循環(huán)荷載作用下珠海隧道飽和黏土軟化試驗研究

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(1.河海大學(xué) a.巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室；b.巖土工程科學(xué)研究所；c.安全與防災(zāi)工程研究所，南京 210098； 2.山東省地震工程研究院,濟(jì)南 250021)

1 研究背景

港珠澳大橋珠海連接線是國家重點工程港珠澳大橋的重要組成部分，主要由橋梁、隧道構(gòu)成，其長度占路線總長的96.09%。珠海隧道為高速公路雙向六車道超大斷面隧道，隧道總長6 195 km，占路線總長的46.12%。其中，拱北隧道是整個工程的重點控制性工程。

港珠澳大橋珠海隧道地基為南方典型的軟黏土。黏土地基在長期循環(huán)荷載作用下將會引起工后沉降，嚴(yán)重威脅珠海隧道的行車舒適性和安全性。為此，通過室內(nèi)試驗對珠海隧道黏土進(jìn)行循環(huán)荷載下動力軟化研究具有重大工程應(yīng)用價值，研究成果也將豐富珠海飽和黏土動力特性研究，對其它地區(qū)黏土地基的動力軟化問題也有較好的借鑒意義。

循環(huán)荷載作用下土體軟化的原因很多，大致可以分為3類[1]：①循環(huán)荷載引起飽和黏土產(chǎn)生孔壓；②循環(huán)荷載引起主應(yīng)力方向改變導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)重塑；③孔壓和土體結(jié)構(gòu)重塑的共同作用。國內(nèi)外學(xué)者對飽和黏土動力軟化開展許多研究，取得了不少成果。Vucetic等[2]研究了塑性指數(shù)和超固結(jié)比對土體軟化的影響；Lefebvre等[3]通過試驗表明加荷速率能夠影響土體軟化；Idriss等[4]提出軟化指數(shù)概念，并且建立循環(huán)次數(shù)與軟化指數(shù)之間的關(guān)系表達(dá)式；Yasuhara等[5]建立循環(huán)次數(shù)與軟化指數(shù)之間的半對數(shù)表達(dá)式。為更確切反映土體軟化現(xiàn)象，要明倫等[6]對Idriss等[4]定義的軟化參數(shù)進(jìn)行修正。周建等[1]通過動三軸試驗研究了循環(huán)應(yīng)力比、超固結(jié)比、頻率對土體應(yīng)變軟化的影響，并建立了相應(yīng)的土體軟化數(shù)學(xué)模型；王軍等[7]通過開展雙向激振試驗建立了雙向激振循環(huán)荷載作用下飽和軟黏土的軟化模型。

然而,以往的研究對循環(huán)荷載的模擬主要以正弦波為主。但Hyodo等[8]的現(xiàn)場試驗結(jié)果表明，交通荷載作用下地基土受力波形可采用半正弦波來模擬，而正弦波由于拉壓等幅，模擬地基所受的動應(yīng)力與實際情況差別較大。因此，本文采用半正弦波來模擬交通荷載，研究半正弦波荷載下珠海隧道飽和黏土動力軟化問題。

2 試驗內(nèi)容和方法

2.1 試驗土樣

試驗土樣取自港珠澳大橋珠海隧道茂盛圍段詳勘原狀樣，取樣深度為8～10 m,其尺寸(直徑×高)為100 mm×150 mm，試驗三軸試樣尺寸為?50 mm×100 mm，采用切土器切取。試樣分別為粉質(zhì)黏土和淤泥質(zhì)黏土，基本物理性質(zhì)指標(biāo)如表1。

2.2 試驗內(nèi)容

試驗儀器為GDS雙向振動三軸儀。動力軟化試驗采用應(yīng)力控制加載方式。試樣制備完成后先進(jìn)行抽真空飽和，裝入三軸儀后再進(jìn)行反壓飽和，飽和過程中進(jìn)行孔隙應(yīng)力系數(shù)測定，當(dāng)孔隙應(yīng)力系數(shù)值大于0.95以后對試樣進(jìn)行固結(jié)。根據(jù)試樣埋深，固結(jié)圍壓取100 kPa；根據(jù)車輛行駛統(tǒng)計規(guī)律，振動頻率選取1 Hz。試驗過程中軸壓、孔壓、循環(huán)次數(shù)、軸向位移等數(shù)據(jù)由電腦采集處理，試驗方案如表2。

表1 試樣基本物理性質(zhì)指標(biāo)

表2 動力軟化試驗方案

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 軟化指數(shù)分析

循環(huán)荷載作用下，依據(jù)Idriss軟化指數(shù)δ的定義，并考慮到試驗采用應(yīng)力控制加載方式，軟化指數(shù)δ的定義為

(1)

式中：GN,max，G1,min分別為第N次和第1次循環(huán)次數(shù)的土體的最大與最小割線剪切模量；qmin，qmax分別為每次循環(huán)中土樣的最小與最大剪應(yīng)力；εN,min，εN,max分別為第N次循環(huán)中最小與最大軸向應(yīng)變；ε1,min，ε1,max為第1次循環(huán)中最小與最大軸向應(yīng)變。

根據(jù)試驗結(jié)果得到軟化指數(shù)曲線如圖1所示。從圖中可以看出，隨著循環(huán)荷載次數(shù)增加，軟化指數(shù)逐漸減小，土體軟化程度逐漸增加，δ-lgN關(guān)系曲線表現(xiàn)為線性關(guān)系。相同循環(huán)次數(shù)條件下，動應(yīng)力越大，軟化指數(shù)越小，土體軟化程度越高，表明提高動應(yīng)力將會加速土體軟化。通過圖1(a)中試樣X1和X2的比較可以看出，相對于加載波形為正弦波而言，加載波形為半正弦波將會提高土體軟化程度。對比圖1(b)中試樣Y1和Y2可以看出，循環(huán)荷載作用下，土體在排水條件軟化程度要比不排水條件下的軟化程度要高。

圖1 土樣軟化指數(shù)曲線

3.2 剛度軟化分析

常規(guī)三軸試驗分析中，黏土的剛度用應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線中割線剪切模量Gsec的大小來描述。循環(huán)荷載作用下，動應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線表現(xiàn)為一系列封閉的滯回圈，并且隨著循環(huán)次數(shù)的增加而向右移動，累積塑性應(yīng)變逐漸增加[9]。每一個滯回圈由加載曲線與卸載曲線2部分組成。已有研究成果表明，加載與卸載時割線剪切模量Gsec隨循環(huán)應(yīng)變幅值εs變化規(guī)律相同，故本文僅以加載曲線為例對飽和黏土和淤泥質(zhì)黏土進(jìn)行剛度軟化分析。加載曲線中，Gsec定義[10]如下：

(2)

式中：εa為軸向應(yīng)變；q為偏應(yīng)力；εamin為加載曲線中應(yīng)變的最小值。

試樣X4在不同循環(huán)次數(shù)下Gsec-εs關(guān)系曲線如圖2所示。從圖2可以看出，在循環(huán)應(yīng)變初期，Gsec變化幅度很大，定義最大割線剪切模量Gmax對應(yīng)的循環(huán)應(yīng)變?yōu)榕R界屈服應(yīng)變εp。當(dāng)εs<εp時，Gsec隨循環(huán)應(yīng)變累積而逐漸增大，試樣表現(xiàn)出剛度硬化現(xiàn)象;當(dāng)εs>εp時，Gsec隨循環(huán)應(yīng)變累積而逐漸降低，試樣剛度逐漸減小，出現(xiàn)剛度軟化現(xiàn)象。因此，可以判斷試樣在每一循環(huán)次數(shù)中都存在臨界屈服應(yīng)變εp，王軍等[10]通過對飽和軟黏土軟化現(xiàn)象分析也得到了相似的結(jié)果。

圖2 Gsec-εs關(guān)系曲線(試樣X4)

對于珠海粉質(zhì)黏土，從圖2(a)中可以發(fā)現(xiàn)，臨界屈服應(yīng)變εp大致范圍在循環(huán)應(yīng)變0.02%～0.05%，且隨著循環(huán)次數(shù)的增加，εp逐漸增大。每一循環(huán)中，割線剪切模量Gsec隨εs累積，初期時變化幅度較大，說明軟化速率較快，之后隨著εs的逐漸增大，Gsec變化幅度減小，逐漸趨于平緩，說明軟化速率逐漸減慢。通過對比不同循環(huán)次數(shù)內(nèi)的曲線，可以看出，當(dāng)εs大于某一值時，曲線重合，Gsec趨于一致，說明此時循環(huán)次數(shù)對Gsec影響很小。

從圖2中還可以看出：①循環(huán)次數(shù)很低時，Gsec從最大值到最小值衰減幅度較大，如N=6時衰減幅度為13 MPa。循環(huán)次數(shù)很高時，Gsec從最大值到最小值衰減幅度較小，如N=20 961和N=73 961時衰減幅度分別為6 MPa和4 MPa，表明土體剛度軟化現(xiàn)象逐漸減弱。②當(dāng)循環(huán)次數(shù)大于20 000次時，Gsec-εs曲線從循環(huán)應(yīng)變發(fā)展初期就基本重合，說明循環(huán)次數(shù)對剛度軟化影響已很小。

圖3為試樣X4的Gmax-N關(guān)系曲線。從圖3可以看出，隨循環(huán)次數(shù)N增加，Gmax減少。在100次循環(huán)次數(shù)以內(nèi)，循環(huán)次數(shù)對Gmax的影響較大，Gmax發(fā)生較大幅度的衰減，衰減幅度達(dá)到5.2 MPa。隨循環(huán)次數(shù)N增加，循環(huán)次數(shù)對Gmax的影響減弱，從2001次至73 961次的7萬余次循環(huán)中，Gmax的衰減幅度僅為3.8 MPa。

圖3 Gmax-N關(guān)系曲線

淤泥質(zhì)黏土試樣Y2的Gsec-εs關(guān)系曲線如圖4所示。通過試驗發(fā)現(xiàn)，循環(huán)次數(shù)較低時，εp隨循環(huán)次數(shù)增加而增加，臨界屈服應(yīng)變εp大致范圍位于循環(huán)應(yīng)變0.03%～0.05%。隨εs逐漸增大，Gsec變化幅度趨于平緩，集中于某一條直線上，循環(huán)次數(shù)的影響不明顯。

圖4 Gsec-εs關(guān)系曲線(試樣Y2)

從圖4(b)中可以看出，當(dāng)循環(huán)次數(shù)大于2 000時，隨εs逐漸增大，由于土體孔壓已趨于穩(wěn)定，曲線趨于一條水平直線，試樣基本不發(fā)生剛度軟化。另外通過對比不同排水條件下剛度軟化曲線(見圖5)可以看出，排水條件能夠影響土體循環(huán)荷載下的剛度軟化，土體在排水條件下要比不排水條件下剛度軟化程度高。

圖5 不同排水條件下Gsec-εs關(guān)系曲線

不同動應(yīng)力條件下土體剛度軟化的情況如圖6所示?？梢钥闯?，相同循環(huán)次數(shù)下，動應(yīng)力越大，Gsec越小，土體軟化程度越高，進(jìn)一步說明動應(yīng)力對土體剛度軟化有較明顯的影響。另外，臨界屈服應(yīng)變εp隨著動應(yīng)力的增加而逐漸變大。

圖6 不同動應(yīng)力下Gsec-εs關(guān)系曲線

4 結(jié) 論

(1) 在循環(huán)應(yīng)變初期，Gsec變化幅度很大，試樣在每一循環(huán)次數(shù)中都存在臨界屈服應(yīng)變εp:當(dāng)εs<εp時，Gsec隨循環(huán)應(yīng)變累積而逐漸增大，試樣表現(xiàn)出剛度硬化現(xiàn)象;當(dāng)εs>εp時，Gsec隨循環(huán)應(yīng)變累積而逐漸降低，試樣剛度逐漸減小，出現(xiàn)剛度軟化現(xiàn)象。

(2) 循環(huán)次數(shù)較低時，土體剛度軟化現(xiàn)象明顯，但當(dāng)εs發(fā)展到某一值時，Gsec-εs關(guān)系曲線重合，循環(huán)次數(shù)影響不明顯；對粉質(zhì)黏土，當(dāng)循環(huán)次數(shù)很高時，土體剛度軟化程度降低，且Gsec-εs曲線從循環(huán)應(yīng)變發(fā)展初期就基本重合，集中于某一條曲線；對淤泥質(zhì)黏土，當(dāng)循環(huán)次數(shù)很高時，Gsec-εs曲線趨于一條水平直線，試樣基本不發(fā)生剛度軟化。另外，加載波形會影響土體的剛度軟化程度。

(3) 相同循環(huán)次數(shù)條件下，動應(yīng)力越大，軟化指數(shù)越小，土體軟化程度越高；土體在排水條件下軟化程度要比不排水條件下軟化程度要高。

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