劉添俊，安關(guān)峰

(1. 廣州市市政集團(tuán)有限公司，廣州 510060；2. 廣州市市政集團(tuán)有限公司市政工程技術(shù)研究院，廣州 510060)

珠江三角洲水系發(fā)達(dá)，軟土分布廣泛，河堤數(shù)量眾多，隨著城鎮(zhèn)化程度的不斷提高，路網(wǎng)往往需要從河堤頂通過，在長(zhǎng)期的交通荷載作用下，河堤路面出現(xiàn)了開裂、沉陷、坍塌等病害。因此，迫切需要對(duì)長(zhǎng)期循環(huán)荷載作用下軟土的動(dòng)力特性展開深入研究[1,2]。

長(zhǎng)期循環(huán)荷載作用下累積塑性變形、孔壓變化、動(dòng)模量和動(dòng)阻尼比等是研究軟土動(dòng)力特性的主要內(nèi)容。Yashuara K[3]，F(xiàn)ujikawa K[4]，CHAI J C等[5]和Hyodo M[6]分別開展了土體的動(dòng)模量特性、動(dòng)阻尼比特性和動(dòng)累積塑性變形特性的研究，Parr等[7]從累積應(yīng)變速率的角度出發(fā)建立了倫敦黏土與循環(huán)次數(shù)的雙對(duì)數(shù)關(guān)系式。國(guó)內(nèi)張勇[8]、黃茂松等[9,10]通過不排水動(dòng)三軸試驗(yàn)，研究了交通循環(huán)荷載作用下飽和重塑軟豁土的累積塑性應(yīng)變發(fā)展形態(tài)，提出了飽和軟豁土的穩(wěn)定型累積塑性應(yīng)變方程。丁伯陽等[11]通過一系列動(dòng)三軸試驗(yàn)，得到了杭州軟土的動(dòng)應(yīng)力～應(yīng)變骨干曲線以及相關(guān)動(dòng)力特性參數(shù)，并研究了土體結(jié)構(gòu)性對(duì)參數(shù)的影響；蔣軍[12]研究了茹土應(yīng)變速率在循環(huán)荷載下的變化規(guī)律，考慮頻率、超固結(jié)比及循環(huán)應(yīng)力等因素的影響；劉添俊等[13,14]長(zhǎng)期循環(huán)壓縮荷載下飽和軟黏土的累積應(yīng)變速率進(jìn)行了研究。

從以上國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀中可以看出，循環(huán)荷載下的軟黏土的動(dòng)力特性問題已有不少研究，但研究的內(nèi)容主要集中在一種循環(huán)荷載波形(通常是使用雙幅對(duì)稱的正弦波荷載，即循環(huán)拉-壓荷載)的軟土特性。本文將針對(duì)不同循環(huán)荷載波形，對(duì)珠三角地區(qū)典型的飽和軟黏土分別進(jìn)行了循環(huán)壓縮試驗(yàn)與循環(huán)拉-壓試驗(yàn)，通過對(duì)軸向累積應(yīng)變發(fā)展規(guī)律和累積孔壓變化規(guī)律的比較，分析了飽和軟黏土在這2種循環(huán)荷載作用下的性狀差異，探討和研究飽和軟黏土在循環(huán)荷載作用下的應(yīng)變和孔壓的變化規(guī)律，有助于分析長(zhǎng)期循環(huán)荷載作用下軟土地基受力響應(yīng)的機(jī)理。

1 循環(huán)三軸試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)土樣

圖1 飽和軟黏土的粒徑級(jí)配累積曲線Fig.1 Grain size accumulation curve of soft clay

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)的目的是著重比較分析不同加載方式下飽和軟黏土變形規(guī)律，探討循環(huán)荷載與土體變形的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為路面設(shè)計(jì)以及控制工后沉降提供理論依據(jù)。

本次試驗(yàn)是為了尋求飽和軟黏土在循環(huán)荷載下的變形響應(yīng)，因此試驗(yàn)停止的條件設(shè)為軸向應(yīng)變達(dá)到15%(認(rèn)為已進(jìn)入塑性破壞)或軸向應(yīng)變的變化趨于穩(wěn)定(振動(dòng)次數(shù)達(dá)到足夠多次變形依然變化不大)。

因此加載頻率的選取主要是出于對(duì)以下幾個(gè)因素的綜合考慮：①作用在軟土地基上的行車交通荷載以低頻分量為主，試驗(yàn)加載頻率的選取應(yīng)盡可能地接近實(shí)際荷載；②總結(jié)有關(guān)加載頻率對(duì)飽和軟黏土性狀影響的研究成果，前人的研究顯示在低頻長(zhǎng)期循環(huán)荷載作用下(頻域?yàn)?.1～3.0 Hz)，加載頻率對(duì)黏土應(yīng)變和孔壓的影響不大[10-12]。

在DDS-70微機(jī)控制電磁式振動(dòng)三軸試驗(yàn)儀上對(duì)重塑的珠江三角洲飽和軟黏土進(jìn)行了循環(huán)荷載試驗(yàn)，利用該儀器提供獨(dú)立的波形輸入系統(tǒng)，改寫了波形輸入文件，使得儀器不僅可以進(jìn)行常規(guī)的循環(huán)拉-壓試驗(yàn)，還可以進(jìn)行循環(huán)壓縮試驗(yàn)。荷載的施加采用應(yīng)力控制的方式，在循環(huán)荷載作用過程中試樣處于不排水狀態(tài)，加荷的頻率為0.5 Hz，具體的試驗(yàn)控制參數(shù)見表1，表1中的σd為循環(huán)應(yīng)力幅值。

表1 試驗(yàn)控制參數(shù) kPa

為了比較分析試驗(yàn)土樣在循環(huán)壓縮荷載與循環(huán)拉-壓荷載作用下的試驗(yàn)結(jié)果，由靜三軸試驗(yàn)得不同固結(jié)壓力下試驗(yàn)土樣的不排水破壞強(qiáng)度：固結(jié)壓力為50 kPa，su=86.1kPa；固結(jié)壓力為100 kPa，su=128.4 kPa；固結(jié)壓力為150 kPa，su=165.1 kPa。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 循環(huán)壓縮試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果

圖2是試驗(yàn)土樣在不同固結(jié)壓力下循環(huán)壓縮試驗(yàn)的軸向動(dòng)應(yīng)變與振動(dòng)次數(shù)的關(guān)系曲線，圖3(a)～(c)是試驗(yàn)土樣在不同固結(jié)壓力下循環(huán)壓縮試驗(yàn)的孔壓與振動(dòng)次數(shù)的關(guān)系曲線。圖2、圖3中的R為循環(huán)應(yīng)力幅值σd與固結(jié)壓力的比值。

圖2 飽和軟黏土循環(huán)壓縮荷載作用下的軸向應(yīng)變～振次關(guān)系曲線Fig.2 Dynamic axial strain-cyclic number curves of saturated soft clay under one-way cycle loading

從圖2和圖3的試驗(yàn)結(jié)果可以看到，在給定的固結(jié)壓力和動(dòng)應(yīng)力水平下，在加載初期，軸向累積應(yīng)變和孔壓增加較快，土體的軸向累積應(yīng)變和孔壓隨加荷周數(shù)的增加而累積增長(zhǎng)。當(dāng)循環(huán)應(yīng)力大于或小于某個(gè)應(yīng)力值時(shí)土體對(duì)應(yīng)于完全不同的應(yīng)變發(fā)展規(guī)律與孔壓發(fā)展規(guī)律，該應(yīng)力值可以定義為對(duì)應(yīng)固結(jié)壓力和固結(jié)條件下的臨界循環(huán)應(yīng)力，當(dāng)循環(huán)應(yīng)力小于臨界循環(huán)應(yīng)力，循環(huán)達(dá)到一定次數(shù)后累積軸向應(yīng)變和孔壓趨于穩(wěn)定；當(dāng)循環(huán)應(yīng)力大于臨界循環(huán)應(yīng)力后，應(yīng)變和孔壓隨加荷周數(shù)的增加迅速增加，并且土體在加荷周數(shù)較少的情況下就達(dá)到破壞。

不同固結(jié)壓力下，臨界循環(huán)應(yīng)力不相同，固結(jié)壓力越大，臨界循環(huán)應(yīng)力越大。通過引入臨界循環(huán)應(yīng)力比，可以用不排水強(qiáng)度對(duì)臨界循環(huán)應(yīng)力進(jìn)行歸一化處理。臨界循環(huán)應(yīng)力比為rc=σd/su，σd為循環(huán)應(yīng)力幅值，su為不排水強(qiáng)度，對(duì)飽和黏土在各個(gè)固結(jié)壓力下的臨界循環(huán)應(yīng)力進(jìn)行歸一，結(jié)果見表2。珠江三角洲飽和軟黏土在循環(huán)壓縮荷載作用下的臨界循環(huán)應(yīng)力比約為0.60。

表2 各個(gè)固結(jié)壓力下的臨界循環(huán)應(yīng)力比 kPa

圖3 飽和軟黏土循環(huán)壓縮荷載作用下的孔壓～振次關(guān)系曲線Fig.3 Pore pressure number curves of saturated soft clay under one-way cycle loading

大體而言，在同一固結(jié)壓力下，孔壓發(fā)展速率隨循環(huán)應(yīng)力幅值與固結(jié)壓力的比值增加而提高，但土體破壞時(shí)的孔壓值(對(duì)應(yīng)于應(yīng)變15%的孔壓值)則相反。前一現(xiàn)象是因?yàn)樵谛》笛h(huán)荷載作用下，土顆粒間的相互錯(cuò)動(dòng)和位移較小，土體的剪縮過程較慢，因此孔壓上升的速率也較慢；后一現(xiàn)象與孔壓增長(zhǎng)的累積效應(yīng)以及軟黏土孔壓測(cè)量的滯后效應(yīng)有關(guān)，一方面，孔壓隨振次不斷累積增長(zhǎng)，雖然動(dòng)應(yīng)力幅值越小，孔壓增長(zhǎng)速率越慢，但由于小幅值荷載作用下的破壞振次較大，最終的累積孔壓也能達(dá)到較大值，另一方面，當(dāng)動(dòng)應(yīng)力較大時(shí)，試樣很快破壞，雖然破壞面孔壓值較大，但該孔隙水壓力來不及在土中重分布，導(dǎo)致孔壓傳感器所在位置的孔壓要小于破壞面處的孔壓，動(dòng)應(yīng)力越小，試樣破壞所需的振次越大，土中孔壓就有越多的時(shí)間進(jìn)行重分布，孔壓滯后效應(yīng)就越小，測(cè)得的孔壓值也就越接近真實(shí)值，因此測(cè)得土體破壞時(shí)的孔壓值反而越大。

2.2 循環(huán)拉-壓試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果

圖4是試驗(yàn)土樣在不同固結(jié)壓力下循環(huán)拉-壓試驗(yàn)的軸向動(dòng)應(yīng)變與振動(dòng)次數(shù)的關(guān)系曲線。

圖4 飽和軟黏土循環(huán)拉-壓荷載作用下的軸向應(yīng)變～振次關(guān)系曲線Fig.4 Dynamic axial strain-cyclic number curves of saturated soft clay under tow-way cycle loading

從圖4可以看到循環(huán)拉-壓荷載作用下飽和軟黏土在各固結(jié)壓力下的軸向應(yīng)變隨振次增加的發(fā)展變化過程，土樣在循環(huán)拉-壓荷載作用的初期，軸向應(yīng)變展緩慢，當(dāng)循環(huán)荷載作用到一定次數(shù)后，應(yīng)變曲線上會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，土樣變形急劇增大，再經(jīng)過很少的振次，土樣就達(dá)到破壞。Seed等(1955年), Larew (1960年)，Sangrey (1968年), Mitchell和King (1977年)，Raymond等(1979年)以及陳穎平(2005年)用雙幅對(duì)稱的循環(huán)荷載對(duì)黏土進(jìn)行的不排水循環(huán)荷載試驗(yàn)中都觀察到這種現(xiàn)象，飽和軟黏土在循環(huán)拉-壓荷載作用下的破壞往往比較突然，具有脆性破壞的特征。

定義變形發(fā)展過程中出現(xiàn)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)應(yīng)變?yōu)棣舲，將應(yīng)變轉(zhuǎn)折點(diǎn)對(duì)應(yīng)的振次定義為Nz,土體軸向應(yīng)變出現(xiàn)突然增大的轉(zhuǎn)折點(diǎn)應(yīng)變并不是定值，而是隨所施加的動(dòng)荷載幅值而變化，動(dòng)應(yīng)力幅值越大，則該轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)得越早，對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?chǔ)舲也越大。這些應(yīng)變轉(zhuǎn)折點(diǎn)基本落在一條直線上，如圖4中的虛線所示。εz與Nz之間的關(guān)系可以用直線方程來擬合：

εz=αlogNz+β

(1)

式中：α、β為擬合系數(shù)，不同固結(jié)壓力下的α、β值見表3。

從表3可以看出，在不同的固結(jié)壓力下，α、β的值變化不大，基本上保持為一常量。

表3 不同固結(jié)壓力下擬合系數(shù)α、β的取值Tab.3 Value of α and β under different confining pressure

用飽和軟黏土各固結(jié)壓力下的不排水強(qiáng)度對(duì)轉(zhuǎn)折點(diǎn)振次Nz與動(dòng)應(yīng)力幅值σd的關(guān)系進(jìn)行歸一處理，得到Nz～σd/su的關(guān)系曲線，如圖5所示。從圖5可以看到，各固結(jié)壓力下，不同動(dòng)應(yīng)力幅值σd對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)振次Nz和σd/su表現(xiàn)出合理的歸一化，Nz～σd/su的關(guān)系曲線趨于一條穩(wěn)定曲線，當(dāng)荷載的循環(huán)次數(shù)很大時(shí)，σd/su趨于一個(gè)穩(wěn)定值?？梢园言撝悼醋魇秋柡蛙涴ね猎谘h(huán)拉-壓荷載作用下的臨界應(yīng)力水平，當(dāng)土體的應(yīng)力水平小于該值時(shí)，不論循環(huán)拉-壓荷載作用次數(shù)多大，飽和軟黏土都不會(huì)發(fā)生破壞。從圖6可以看到，在循環(huán)拉-壓荷載作用下，飽和黏土的臨界循環(huán)應(yīng)力比約為0.16。與循環(huán)壓縮荷載下的臨界循環(huán)應(yīng)力比相比，飽和黏土在循環(huán)拉-壓荷載下的臨界循環(huán)應(yīng)力比要低得多。

圖5 不同固結(jié)壓力下飽和軟黏土Nz～σd/su關(guān)系曲線Fig.5 Nz～σd/su curve of saturated soft clay under different confining pressures

圖6 飽和軟黏土循環(huán)拉-壓荷載作用下的孔壓～振次關(guān)系曲線Fig.6 Pore pressure number curves of saturated soft clay under tow-way cycle loading

從圖6可以看到飽和軟黏土在各固結(jié)壓力下的孔壓隨循環(huán)拉-壓荷載的循環(huán)次數(shù)變化而變化的過程。與軸向應(yīng)變不同，無論循環(huán)荷載幅值多大，孔壓均隨振次不斷上升，不具有在土結(jié)構(gòu)破壞時(shí)突然變化的特征?？讐荷仙乃俣龋c循環(huán)應(yīng)力水平有較大的關(guān)系，循環(huán)應(yīng)力水平越大，孔壓上升得越快；孔壓的累積變化量與固結(jié)壓力的大小有關(guān)，固結(jié)壓力越大，累積的孔壓就越高。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果的比較分析

通過上述對(duì)飽和軟黏土循環(huán)壓縮試驗(yàn)與循環(huán)拉-壓試驗(yàn)結(jié)果的分析，可以看到在這2種不同形式的循環(huán)荷載作用下飽和軟黏土的動(dòng)力特性有很大的不同。

在循環(huán)壓縮荷載作用下，飽和軟黏土的臨界循環(huán)應(yīng)力比要比循環(huán)拉-壓荷載下的臨界循環(huán)應(yīng)力比大得多；同時(shí)，循環(huán)壓縮荷載作用下飽和軟黏土變形的累積效應(yīng)更加明顯。從累積應(yīng)變和累積孔壓隨振動(dòng)次數(shù)的發(fā)展規(guī)律來看，循環(huán)壓縮荷載作用下，當(dāng)動(dòng)應(yīng)力小于臨界動(dòng)應(yīng)力，飽和軟黏土的軸向應(yīng)變與孔壓在加載初期不斷地累積增大，加載循環(huán)達(dá)到一定次數(shù)后累積軸向應(yīng)變和累積孔壓趨于穩(wěn)定；而當(dāng)動(dòng)應(yīng)力大于臨界動(dòng)應(yīng)力，應(yīng)變和孔壓隨加荷周數(shù)的增加迅速增加，并且在加荷周數(shù)較少的情況下就達(dá)到破壞值。在循環(huán)拉-壓荷載作用下，飽和軟黏土的累積軸向應(yīng)變，在土的結(jié)構(gòu)破壞時(shí)會(huì)出現(xiàn)突然變化，呈現(xiàn)出脆性破壞的特征；然而，與動(dòng)應(yīng)變不同，孔壓不具有在土結(jié)構(gòu)破壞時(shí)突然變化的特征。

關(guān)于飽和軟黏土在這2種不同循環(huán)加載方式下軸向累積應(yīng)變發(fā)展規(guī)律的差異，可以從飽和軟黏土的軟化機(jī)理來分析。在循環(huán)拉-壓荷載作用下飽和軟黏土軟化的機(jī)理主要是飽和軟黏土在循環(huán)拉-壓荷載作用下孔壓隨振動(dòng)次數(shù)增加而不斷增大，土體的有效圍壓不斷減少，飽和黏土產(chǎn)生了減壓軟化；由于出現(xiàn)應(yīng)力反向，對(duì)飽和黏土顆粒間的膠結(jié)鏈產(chǎn)生了較大程度的破壞，土體發(fā)生了較明顯的損傷軟化。循環(huán)拉-壓荷載作用下飽和軟黏土的破壞是減壓軟化與損傷軟化共同作用的結(jié)果，是一種漸進(jìn)損傷破壞。在損傷破壞的條件下土體結(jié)構(gòu)的變化伴隨著應(yīng)變的發(fā)展，累積應(yīng)變曲線上轉(zhuǎn)折點(diǎn)的出現(xiàn)標(biāo)志土體結(jié)構(gòu)即將出現(xiàn)坍塌性破壞。在轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)以前，飽和軟黏土的土體結(jié)構(gòu)還保持得較完好，通常這個(gè)過程中土體在循環(huán)拉-壓荷載作用下的變形并不大，因此轉(zhuǎn)折點(diǎn)上的軸向累積應(yīng)變較小。在循環(huán)壓縮荷載作用下，土體中不會(huì)出現(xiàn)反方向的應(yīng)力，顆粒間膠結(jié)鏈破壞的程度遠(yuǎn)小與循環(huán)拉-壓荷載作用下的情況，即循環(huán)壓縮荷載作用下土體的損傷軟化特征不明顯。土體的軟化主要包括減壓軟化與剪脹軟化，減壓軟化是由于孔壓隨振動(dòng)次數(shù)增加而不斷增大，土體的有效圍壓不斷減少而造成的，剪脹軟化是與剪脹過程中顆粒組構(gòu)變化有關(guān)的一種軟化，反映顆粒接觸面狀態(tài)的變化，在循環(huán)壓縮荷載作用下，由于是單向加載，土體的偏應(yīng)力只發(fā)生在壓縮一側(cè)，使顆粒之間很容易沿某一方向錯(cuò)動(dòng)或滑動(dòng)而形成剪切面造成內(nèi)摩阻力減小，相當(dāng)于黏土摩擦強(qiáng)度中顆粒咬合力的喪失。由于摩擦強(qiáng)度的發(fā)揮需要較大的應(yīng)變，因此循環(huán)壓縮荷載下飽和軟黏土的臨界應(yīng)變要比循環(huán)拉-壓荷載下大得多。同時(shí)由于土體的偏應(yīng)力只發(fā)生在壓縮一側(cè)，致使飽和軟黏土在循環(huán)壓縮荷載下軸向應(yīng)變的累積效應(yīng)要明顯得多。

比較2種循環(huán)荷載下孔壓隨振動(dòng)次數(shù)的變化規(guī)律，可以發(fā)現(xiàn)：在循環(huán)壓縮荷載作用下，飽和軟黏土的孔壓發(fā)展規(guī)律與其軸向應(yīng)變的發(fā)展規(guī)律相似；在循環(huán)拉-壓荷載作用下，孔壓發(fā)展規(guī)律與軸向應(yīng)變不同，孔壓隨振次不斷上升，不具有在土結(jié)構(gòu)破壞時(shí)突然變化的特征。參照上面可以看到，大體上飽和軟黏土的孔壓在循環(huán)拉-壓荷載條件下發(fā)展得較快，當(dāng)軸向應(yīng)變達(dá)到15%時(shí)，孔壓的發(fā)生量為80%～90%；在循環(huán)壓縮荷載作用下，當(dāng)軸向應(yīng)變達(dá)到15%時(shí)，飽和軟黏土的孔壓發(fā)生量為60%～70%。這是由于飽和軟黏土在循環(huán)拉-壓荷載作用下，土體內(nèi)會(huì)出現(xiàn)反方向的剪應(yīng)力，剪應(yīng)力反向?qū)?huì)增加動(dòng)孔壓的累積。

3 結(jié) 論

針對(duì)前言工程背景提及的河堤路面病害問題，本文的試驗(yàn)結(jié)果可以為病害的防治提供有益的參考。

(1)通過引入臨界循環(huán)應(yīng)力比，可以用不排水強(qiáng)度對(duì)臨界循環(huán)應(yīng)力進(jìn)行歸一化處理。在其他條件相同的情況下，試樣循環(huán)壓縮荷載下的臨界循環(huán)應(yīng)力比約為0.60，循環(huán)拉-壓荷載下的臨界循環(huán)應(yīng)力比約為0.16。

(2)土體內(nèi)會(huì)出現(xiàn)反方向的剪應(yīng)力,會(huì)增加動(dòng)孔壓的累積，對(duì)于飽和軟黏土，孔壓在循環(huán)拉-壓荷載條件下發(fā)展得較快，當(dāng)軸向應(yīng)變達(dá)到15%時(shí)，孔壓的發(fā)生量為80%～90%；在循環(huán)壓縮荷載作用下，當(dāng)軸向應(yīng)變達(dá)到15%時(shí)，飽和軟黏土的孔壓發(fā)生量為60%～70%。

(3)作用在土體上的交通荷載，其作用形式比較復(fù)雜，其表現(xiàn)形式有循環(huán)壓縮、循環(huán)拉-壓、主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)等，但通過試驗(yàn)結(jié)果的比較，在進(jìn)行河堤路面設(shè)計(jì)時(shí)，可以偏保守地選用循環(huán)拉-壓荷載的試驗(yàn)結(jié)果。

(4)根據(jù)臨界循環(huán)應(yīng)力比和土質(zhì)情況，確定交通荷載擴(kuò)散到每層土層中的允許循環(huán)應(yīng)力，根據(jù)作用在路面上循環(huán)荷載的大小以及該允許循環(huán)應(yīng)力，就可以為設(shè)計(jì)確定路面和基層的厚度以及剛度提供計(jì)算依據(jù)。

□

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