不同應力路徑下飽和粉土動強度特性試驗研究

張健 ，翟劍峰 ，王仙美 ，陳捷 ，陳景雅

（1.江蘇省交通規(guī)劃設計院股份有限公司，江蘇 南京 210005；2.江蘇省水運工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京 211100；3.河海大學道路與鐵道工程研究所，江蘇 南京 210098）

0 引言

在海洋工程中最主要的荷載是波浪荷載。波浪荷載以循環(huán)壓力波的形式作用于海床上，引起海床中孔隙水壓力和有效應力的變化，使海床出現(xiàn)變形、剪切破壞、液化等現(xiàn)象，導致海床的失穩(wěn)，乃至坐落于海床上結(jié)構(gòu)物的破壞[1-2]。

土的動力變形與強度特性及其工程參數(shù)是分析和評價建筑物及地基動力響應及其穩(wěn)定性的關(guān)鍵。國內(nèi)外學者進行了一系列關(guān)于砂土和黏土在主應力軸旋轉(zhuǎn)條件下的試驗研究，但針對粉土在考慮主應力方向旋轉(zhuǎn)條件下的研究很少。而對于循環(huán)圓扭剪、循環(huán)三軸及循環(huán)純扭剪之間強度差異目前尚沒有較為合理的解釋。本文利用空心圓柱儀（HCA），對飽和粉土進行了一系列循環(huán)三軸-扭剪耦合試驗，實現(xiàn)主應力軸旋轉(zhuǎn)這一特殊應力路徑，探討波浪荷載作用飽和粉土強度特性，并進行了循環(huán)動三軸及循環(huán)純扭剪對比試驗，對其強度差異進行了較為合理的解釋。

1 試驗簡介

1.1 試驗儀器

試驗采用空心圓柱扭剪儀（HCA），該儀器能夠?qū)υ嚇邮┘釉O定的軸力、扭矩以及內(nèi)外圍壓，從而實現(xiàn)試樣主應力軸方向的旋轉(zhuǎn)。這種旋轉(zhuǎn)方式可以保證試樣徑向主應力為中主應力，大小主應力以徑向為軸進行平面主應力軸旋轉(zhuǎn)，其所具備的應力坐標系包含大、中、小主應力以及大小主應力旋轉(zhuǎn)角度4個獨立變量恰與上述所能提供的軸力等4個加載參數(shù)相對應，從而達到完全模擬平面主應力軸旋轉(zhuǎn)應力路徑的要求[3-4]。

1.2 試驗方案

試驗采用長江入海口處粉土作為研究對象，其中粉粒含量為86%，砂粒含量為8.38%，黏粒含量為5.62%。粉土基本物理性質(zhì)指標如表1。

表1 粉土基本物理性質(zhì)指標Table 1 Basic physical property index of the silt

試驗采用粉土重塑空心圓柱試樣，試樣外徑D=100 mm、內(nèi)徑d=60 mm、高度H=200 mm。制樣采取干土分層擊實控制干密度的方法，根據(jù)原狀土的干密度確定每層土樣的重量，共分8層擊實，擊實到相應高度后，各層接觸面刮毛，以保證上下層接觸良好。試樣飽和采用抽真空下吸無氣水的方法，并施加一定的反壓，確保試樣固結(jié)前孔隙水壓力系數(shù)B≥0.98。試驗采取孔隙水壓力達到有效圍壓時的“初始液化”狀態(tài)作為破壞標準，其相對應的振次為破壞振次Nl。試驗方案見表2。

表2 試驗方案Table 2 Test program

在循環(huán)剪切試驗階段，在不排水條件下采用應力控制方式同時施加循環(huán)豎向荷載W和循環(huán)扭矩MT，循環(huán)豎向荷載和循環(huán)扭矩均為簡諧荷載，試驗中控制循環(huán)扭矩比循環(huán)豎向荷載的相位滯后90°，且使得循環(huán)軸向應力幅值之半σd/2與循環(huán)扭轉(zhuǎn)剪應力幅值τd相等，從而保證循環(huán)耦合試驗中的應力路徑始終為圓形，以期模擬海洋波浪荷載在海床中所形成的主應力軸連續(xù)旋轉(zhuǎn)的應力條件[5-7]。在循環(huán)三軸試驗和循環(huán)純扭剪試驗中，僅分別施加循環(huán)豎向荷載W和循環(huán)扭矩MT，沒有二者之間的組合效應。

2 波浪荷載作用下飽和粉土動強度

2.1 動強度曲線

在分析液化現(xiàn)象時，一個重要的參數(shù)是引起液化所需的液化循環(huán)周數(shù)Nl，由試驗獲得波浪荷載作用下飽和粉土在均壓固結(jié)下的液化循環(huán)周數(shù)Nl與無因次剪切應力τ/σ0′如圖1所示。

圖1 循環(huán)周數(shù)與無因次剪應力比之間關(guān)系Fig.1 Relationship between liquefaction cyclic numbers and dimensionless shear stressratio

圖1 中的曲線可以用下列經(jīng)驗公式進行擬合，

式中：α，β為經(jīng)驗常數(shù)。

2.2 不同循環(huán)應力路徑的試驗對比

在均等固結(jié)條件下進行了循環(huán)圓扭剪試驗、循環(huán)三軸試驗及循環(huán)扭剪試驗，不同循環(huán)應力路徑下液化循環(huán)周數(shù)Nl與無因次剪切應力τ/σ0′之間關(guān)系如圖2所示。

圖2 不同循環(huán)應力路徑下循環(huán)周數(shù)與無因次剪應力比之間關(guān)系Fig.2 Relationship between liquefaction cyclic numbers and dimensionlessshear stressratio under different cyclic stresspaths

3種不同循環(huán)應力路徑下液化循環(huán)周數(shù)Nl與無因次剪切應力τ/σ0′之間關(guān)系均符合式（1）。不同循環(huán)應力路徑下試驗參數(shù)取值如表3。

表3 試驗參數(shù)Table 3 Experimental parameter

由圖2可以看出：在相同的剪切應力比下，循環(huán)圓扭剪的破壞振次最少，循環(huán)純扭剪最多，循環(huán)三軸介于二者之間。在振次較少的情況下，循環(huán)圓扭剪比循環(huán)純扭剪動強度降低約35%，比循環(huán)動三軸降低25%。在振次較高的情況下，循環(huán)圓扭剪比循環(huán)純扭剪動強度降低約48%，比循環(huán)動三軸降低41%。

2.3 不同循環(huán)應力路徑強度差異的解釋

不同應力路徑下飽和粉土動強度的差異可以通過剪應力q時程曲線在一個周期T內(nèi)的積分計算得到的加載效率來合理的解釋。

不同的應力路徑下，剪應力q的表達形式如下：

循環(huán)圓扭剪與循環(huán)純扭剪、循環(huán)三軸之間的強度差異可以從剪應力q的時程曲線來解釋，不同應力路徑下剪應力q在一個周期T內(nèi)的時程曲線如圖3所示，則不同應力路徑下的加載效率可以用曲線在一個周期T內(nèi)的積分來計算。

圖3 不同應力路徑下剪應力時程曲線Fig.3 Time-history curve of shear stressunder different stress paths

循環(huán)圓扭剪試驗中加載效率Ec=q

循環(huán)純扭剪與循環(huán)三軸試驗中加載效率

加載效率越大，則試樣在相同振次內(nèi)累積產(chǎn)生的孔隙水壓力與變形越大，動強度則越低，由加載效率計算可以得出循環(huán)圓扭剪試驗動強度比循環(huán)純扭剪與循環(huán)三軸試驗降低36%，與試驗得出的結(jié)論非常符合。

3 結(jié)語

1）不同應力路徑下液化循環(huán)周數(shù)與無因次剪切應力比之間關(guān)系可用冪函數(shù)曲線來較好的擬合。

2） 循環(huán)三軸-扭剪耦合、循環(huán)三軸和循環(huán)純扭剪對比試驗結(jié)果表明：在相同的剪切應力比下，循環(huán)三軸-扭剪耦合試驗的破壞振次最少，循環(huán)純扭剪最多，循環(huán)三軸介于二者之間。循環(huán)三軸-扭剪耦合試驗比循環(huán)純扭剪試驗動強度降低約35%，比循環(huán)動三軸試驗降低25%。

3）當破壞循環(huán)振次較少時，循環(huán)三軸動強度與循環(huán)純扭剪動強度差異較大；當破壞循環(huán)振次較多時，循環(huán)三軸動強度與循環(huán)純扭剪動強度差別較小。

4）不同應力路徑下的強度差異可以通過剪應力q時程曲線在一個周期T內(nèi)的積分計算得到的加載效率來合理的解釋。

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