天津港軟黏土強(qiáng)度循環(huán)弱化試驗(yàn)研究及應(yīng)用

閆澍旺，封曉偉

(天津大學(xué)建筑工程學(xué)院， 天津 300072)

循環(huán)荷載作用下，黏性土相對(duì)砂性土具有更強(qiáng)的穩(wěn)定性，這普遍為學(xué)者們所接受．以往的研究和設(shè)計(jì)往往更多致力于飽和砂土的地震液化問題[1-3]．然而事實(shí)表明很多軟黏地基的破壞都是由于循環(huán)荷載作用后土體的強(qiáng)度弱化引起的，1999年集集地震期間造成的臺(tái)灣 Wufeng大面積地表沉降，現(xiàn)場(chǎng)勘查結(jié)果表明地表破壞區(qū)下部分布為低塑性黏土；日本宮城縣地震中，軟黏土地基出現(xiàn)了大量的裂縫和滑坡破壞，這些現(xiàn)象很難用現(xiàn)有的液化理論解釋．Boulanger等[4]指出地震中類砂性土表現(xiàn)為液化，類黏性土表現(xiàn)為循環(huán)軟化，并明確了類黏性土的地震循環(huán)軟化的分析方法；Chu等[5]通過室內(nèi)試驗(yàn)方法，分析現(xiàn)場(chǎng)3～6層框架結(jié)構(gòu)地基失穩(wěn)的原因，指出地震后黏土層存在明顯的循環(huán)弱化效應(yīng)，地基土的強(qiáng)度降低，導(dǎo)致地基失穩(wěn)．然而，波浪與地震荷載存在明顯區(qū)別，在于地震是以加速度方式直接作用于地基上，而波浪則作用在上部結(jié)構(gòu)的某一部位，且波浪的持續(xù)時(shí)間比地震的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，周期也較長(zhǎng)，振動(dòng)幅度較?。虼?，對(duì)波浪作用下黏土地基的強(qiáng)度弱化問題還需要進(jìn)行專門研究．Anderson等[6]和 Hyodo等[7]對(duì)黏土進(jìn)行了大量的循環(huán)單剪和三軸試驗(yàn)，指出飽和軟黏土在循環(huán)荷載作用后不排水抗剪強(qiáng)度衰減特性．汪小平等[8]和劉勝群等[9]通過GDS(global digital system)雙向振動(dòng)三軸試驗(yàn)儀對(duì)循環(huán)荷載作用后飽和軟黏土的強(qiáng)度衰減機(jī)理進(jìn)行了闡述．以上研究取得了大量寶貴的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和分析結(jié)果，為工程設(shè)計(jì)提供了可靠依據(jù)．但在考察循環(huán)荷載(主要是地震、交通荷載等)作用下軟黏土行為時(shí)，均沒有考慮地基土體的實(shí)際應(yīng)力路徑，與實(shí)際差別比較大，不能很好地應(yīng)用于工程實(shí)踐．

近年來天津港區(qū)大面積圍海造陸，港區(qū)出現(xiàn)了一些新型的防波堤結(jié)構(gòu)，如半圓體、桶型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)防波堤等，其設(shè)計(jì)和施工還帶有一定的探索性質(zhì)．筆者以天津港原狀軟黏土為研究對(duì)象，通過室內(nèi)動(dòng)、靜三軸試驗(yàn)，根據(jù)實(shí)際工程特點(diǎn)，考慮地基土體的實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)和加載過程，對(duì)試樣施以不同的靜、動(dòng)應(yīng)力組合．試驗(yàn)過程中的應(yīng)力路徑與實(shí)際比較符合，確定了判斷軟黏土在波浪循環(huán)荷載作用下強(qiáng)度弱化程度的方法；應(yīng)用試室內(nèi)試驗(yàn)成果，結(jié)合數(shù)值分析方法，確定了波浪荷載作用下半圓體防波堤地基的穩(wěn)定性分析方法，為工程設(shè)計(jì)與施工提供了參考．

1 室內(nèi)試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)土樣

使用的試驗(yàn)土樣為取自擬建的天津港北大防波堤工程地基土原狀土樣，土層大致分布情況如圖1所示，表層為10～12,m的淤泥質(zhì)軟土層．表1中列出了取自表層軟土的原狀土樣的基本物理性質(zhì)指標(biāo)．

圖1 土層分布Fig.1 Sketch of soil strata

表1 土的物理性質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Physical parameters of soil

1.2 動(dòng)三軸固結(jié)不排水試驗(yàn)

勘查結(jié)果表明地基表層淤泥強(qiáng)度比較低，而來自結(jié)構(gòu)物的附加靜應(yīng)力和動(dòng)應(yīng)力又比深層土大，因此該軟土層在波浪荷載下強(qiáng)度弱化效應(yīng)明顯，為此有針對(duì)性地對(duì)表層淤泥和部分淤泥質(zhì)黏土進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)，提出了根據(jù)土樣實(shí)際的應(yīng)力路徑加荷的室內(nèi)動(dòng)三軸試驗(yàn)方法，試驗(yàn)過程更加貼近實(shí)際，確定地基土在循環(huán)荷載作用下的殘余強(qiáng)度，從而分析循環(huán)荷載作用下的強(qiáng)度折減規(guī)律．

室內(nèi)動(dòng)三軸試驗(yàn)采用英國(guó)進(jìn)口的GDS動(dòng)態(tài)循環(huán)剪切設(shè)備，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)試驗(yàn)過程，高速采集并儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，具有精度高、操作簡(jiǎn)易、結(jié)果可靠等優(yōu)點(diǎn)，是一套數(shù)字化試驗(yàn)設(shè)備．試驗(yàn)前先使土樣在壓力室中進(jìn)行固結(jié)，固結(jié)時(shí)間為 24,h．土樣固結(jié)壓力按原位受力狀態(tài)，在自重應(yīng)力下進(jìn)行等向固結(jié)，固結(jié)壓力為

式中：σ0(σ3)為圍壓或土樣的固結(jié)壓力；或 k0為地基土側(cè)壓力系數(shù)；σz為地基土自重應(yīng)力引起的上覆壓力；γ′為土的有效重度，一般為37.5～8.0 kN/m ；z為取樣深度．

土樣固結(jié)完畢，關(guān)閉排水閥門，施加軸向靜荷載jσ，jσ相當(dāng)于結(jié)構(gòu)物在地基土中引起的附加應(yīng)力，待靜應(yīng)變穩(wěn)定后施加軸向動(dòng)荷載dσ，采用正弦波加載模式，用以模擬波浪動(dòng)荷載．待達(dá)到預(yù)定的破壞標(biāo)準(zhǔn)后即刻進(jìn)行不排水剪切試驗(yàn)，用以測(cè)試波浪循環(huán)荷載作用后土樣的殘余強(qiáng)度．試驗(yàn)采用應(yīng)力控制式模塊，考慮地基土體實(shí)際加載過程，試驗(yàn)過程中采用的應(yīng)力路徑如圖2所示．點(diǎn)A表示土樣的初始應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)力路徑AB表示結(jié)構(gòu)在地基土中的附加應(yīng)力jσ，BC表示波浪在地基土體中引起的附加動(dòng)應(yīng)力dσ的往復(fù)作用，其大小分別是按防波堤的實(shí)際建造過程，由對(duì)結(jié)構(gòu)自重荷載和設(shè)計(jì)波浪荷載[10]作用下防波堤地基的有限元分析而確定的．

圖2 動(dòng)三軸試驗(yàn)的荷載條件Fig.2 Load conditions for dynamic triaxial test

1.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

循環(huán)荷載作用下，飽和軟黏土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)為一系列滯回圈(見圖 3)，并且隨著循環(huán)次數(shù)的增加，滯回圈向右移動(dòng)的同時(shí)，逐漸向應(yīng)變方向傾斜，即發(fā)生應(yīng)變軟化現(xiàn)象，從而導(dǎo)致土體不排水抗剪強(qiáng)度的降低．

圖3 典型的 (σ 1 - σ 3 ) -εa 關(guān)系曲線Fig.3 Typical curve of ( σ 1 - σ 3 ) -εarelationship

為分析波浪循環(huán)荷載作用后地基土抗剪強(qiáng)度的折減程度，在試驗(yàn)過程中，對(duì)某一圍壓下固結(jié)后的土樣賦予不同的靜、動(dòng)應(yīng)力組合，得到該荷載組合作用后的土樣的殘余強(qiáng)度．再與相應(yīng)原狀土樣的試驗(yàn)結(jié)果比較，經(jīng)過整理得到該荷載組合下土樣的固結(jié)不排水強(qiáng)度折減值或弱化程度．圖4和圖5分別給出了2組均取自淤泥層(3.0～3.5,m)的原狀土樣典型試驗(yàn)結(jié)果，其中σ1為軸向壓力．圖4中第1組土樣荷載條件為：固結(jié)壓力σ0= 2 0 kPa ，靜應(yīng)力σj= 1 7 kPa，動(dòng)應(yīng)力分 別 為σd= 6 kPa和σd= 8 kPa ，即σj/σ0= 0 .85，σd/σ0為0.3和0.4，2組動(dòng)荷載作用后強(qiáng)度折減率為0.60、0.47．圖 5第 2組土樣固結(jié)壓力σ0= 2 0 kPa，動(dòng)應(yīng) 力σd= 6 kPa ，靜 應(yīng) 力 分 別 為σj= 1 2 kPa和σj= 1 5 kPa，2組荷載組合作用下土樣的抗剪強(qiáng)度折減率為 0.63、0.52．

圖4 (σ 1 - σ 3 ) -εa 關(guān)系曲線(σ 0 = 2 0 kPa ，σj= 1 7 kPa)Fig.4 Curves of ( σ 1 - σ 3)-εa relationship (σ0=20 kPa,σj= 1 7 kPa)

圖5 (σ 1 - σ3 ) -εa 關(guān)系曲線(σ0 = 2 0 kPa ，σd= 6 kPa)Fig.5 Curves of ( σ 1 -σ 3)-εarelationship (σ0=20 kPa，σd = 6 kPa)

固結(jié)壓力對(duì)土樣抗剪強(qiáng)度的影響是顯而易見的，由圖 4和圖 5可以看出，在固結(jié)壓力一定的情況下，不同的靜、動(dòng)荷載組合，都會(huì)影響軟黏土的抗剪強(qiáng)度折減值．靜偏應(yīng)力相同，動(dòng)荷載越大，弱化程度越大；動(dòng)荷載相同，靜偏應(yīng)力越大，弱化程度也越大．經(jīng)過多組試驗(yàn)，整理軟黏土抗剪強(qiáng)度折減率β與σj/σ0、σd/σ0二者關(guān)系，得到如圖 6所示的一系列規(guī)律性曲線．因此，根據(jù)某一地基土單元相應(yīng)的σ0、σj和σd荷載組合，波浪循環(huán)荷載作用下軟黏土的抗剪強(qiáng)度弱化程度可以確定．

圖6 天津港軟黏土抗剪強(qiáng)度折減率Fig.6 Shear strength discounting ratio of Tianjin Harbor soft clay

2 防波堤地基穩(wěn)定性

如前所述，循環(huán)荷載作用下軟黏土強(qiáng)度的降低，類似金屬的“疲勞”現(xiàn)象，但其作用機(jī)理不同．對(duì)地基土體而言循環(huán)荷載會(huì)造成土體孔隙水壓力升高，土體結(jié)構(gòu)性重塑，宏觀上則表現(xiàn)為抗剪強(qiáng)度減小，地基承載力顯著降低．傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法只把波浪力作為荷載，而沒有考慮循環(huán)荷載作用下軟黏土抗剪強(qiáng)度的弱化效應(yīng)，結(jié)果使結(jié)構(gòu)物的設(shè)計(jì)偏于危險(xiǎn)，容易出現(xiàn)工程事故．實(shí)際上波浪對(duì)地基土體起雙重作用是一把雙刃劍：它既增加了荷載又使土體強(qiáng)度降低，產(chǎn)生弱化效應(yīng)．例如在寒潮大浪襲擊下，長(zhǎng)江口深水航道治理工程已安裝的部分重力式半圓型沉箱導(dǎo)堤發(fā)生了2～4,m的沉降和將近20,m的滑移，文獻(xiàn)[11]中指出其結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的主要原因是地基軟土層發(fā)生了較大程度的強(qiáng)度弱化．而動(dòng)力學(xué)分析則立足于結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)和對(duì)荷載的動(dòng)力放大作用，其本身不能解決材料的強(qiáng)度變化特性．本文通過分析防波堤地基的應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)用天津港軟黏土不同荷載組合下的抗剪強(qiáng)度折減規(guī)律，將波浪動(dòng)荷載作用下的強(qiáng)度弱化效應(yīng)應(yīng)用在地基穩(wěn)定性分析中，建立了天津港防波堤穩(wěn)定性的可靠分析方法，為天津港防波堤的設(shè)計(jì)與施工提供了參考依據(jù)．

2.1 防波堤應(yīng)力狀態(tài)分析

使用有限元方法分析了半圓體防波堤應(yīng)力狀態(tài)．此項(xiàng)分析的目的：①確定地基軟土層強(qiáng)度折減率所需的各單元的3項(xiàng)應(yīng)力指標(biāo)0σ、jσ及dσ，分別由地基模型的初始應(yīng)力、附加應(yīng)力以及附加動(dòng)應(yīng)力確定；②由計(jì)算的3項(xiàng)應(yīng)力及軟黏土的抗剪強(qiáng)度折減規(guī)律，確定防波堤地基軟土層的強(qiáng)度弱化程度，進(jìn)而分析弱化效應(yīng)作用下的防波堤地基的穩(wěn)定性，此次分析中先不考慮地基土循環(huán)弱化效應(yīng)．

地基土模型參數(shù)如表2所示．荷載條件為：半圓體沉箱結(jié)構(gòu)水下質(zhì)量 Wc= 5 10 kN/m ，拋石基床水下質(zhì)量 Ws= 5 74.5 kN/m ．按強(qiáng)風(fēng)暴潮設(shè)計(jì)條件下結(jié)構(gòu)的豎向和水平波浪荷載[11]分別為 Pv= 1 39.7 kN/m、Ph= 1 51.6 kN/m．

表2 地基土模型參數(shù)Tab.2 Soil parameters for analysis model

根據(jù)荷載條件和地基土參數(shù)，由有限元分析得到地基中的初始自重應(yīng)力場(chǎng)和上部結(jié)構(gòu)(含半圓體沉箱及拋石基床)作用下的地基豎向附加靜應(yīng)力σj，如圖7所示．再在半圓體上作用豎向和水平波浪荷載(考慮大浪作用)，得出圖 8所示地基各單元的附加動(dòng)應(yīng)力σd，最終得到地基的豎向位移，從圖9中可以看出即使在大浪襲擊下半圓體結(jié)構(gòu)也不會(huì)發(fā)生過量沉降，地基是穩(wěn)定的．

圖7 上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的地基附加靜應(yīng)力Fig.7 Vertical additional stress of foundation induced by superstructure

圖8 波荷載作用下的地基附加動(dòng)應(yīng)力Fig.8 Additional dynamic stress of foundation induced by wave loading

圖9 半圓體沉箱沉降Fig.9 Settlement of semicircular caisson

2.2 地基土強(qiáng)度弱化作用下的防波堤穩(wěn)定分析

由2.1節(jié)分析的地基土原位固結(jié)應(yīng)力σ0、附加靜應(yīng)力σj和附加動(dòng)應(yīng)力σd3項(xiàng)應(yīng)力值，根據(jù)圖4循環(huán)荷載作用下天津港軟黏土的強(qiáng)度折減規(guī)律，可得到各土層波浪荷載作用后地基強(qiáng)度弱化程度．其中表層細(xì)砂受波浪荷載影響較小，其強(qiáng)度可考慮不予折減．軟土層弱化程度較大，應(yīng)予以折減，表 3列出了各深度土層典型的強(qiáng)度折減率．在此基礎(chǔ)上重新分析防波堤的穩(wěn)定性，地基豎向位移如圖 10所示．可以看出地基土強(qiáng)度折減后半圓體沉箱發(fā)生了過量沉降．故應(yīng)對(duì)軟基采取一定的加固措施，以提高結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備．

表3 典型地基土強(qiáng)度折減系數(shù)Tab.3 Shear strength discounting ratio of typical soil

圖10 考慮地基土強(qiáng)度弱化后的半圓體沉降Fig.10 Settlement of semicircular caisson considering soil Fig.10 strength softening

2.3 地基加固及效果分析

由以上分析可以看出軟黏土的強(qiáng)度弱化效應(yīng)是半圓體防波堤穩(wěn)定性不容忽視的重要因素，為抵御波浪作用下，特別是大浪襲擊下防波堤地基強(qiáng)度軟化，擬建的天津港北大防波堤有針對(duì)性的對(duì)地基采取一定的加固方案，地基處理方案如下：

(1) 打設(shè) 11,m 深的塑料排水板，間距 1,m×1,m，只打穿淤泥層；

(2) 以拋石基床作為預(yù)壓荷載，當(dāng)?shù)鼗谧灾睾皖A(yù)壓荷載的作用下固結(jié)度達(dá)到 85%左右時(shí)(固結(jié)90,d)，再安放半圓體沉箱．

地基加固完畢后再安裝半圓體沉箱，由 2.2節(jié)的分析方法重新計(jì)算加固后地基土各單元的附加靜應(yīng)力σj和附加動(dòng)應(yīng)力σd．再根據(jù)圖4試驗(yàn)結(jié)果重新對(duì)軟土層的強(qiáng)度進(jìn)行折減進(jìn)而分析防波堤的穩(wěn)定性，地基加固后的半圓體沉降如圖11所示．

圖11 地基土加固后的半圓體沉降Fig.11 Settlement of semicircular caisson after foundation soil reinforcement

由圖11可以看出半圓體防波堤施工期的工后沉降大大縮小，地基是穩(wěn)定的．分析其原因：對(duì)比地基加固前后，加固方案中以拋石基床為先期預(yù)壓荷載(約 30,kPa)，地基土單元的固結(jié)壓力為初始自重應(yīng)力和預(yù)壓荷載之和，因而顯著增大；同時(shí)地基中的附加靜應(yīng)力僅由沉箱結(jié)構(gòu)產(chǎn)生，如不采用加固措施則由沉箱及拋石基床共同作用產(chǎn)生，因此加固后地基中的附加靜應(yīng)力也大大降低，故σj/σ0和σ3/σ0都顯著降低．根據(jù)圖 4軟黏土的抗剪強(qiáng)度折減規(guī)律，此時(shí)的地基土強(qiáng)度弱化效應(yīng)明顯減小，軟土層的強(qiáng)度折減系數(shù)均提高到 80%以上．此外，塑料排水板加速了地基土體的固結(jié)，固結(jié)完成后的地基土強(qiáng)度明顯提高，因此加固處理后的半圓體防波堤-地基在施工期的安全儲(chǔ)備大大提高．

3 結(jié) 論

(1)通過室內(nèi)試驗(yàn)手段并考慮實(shí)際工程中地基土體的應(yīng)力路徑，在動(dòng)三軸試驗(yàn)中，對(duì)試樣施加了不同的靜、動(dòng)應(yīng)力組合．試驗(yàn)結(jié)果顯示，循環(huán)荷載作用后軟黏土的強(qiáng)度與原狀土相比會(huì)發(fā)生衰減，且強(qiáng)度衰減值隨有效固結(jié)壓力、靜應(yīng)力和動(dòng)應(yīng)力的變化，呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，可以用來判斷波浪循環(huán)荷載作用下軟黏土的強(qiáng)度弱化程度，由于試驗(yàn)過程中采用不同的靜、動(dòng)應(yīng)力組合，應(yīng)用范圍更為廣泛，工程實(shí)用性較好．

(2)根據(jù)天津港軟黏土強(qiáng)度弱化規(guī)律的室內(nèi)試驗(yàn)成果，結(jié)合有限元方法對(duì)比分析了波浪荷載作用下半圓體防波堤的穩(wěn)定性，提出了合理的地基處理措施．由于試驗(yàn)過程和模擬過程中的加載條件更貼近土體的實(shí)際應(yīng)力路徑，因此分析結(jié)果更為合理，分析方法明確，可以為工程設(shè)計(jì)人員所接受．

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