表面拂平。

（3）為了保證在排水條件下循環加載試驗時測得飽和土體體積變化的精確性，需要充分飽和試樣。本次飽和分為3步：①CO2飽和。向試樣內部通入1h的CO2，以置換出試樣內部孔隙中的空氣。②無氣水飽和。從試樣底部向試樣內通入無氣水，利用CO2溶于水的特性，置換出孔隙內的CO2，直至頂部沒有氣體排出。③反壓飽和。保持圍壓和反壓20kPa的壓力差，同時線性施加圍壓和反壓以壓縮試樣中的殘余氣泡，使試樣完全飽和。對分級反壓飽和后的試樣測定孔壓系數B值，若Bgt;095，認為試樣達到飽和［20］。

（4）當試樣完成飽和后，根據試驗工況對其進行指定初始有效圍壓的非均等固結。當試樣固結排水量達到穩定（試樣排水量小于100mm3/h），且軸向變形量不大于0005mm/h時，即認為試樣固結完成。

13試驗方案

對固結完成后的試樣進行應變控制的排水循環加載試驗。為探究固結比Kc和初始有效圍壓σ′c對土體循環荷載下體變的影響，固定Kc=15和20，分別對試樣施加不同σ′c（σ′c=200，400，600，800kPa）的非均等固結。循環剪應變幅值γa分別選取01%，03%和05%，加載頻率f=01Hz，采用正弦波進行加載。本次研究的24組應變控制排水循環加載試驗列于表2，其中，根據土體泊松比進行軸向應變與剪應變間的轉換：

γd=εd1+νs（1）

式中：γd為動剪應變；εd為軸向動應變；νs為泊松比。

2試驗結果及模型構建

在動力荷載作用下，土顆粒間會產生錯動、滑移，土骨架的擾動會導致土體產生變形，表現為剪脹、剪縮、彈性變形及壓縮變形。在飽和土體中，若土體內部孔隙水無法及時排出，荷載產生的附加應力由孔隙水首先承擔，土體內部產生超靜孔隙水壓力，其逐漸累積至足以導致整體破壞，則土體出現局部液化失穩現象。在排水條件下，外荷載的施加會導致土體內部顆粒重新排列，土體內產生的附加應力通過土骨架間孔隙水的排出得以釋放，以保證土體處于穩定狀態，同時土體會發生不可恢復的體積變形。Martin等［13］將排水循環試驗中土體的體積變形與不排水循環試驗中的孔壓發展聯系起來，假定土的體積變化以壓縮為正，孔隙水的體積變化以排出為正，提出了飽和土體體積變化的相容條件：

Δεv，f=Δεv，d+Δεv，r（2）

式中：Δεv，f為循環荷載導致的孔隙水的排出體積；Δεv，d為土顆粒錯動滑移引起的土體體積壓縮；Δεv，r為循環荷載作用下由有效正應力降低引起的土骨架可恢復變形。

因此，研究土體在動荷載作用下的體積變化不僅對長期使用條件下土體的體積變形有重要意義，也對土體靜動力學相關性的建立，以及預測土體動強度具有指導意義。

21典型試驗結果

圖3給出了Kc=20，σ′c=400kPa，γa=03%時的典型試驗工況結果。圖3（a）為動剪應變γd的時程曲線，可以看出，儀器軸向應變控制良好。圖3（b）為孔壓時程曲線，可以看出，在循環荷載施加的過程中，考慮到黏土的低滲透性，土體內部會產生一定的孔壓波動，但由于荷載周期較長，孔隙水壓力并未在土體內部累積，且此波動孔壓相較于有效圍壓很小，可以認為試驗工況完成了試樣排水、孔壓消散過程。圖3（c）繪制了試樣典型體變發展時程曲線，隨著動應變的施加，體應變也在波動上升；在加載初期，外部荷載的施加會導致土體產生較大的體應變，即在此階段，固結穩定的土骨架受到變形后顆粒間開始產生錯動、移位，土體內部孔隙被再次擠壓，轉化為更小的孔隙；這種體變發展會在一定振次后得到緩解，體變發展漸趨平緩，可認為隨著應變的繼續施加，土骨架內部自身結構通過排出多余的孔隙水逐漸完成調整，試樣體變呈波動上升，呈現循環效應與累積效應并存調整，最終達到穩定狀態。本次研究中，將每一循環振次內體變的最大值與最小值之差定義為循環體應變εvc，將每一振次中最大與最小值和的一半定義為累計體應變εvd，下文中所提及的體變均指累計體應變εvd。

22累積體應變發展

圖4給出了24個工況下，體應變隨振次的發展曲線?？梢园l現，其發展規律與圖3（c）一致，呈現“快速

-平穩”的趨勢。另外，從圖中可以發現，試樣體變與

加載幅值呈現一定相關性，隨γa的增加而增加，同時，γa越小，土體體變可以在越小的加載振次內達到穩定。

對比不同圍壓下體變隨振次的發展，可以發現，σ′c越大，加載穩定后試樣的體變越小，且體應變發展中由快速增長轉變為平穩發展的拐點出現得越遲。可以認為，在高圍壓固結時，土體內部擠出更多氣泡，孔隙率更低，土顆粒之間形成更多更均勻的力鏈接觸，需要更多循環振次來調整土顆粒之間的接觸，使得土骨架再次達到平衡，同時，又由于土體內存在更小的孔隙，故穩定時達到的體變較小。同時，發現Kc對體應變發展的影響與σ′c影響的規律較為類似，即Kc越大，體應變達到平穩時對應的體變越小。

故圖5繪制了歸準化累積體應變εvd/γa隨N的發展曲線?？梢园l現，同一圍壓下，不同γa下處理后得到的εvd/γa-lgN曲線基本重合，即土體在循環荷載下的體應變與加載應變幅值呈線性相關。另外，在相同Kc條件下，εvd/γa呈現相似的發展模式，加載初期，不同σ′c下εvd/γa發展差異較小，隨著振次的不斷施加，不同σ′c下εvd/γa發展差異開始顯現，σ′c越小，εvd/γa更趨線性發展，且曲線越高。不同σ′c下，Kc=15的εvd/γa-lgN曲線趨于線性發展，而Kc=20在N=11時出現增長拐點，更趨于非線性，認為產生這種現象的原因為黏土的結構性。

23孔壓增量模型構建

Martin等［13］通過對相對密實度Dr=45%的石英砂開展一系列小應變條件下的排水循環剪切試驗，給出了累積體應變εvd和體應變增量Δεvd之間的經驗關系：

Δεvd=C1γa-C2εvd+C3ε2vdγa+C4εvd（3）

式中：C1、C2、C3、C4為與相對密實度和土性有關的參數，對于Martin研究中所使用的石英砂，系數的推薦取值為C1=080，C2=079，C3=045，C4=073。

本次試驗通過對黏土開展一系列應變控制的排水循環三軸試驗，研究其在動力荷載作用下的體積變形特性。因此，在每個工況下，剪應變幅值一定，可將公式（3）改寫為

Δεvd/γa=C11-C2εvd/γa+C3·εvd/γa21+C4εvd/γa（4）

令ΔEvd=Δεvd/γa，Evd=εvd/γa，則：

ΔEvd=C11-C2Evd+C3·Evd21+C4Evd（5）

由上文可知，體應變的發展與加載應變幅值存在線性相關性，同一固結條件下，經過γa歸準化的體應變εvd/γa趨于一致。圖6給出了根據式（5）的體應變與體應變增量擬合曲線，可以發現，不同γa經過歸準均落于同一條擬合線附近，故圖6給出了相同固結條件下3個不同加載應變幅值的綜合最優擬合線，擬合優度R2均達097。由圖6可見，Δεvd/γa均隨εvd/γa增大而減小，衰減速率拐點分別出現在εvd/γa=8（Kc=15）和εvd/γa=3（Kc=2）左右。另外，隨著圍壓的增加，Δεvd/γa～εvd/γa曲線逐漸下降，且降幅逐漸增大，可以認為，較高圍壓已經可以使得土體中孔隙更少、土顆粒間接觸更均勻，在循環加載過程中更難發生體變。

圖7為不同固結比下擬合參數。以圖7（a）中的參數C1為例，不同Kc下系數C1隨圍壓均呈規律性減少，Byrne［20］將系數C1定義為第一個循環振次中土體內體應變增量，是與相對密實度相關的系數：

C1=ΔεvdN=1γa（6）

對于黏土，孔隙比能較好地反映土體在固結完成后孔隙的分布。圖8（a）繪制了系數C1隨固結孔隙比ec的變化，可以認為不同Kc下，通過剪應變幅值歸準后的首圈體應變增量C1與孔隙比呈一定相關性，這與Martin等［13］和Byrne等［14］的發現是一致的。綜合考慮σ′c影響，提出系數C1的預測公式：

C1=005σ′c+84·ec-emin（7）

式中：ec和emin分別為固結孔隙比和最小孔隙比。

由式（7）可以看出，在給定循環剪應變幅值γa下，試樣的體積變化不僅與外部荷載狀態有關，還與固結完成后土骨架狀態相關。圖8（b）給出了根據式（7）預測得到的系數C1試驗實測值與公式預測值的對比，可以發現，式（7）所提出的預測效果較好，擬合優度R2均達到099。

由圖7（b）～（d）可以發現，當體應變開始累積，不同Kc固結條件下，擬合系數C2、C3、C4隨σ′c變化開始出現較大差異，對于Kc=15，C2、C3、C4在試驗的σ′c（200～1000kPa）內均在一常數附近波動，根據Kc=15的試驗結果，C2建議取值為016，C3取0018，C4取0029。對于Kc=20，系數均隨σ′c呈線性減小的規律，考慮產生此種差異的原因為黏土的結構性。黃趙星等［21］對上海軟黏土的原狀土和重塑土展開一系列固結-電鏡試驗，發現固結過程會改變顆粒間的接觸形式和分布，隨著σ′c的增大，土體內大孔隙和中孔隙逐漸轉變為小孔隙，且孔隙度分維數變小。根據表1中固結完成后試樣孔隙比可以發現，Kc=20條件下ec較Kc=15小，即試樣更趨于致密?？梢哉J為，更大的固結偏應力導致試樣內部孔隙更少，顆粒間接觸力鏈增多，因此，在循環荷載作用下，Kc越大，導致試樣體積發生變化需要破壞更多顆粒間的有效接觸，則對圍壓的敏感性提高，即系數較小Kc條件下呈現更強的規律性。

3結論

本次研究通過對飽和黏土開展一系列應變控制的排水循環三軸試驗，分析了不同Kc、σ′c和γa對土體體變特性的影響，主要結論如下：

（1）在等幅循環荷載作用下，通過顆粒的錯動、滑移，排出一定孔隙水以重新達到動態平衡，總體上，體變εv呈現“快速-平穩”波動上升的發展規律，同時產生不可恢復的累積體積應變εvd。

（2）累積體積應變εvd與動應變幅值線性相關，且γa越小，土體體變可以在越小加載振次內達到穩定；σ′c與Kc對體變的影響規律相似，Kc和σ′c越大，土體固結完成時孔隙比越小，加載過程中發生的體變越小。

（3）通過Martin體變增量模型較好還原了本試驗黏土的體變發展，驗證了其適用性，并給出了首個振次體變相關系數C1的建議公式。另外，試驗結果顯示，土體的體積變化不僅與外部荷載狀態有關，還與固結完成后土骨架狀態密切相關。

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（編輯：鄭毅）