孫 磊,吳 瑕,王依凡,周子祥,張 碩

(宿州學(xué)院 資源與土木工程學(xué)院,安徽 宿州 234000)

海洋中蘊(yùn)藏著豐富的石油、天然氣以及可燃冰等寶貴資源,加快海洋油氣資源的開(kāi)發(fā)利用對(duì)滿足日益增長(zhǎng)的能源需求和保持經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展意義重大,海洋工程也因此受到了世界各國(guó)的高度關(guān)注,其中海洋土的工程特性是影響海洋工程安全穩(wěn)定的關(guān)鍵所在,為此,國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者圍繞海洋土的工程特性開(kāi)展了一系列的研究工作并取得了豐碩的研究成果[1-3]。然而以往的研究并未考慮海洋土所處的海洋環(huán)境與陸地的差異以及海洋中風(fēng)浪、地震等動(dòng)力作用的影響[4],對(duì)海洋工程而言,探明海洋土的動(dòng)力特性是進(jìn)行海洋工程地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)以及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析的重要依據(jù)[5-6]。

海洋土與內(nèi)陸土體相比具有高含鹽量的特點(diǎn),相關(guān)研究表明,土體的宏觀特性與其孔隙溶液變化導(dǎo)致的微觀化學(xué)-力學(xué)作用密切相關(guān),也是導(dǎo)致巖土工程災(zāi)變的重要因素[7-8]。為此,國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者通過(guò)人工模擬土體中不同孔隙溶液的方法對(duì)化學(xué)-力學(xué)耦合效應(yīng)進(jìn)行了大量的試驗(yàn)和理論探究。例如,Spagnoli等[9]研究表明高嶺土與蒙脫土的混合黏土,孔隙溶液pH值高或低時(shí),其不排水強(qiáng)度均會(huì)增加。王軍等[10]基于改良土體的目的并結(jié)合離子效應(yīng),研究發(fā)現(xiàn)含水土體的Ca2+,HCO3-,K+和Na+等濃度對(duì)土體的原始黏結(jié)力和固有黏結(jié)力有明顯的減弱效應(yīng),而NO3-和Cl-質(zhì)量濃度對(duì)其影響較弱。于海浩等[7]研究發(fā)現(xiàn)隨著土樣孔隙中NaCl溶液濃度的增大,顆粒間的斥力減小,削弱了阻止顆粒移動(dòng)的效應(yīng),在剪切過(guò)程中更容易形成剪切面,黏聚強(qiáng)度隨之降低。為反映離子種類(lèi)的影響,Witteveen等[11]提出了采用鹽溶液滲透吸力來(lái)描述孔隙水溶液的水化學(xué)狀態(tài),以反映離子類(lèi)型及共存的影響,為定量描述孔隙水鹽溶液影響的化學(xué)-力學(xué)耦合本構(gòu)模型的建立以及工程應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。張彤煒等[12]探究了不同濃度的NaCl溶液對(duì)人工重塑飽和黏土壓縮和滲透特性的影響,并采用滲透吸力表征孔隙水化學(xué)作用對(duì)土的物理力學(xué)特性的影響,結(jié)果表明重塑飽和黏土的壓縮指數(shù)隨著滲透吸力的增加而呈指數(shù)規(guī)律衰減,而回彈指數(shù)基本隨著滲透吸力的增加,有減小的趨勢(shì),但基本保持不變,認(rèn)為在根據(jù)初始孔隙比預(yù)測(cè)滲透系數(shù)的變化時(shí),應(yīng)考慮滲透吸力的影響。顏榮濤等[13]通過(guò)等向固結(jié)試驗(yàn)同樣發(fā)現(xiàn)滲透吸力對(duì)于黏土的等向壓縮行為存在明顯的影響。

綜合上述分析可以看出,目前關(guān)于鹽溶液飽和土體的相關(guān)研究大多集中于探究其基本的物理及靜力特性,關(guān)于其動(dòng)力特性的研究還非常有限,Gratchev等[14]利用無(wú)氣水配置不同濃度的H2SO4、NaOH和NaCl等溶液模擬現(xiàn)場(chǎng)水化學(xué)環(huán)境的初步動(dòng)力試驗(yàn)研究指出孔隙溶液對(duì)土體結(jié)構(gòu)抵抗地震和風(fēng)浪等循環(huán)荷載的能力具有不可忽視的影響。本文在借鑒前人研究思路的基礎(chǔ)上,針對(duì)人工制備的NaCl溶液飽和重塑軟粘土開(kāi)展了一系列的不排水三軸循環(huán)剪切試驗(yàn),分析了飽和重塑軟粘土的動(dòng)力特性隨NaCl溶液濃度變化的演化規(guī)律,旨在加深對(duì)孔隙水化學(xué)效應(yīng)對(duì)土體動(dòng)力特性的認(rèn)知,并為海洋工程地基土體的改良和穩(wěn)定性分析提供科學(xué)的理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及試樣制備

試驗(yàn)采用人工制備的商用高嶺土與商用膨潤(rùn)土按照質(zhì)量比1:1混合而成的重塑粘土樣,三軸試樣的具體制作流程如下[7]。

(1)利用烘箱將試驗(yàn)所用高嶺土及膨潤(rùn)土在105℃的高溫下烘干,然后將烘干后的高嶺土與膨潤(rùn)土按照質(zhì)量1:1進(jìn)行混合均勻后備用;

(2)利用不同濃度的NaCl溶液對(duì)混合土進(jìn)行攪拌并控制含水率為15%,隨后利用保鮮膜將土樣密封并放入保濕缸中悶料48h以保證水分遷移平衡,水土作用充分;

(3)按照1.65g/cm3的干密度利用三軸靜壓模具分五層制備高度80mm,直徑39.1mm的圓柱體三軸試樣。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

試驗(yàn)采用的DSZ-2型應(yīng)力控制電磁振動(dòng)三軸儀[15],該儀器能夠較好的模擬地震、交通以及風(fēng)浪等動(dòng)力循環(huán)荷載作用下土體的強(qiáng)度和模量等動(dòng)力特性。

三軸循環(huán)剪切試驗(yàn)的基本步驟如下。

(1)利用真空飽和裝置和對(duì)應(yīng)的飽和溶液對(duì)三軸試樣進(jìn)行抽真空飽和,飽和過(guò)程大概持續(xù)48h,然后將飽和后的試樣取出并在其兩端和周邊貼上濾紙,最后用橡皮膜將試樣包裹并裝入三軸壓力室,整個(gè)過(guò)程中要盡量避免人為操作對(duì)試樣產(chǎn)生的擾動(dòng)。

(2)安裝固定三軸壓力室外罩并完成所有電器設(shè)備的檢查和校準(zhǔn),然后往壓力室內(nèi)注入無(wú)氣水直至水位漫過(guò)試樣頂部約1cm,最后在預(yù)定的圍壓下對(duì)試樣進(jìn)行固結(jié),待試樣的排水體變基本不變說(shuō)明固結(jié)完成。

(3)關(guān)閉排水閥門(mén),利用儀器自帶的動(dòng)力測(cè)試軟件對(duì)試樣進(jìn)行不排水循環(huán)剪切試驗(yàn),選取正弦波模擬地震作用,加載頻率設(shè)定為1Hz,參照張向東等[16]采用的等差方式,從0.1倍圍壓開(kāi)始逐級(jí)增大循環(huán)荷載幅值直至試樣破壞結(jié)束,在每一級(jí)加載過(guò)程中保持動(dòng)應(yīng)力幅值恒定并循環(huán)8次,為了盡可能消除前一級(jí)加載產(chǎn)生的孔壓對(duì)后一級(jí)加載產(chǎn)生的影響,在每一級(jí)循環(huán)加載后迅速打開(kāi)排水閥門(mén)使孔壓消散。具體試驗(yàn)方案如表1所示。

表1 試驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 剪切模量和阻尼比的定義

剪切模量(G)和阻尼比(D)是描述土體在地震、交通、風(fēng)浪、機(jī)器振動(dòng)等動(dòng)力荷載作用下動(dòng)力響應(yīng)的兩個(gè)最重要參數(shù),也是土體呈現(xiàn)非線彈性的根源所在。如圖1所示,G與D的定義分別如式(1)、式(2)所示[16]。

(1)

(2)

式(2)中WD表示圖1中滯回曲線包裹的面積,WS表示圖1中陰影區(qū)域三角形的面積。

圖1 土體在循環(huán)荷載作用下的滯回曲線

由于式(1)和式(2)是基于動(dòng)剪應(yīng)力(τd)與動(dòng)剪應(yīng)變(λ)的關(guān)系曲線建立的,認(rèn)為滯回曲線關(guān)于原定是對(duì)稱(chēng)的,而動(dòng)三軸試驗(yàn)獲得的滯回曲線往往不是關(guān)于原點(diǎn)對(duì)稱(chēng)的,一般采用滯回曲線最高點(diǎn)與最低點(diǎn)連線的斜率定義動(dòng)模量,即割線模量:

(3)

動(dòng)剪切模量(G)與割線模量(E)存在如下關(guān)系:

(4)

由于試樣均處于完成飽和狀態(tài),因此可取動(dòng)泊松比μ=0.5,則:

(5)

動(dòng)軸向應(yīng)變與動(dòng)剪應(yīng)變之間存在如下關(guān)系:

γ=(1+μ)εa

(6)

因此,對(duì)于飽和土體,γ=1.5εa。

2.2 圍壓對(duì)剪切模量及阻尼比的影響

圖2給出了三種不同圍壓下,鹽溶液飽和軟粘土的動(dòng)剪切模量與剪應(yīng)變之間的關(guān)系曲線,其中剪應(yīng)變采用對(duì)數(shù)坐標(biāo)。

圖2 不同圍壓下剪切模量隨剪應(yīng)變的變化

通過(guò)圖2中的變化曲線可以發(fā)現(xiàn),試樣在不同圍壓下的動(dòng)剪切模量與剪應(yīng)變之間的關(guān)系曲線基本類(lèi)似,均隨著剪應(yīng)變的增大先緩慢降低,當(dāng)剪應(yīng)變超過(guò)0.1%后,試樣的動(dòng)剪切模量迅速降低并趨于穩(wěn)定。此外,從圖2還可以看出,在試驗(yàn)過(guò)程中施加的圍壓越大,試樣的動(dòng)剪切模量就越大,這主要是由于施加的圍壓越大,試樣固結(jié)排水越充分,因而越密實(shí)且抗剪強(qiáng)度越高,在同等動(dòng)應(yīng)力水平下產(chǎn)生的應(yīng)變就越小,因而具有更大的動(dòng)剪切模量。

圖3給出了三種不同圍壓下,鹽溶液飽和軟粘土的阻尼比與剪應(yīng)變之間的關(guān)系曲線。

圖3 不同圍壓下阻尼比隨剪應(yīng)變的變化

對(duì)比圖2可以看出,試樣的阻尼比隨著剪應(yīng)變和圍壓均呈現(xiàn)與動(dòng)剪切模量完全相反的變化規(guī)律,首先,隨著剪應(yīng)變的增大,阻尼比逐漸增大,當(dāng)剪應(yīng)變低于0.1%時(shí),阻尼比的增長(zhǎng)較為緩慢,隨后呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)的規(guī)律;其次,試驗(yàn)過(guò)程中施加的圍壓越大,試樣的阻尼比反而越小。

2.3 鹽溶液濃度對(duì)剪切模量及阻尼比的影響

圖4對(duì)比了飽和軟粘土在相同圍壓不同鹽溶液濃度下的動(dòng)剪切模量與剪應(yīng)變之間的關(guān)系曲線。

圖4 不同鹽溶液濃度下剪切模量隨剪應(yīng)變的變化

由圖4可以看出曲線的變化規(guī)律基本類(lèi)似,以0.1%剪應(yīng)變?yōu)榻绯尸F(xiàn)先緩后急的衰減規(guī)律。比較圖中曲線還可以發(fā)現(xiàn),伴隨鹽溶液濃度的增加,試樣的動(dòng)剪切模量并未呈現(xiàn)一致性的變化規(guī)律,而是隨著鹽溶液濃度的增加先降低然后逐漸增大。相對(duì)于圍壓對(duì)飽和軟粘土動(dòng)剪切模量的影響,鹽溶液濃度對(duì)對(duì)飽和軟粘土動(dòng)剪切模量的影響較小。

圖5對(duì)比了飽和軟粘土在相同圍壓不同鹽溶液濃度下的阻尼比與剪應(yīng)變之間的關(guān)系曲線。

圖5 不同鹽溶液濃度下阻尼比隨剪應(yīng)變的變化

由圖5可以發(fā)現(xiàn)圖中所有曲線均以0.1%剪應(yīng)變?yōu)榻绯尸F(xiàn)先緩后急的增長(zhǎng)規(guī)律。在給定的圍壓下,當(dāng)剪應(yīng)變較小時(shí)(0.01%～0.1%),試樣在不同鹽溶液濃度下的阻尼值差異較小,當(dāng)剪應(yīng)變大于0.1%時(shí),試樣的阻尼比大致隨著鹽溶液濃度的增大先增后減的變化趨勢(shì)。

鹽溶液對(duì)土體動(dòng)剪切模量和阻尼比的影響,主要是由于水化學(xué)作用改變了土顆粒間的相互作用力并引起土體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,當(dāng)鹽溶液濃度從0mol/L增加到0.5mol/L,土體在循環(huán)剪切過(guò)程中的孔隙比增大,顆粒間的距離也增大,此時(shí)土顆粒間的引力較弱,排斥力和孔隙比起控制作用導(dǎo)致土體動(dòng)剪切模量的減小和阻尼比的增大。然而當(dāng)鹽溶液濃度超過(guò)0.5mol/L時(shí),隨著鹽溶液濃度的增加,顆粒間的引力作用逐漸增強(qiáng)并占據(jù)主導(dǎo)作用,從而導(dǎo)致土體動(dòng)剪切模量的增大和阻尼比的減小?？梢?jiàn),鹽溶液對(duì)土體動(dòng)剪切模量和阻尼比的影響規(guī)律是受孔隙比(密實(shí)度)和顆粒間作用力綜合作用的結(jié)果。

2.4 剪切模量及阻尼比的擬合分析

根據(jù)試樣的動(dòng)剪切模量與剪應(yīng)變關(guān)系曲線的變化特點(diǎn),通過(guò)擬合分析發(fā)現(xiàn)可以采用如下形式的雙曲線函數(shù)對(duì)其進(jìn)行擬合。

G=1/(a+bγ)

(7)

其中字母a和b為擬合參數(shù),擬合結(jié)果如圖6所示,可見(jiàn)擬合效果較好,說(shuō)明式(7)能夠非常精確的對(duì)鹽溶液飽和軟粘土的動(dòng)剪切模量與剪應(yīng)變之間的關(guān)系進(jìn)行表征。

圖6 剪切模量與剪應(yīng)變關(guān)系的擬合結(jié)果

在實(shí)際工程中對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)往往需要獲取土體的最大動(dòng)剪切模量Gmax,通常取土體在小應(yīng)變(γ=1×10-6)下的剪切模量值。然而要對(duì)土體進(jìn)行小應(yīng)變條件下的動(dòng)力特性測(cè)試必須要借助共振柱或彎曲元等測(cè)試設(shè)備,動(dòng)三軸無(wú)法進(jìn)行小應(yīng)變水平下土體的動(dòng)力特性測(cè)試。因此參照CHEN等[17]通過(guò)擬合分析的方法加以確定,由式(7)可知,Gmax可取當(dāng)γ趨于0時(shí)的G值,即Gmax=1/a。

利用Gmax進(jìn)一步對(duì)所有工況下的動(dòng)剪切模量進(jìn)行歸一化處理,并繪制G/Gmax與γ之間的關(guān)系曲線如圖6所示。從圖中可以看出,歸一化后的動(dòng)剪切模量與剪應(yīng)變之間表現(xiàn)出較好的非線性關(guān)系,G/Gmax隨著γ的增大逐漸降低,同時(shí)不同工況下G/Gmax-γ的關(guān)系曲線差異較小,式(7)可以較好的刻畫(huà)兩者之間的關(guān)系,結(jié)果如圖7中虛線所示。

圖7描述了所有試樣在不同試驗(yàn)工況下的阻尼比D與歸一化剪切模量G/Gmax之間的關(guān)系。從圖中可以看出,在不同的試驗(yàn)條件下,D～G/Gmax之間具有一致性的非線性關(guān)系,且與圍壓、鹽溶液濃度等因素?zé)o關(guān)。通過(guò)對(duì)圖7中曲線的變化規(guī)律進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)可以采用如下形式的函數(shù)進(jìn)行擬合,即

D=m/(1-G/Gmax)n

(8)

其中,字母m和n為擬合參數(shù),通過(guò)回歸分析可知分別為0.489和2.41。擬合結(jié)果如圖11中的虛線所示,可以看出式(8)的擬合效果較好。

圖8 阻尼比與歸一化剪切模量關(guān)系的擬合結(jié)果

進(jìn)一步聯(lián)合式(7)和式(8),則可以建立試樣阻尼比D與剪應(yīng)變?chǔ)弥g的定量數(shù)學(xué)關(guān)系如式(9)所示。

(9)

采用式(9)對(duì)所有試樣的D-γ關(guān)系曲線進(jìn)行擬合其結(jié)果如圖9中虛線所示,從圖9中可以看出,擬合值與實(shí)測(cè)值吻合較好,說(shuō)明式(9)能夠較為精確的描述兩者之間的變化關(guān)系,可以用于預(yù)測(cè)試樣在動(dòng)荷載作用下的阻尼比。

圖9 阻尼比與剪應(yīng)變關(guān)系的實(shí)測(cè)值及擬合結(jié)果

3 結(jié)論

通過(guò)一系列逐級(jí)循環(huán)三軸加載試驗(yàn),探究了鹽溶液飽和軟粘土在不同圍壓和不同鹽溶液濃度下的動(dòng)剪切模量和阻尼特性,主要得出以下結(jié)論。

(1)圍壓和鹽溶液濃度均對(duì)飽和軟粘土的動(dòng)剪切模量和阻尼比有一定的影響,其中圍壓的影響程度要明顯高于鹽溶液濃度的影響。當(dāng)鹽溶液濃度一定且應(yīng)變水平相同時(shí),圍壓越大,飽和軟粘土試樣的動(dòng)剪切模量越大,阻尼比越小;鹽溶液濃度對(duì)飽和軟粘土試樣的動(dòng)剪切模量和阻尼比的影響較為復(fù)雜,當(dāng)圍壓一定且應(yīng)變水平相同時(shí),隨著鹽溶液濃度的增加,動(dòng)剪切模量呈現(xiàn)先降后增的變化規(guī)律,阻尼比則呈現(xiàn)先增后減的變化規(guī)律。

(2)鹽溶液飽和軟粘土試樣在不同圍壓下的動(dòng)剪切模量G隨剪應(yīng)變?chǔ)玫淖兓?guī)律可以用雙曲線函數(shù)進(jìn)行描述,進(jìn)一步利用最大動(dòng)剪切模量Gmax進(jìn)行歸一化,建立了不同試驗(yàn)條件下G/Gmax-γ之間的定量數(shù)學(xué)關(guān)系,且與圍壓和鹽溶液濃度無(wú)關(guān)。

(3)根據(jù)阻尼比D與歸一化動(dòng)剪切模量G/Gmax之間的關(guān)系,并結(jié)合雙曲線函數(shù)與指數(shù)函數(shù)構(gòu)建了可以刻畫(huà)鹽溶液飽和軟粘土阻尼比D隨剪應(yīng)變?chǔ)米兓?guī)律的數(shù)學(xué)模型,并對(duì)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了擬合。

(4)由于時(shí)間和試驗(yàn)條件限制,關(guān)于鹽溶液對(duì)飽和軟粘土動(dòng)力特性的影響機(jī)理還需要通過(guò)SEM電鏡掃描試驗(yàn)從微觀的角度開(kāi)展進(jìn)一步的研究。