福州淤泥質(zhì)土動力特性室內(nèi)試驗研究*

賴夏蕾簡文彬許旭堂唐煒業(yè)

（①福州大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院 福州 350108）

（②福州大學(xué)巖土工程與工程地質(zhì)研究所 福州 350108）

（③福建農(nóng)林大學(xué)交通與土木學(xué)院 福州 350002）

福州淤泥質(zhì)土動力特性室內(nèi)試驗研究*

賴夏蕾①②簡文彬①②許旭堂②③唐煒業(yè)①②

（①福州大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院 福州 350108）

（②福州大學(xué)巖土工程與工程地質(zhì)研究所 福州 350108）

（③福建農(nóng)林大學(xué)交通與土木學(xué)院 福州 350002）

沿海高速公路、鐵路和地鐵的迅速發(fā)展，使得長期循環(huán)荷載作用下的軟基變形問題日漸突出。借助GDS動三軸儀，對福州淤泥質(zhì)土進(jìn)行動三軸試驗。研究了不同圍壓下淤泥質(zhì)土在循環(huán)荷載作用下的動應(yīng)變、動強(qiáng)度、動剪切模量和阻尼比特性，重點分析了固結(jié)圍壓和動應(yīng)力幅值對淤泥質(zhì)土動強(qiáng)度的影響，由此建立了圍壓、振次與土體動強(qiáng)度的經(jīng)驗關(guān)系，該關(guān)系可用以估算不同深度土體在循環(huán)荷載作用下的動強(qiáng)度。試驗結(jié)果表明：福州淤泥質(zhì)土的動強(qiáng)度隨著圍壓增加而增加，隨著振次的增加而減小，且強(qiáng)度很低，動黏聚力的大小為0.3～4.0kPa，動內(nèi)摩擦角的大小為7°～10°。此外，給出了淤泥質(zhì)土在大應(yīng)變條件下的動剪切模量和阻尼比。研究結(jié)果對進(jìn)一步認(rèn)識該地區(qū)淤泥質(zhì)土的動力特性以及對實際工程設(shè)計中合理選擇土的動強(qiáng)度參數(shù)具有理論及實際意義。

淤泥質(zhì)土 動三軸 動強(qiáng)度 動剪切模量 阻尼比

0 引 言

淤泥質(zhì)土是具有高含水率、大孔隙比、低強(qiáng)度、觸變性和結(jié)構(gòu)性等特點的軟土。福州地處東南沿海，廣泛分布著深厚軟土層。近年來隨著沿海高速公路、鐵路和地鐵的迅速發(fā)展，由此導(dǎo)致的長期循環(huán)荷載作用下的軟基變形問題越來越突出。長期循環(huán)荷載作用次數(shù)通常很高，這將直接導(dǎo)致土體強(qiáng)度降低，從而使軟基失穩(wěn)破壞，嚴(yán)重影響建（構(gòu)）筑物的安全及經(jīng)濟(jì)、社會效益的發(fā)揮。因此，研究類似交通荷載作用時間長、具作用周期的循環(huán)荷載對軟土動力特性的影響，具有工程應(yīng)用和理論價值。

目前，國內(nèi)外已有對長期循環(huán)荷載作用下軟土的動強(qiáng)度、動模量和阻尼比等動力特性的研究。20世紀(jì)60、70年代，Hardin et al.（1969，1972）進(jìn)行了大量實驗，在此基礎(chǔ)上研究了影響土動力特性的因素，推導(dǎo)出土的動剪切模量和阻尼比的計算公式。戰(zhàn)吉艷等（2012）通過自振柱試驗，給出了蘇州第四紀(jì)黏性土和淤泥的動剪切模量比和阻尼比曲線經(jīng)驗關(guān)系的擬合參數(shù)值及其平均曲線推薦值。丁伯陽等（2012）通過動三軸試驗，考慮土的結(jié)構(gòu)性的影響，得到杭州軟土的動應(yīng)力－動應(yīng)變骨干曲線及相關(guān)動力特性參數(shù)。張向東等（2014）對營口軟土進(jìn)行動力試驗，研究了動應(yīng)力幅值、固結(jié)圍壓、振次等對軟土動應(yīng)變、動強(qiáng)度、動骨干曲線等動力特性的影響。褚峰等（2014）進(jìn)行了飽和淤泥質(zhì)砂土的動強(qiáng)度特性試驗，研究了土的動力變形。上述研究為研究長期循環(huán)荷載作用引起的軟土力學(xué)性質(zhì)變化問題提供了理論依據(jù)，有益于深化對軟土動力特性的認(rèn)識。但由于區(qū)域性土體性質(zhì)的差異，人們對軟土動力特性的認(rèn)識還在不斷的擴(kuò)展中。因此，本文以福州淤泥質(zhì)土為研究對象，借助GDS動三軸儀進(jìn)行動三軸試驗，分析不同圍壓下淤泥質(zhì)土在循環(huán)荷載作用下的動應(yīng)變、動強(qiáng)度、動剪切模量和阻尼比特性，并進(jìn)一步探討土體動強(qiáng)度、振次和圍壓（即不同深度土體）間的內(nèi)在聯(lián)系，建立了針對福州淤泥質(zhì)土動強(qiáng)度隨振次變化的動態(tài)經(jīng)驗公式，以期為該地區(qū)類似工程的治理和加深對淤泥質(zhì)土動力特性的認(rèn)識提供一些借鑒。

1 試驗土樣及方案

1.1 試驗土樣

本文試驗所用原狀土樣取自福州市內(nèi)開挖至一定深度處的淤泥質(zhì)土，土樣呈深灰色，飽和，軟塑，切面光滑，光澤反應(yīng)光滑，無搖振反應(yīng)，干強(qiáng)度中等。表1為土樣的物理力學(xué)性質(zhì)，其中強(qiáng)度指標(biāo)通過三軸試驗（CU）獲得。表2為試驗所取的淤泥質(zhì)土試樣一覽表，試樣深度為6～17m。

表1 福州淤泥質(zhì)土物理力學(xué)性質(zhì)Table 1 Physical-mechanical properties ofmuddy soil in Fuzhou

表2 淤泥質(zhì)土試樣一覽表Table 2 The sample list

1.2 試驗方案

試驗的土樣尺寸為φ38mm×76mm。試驗儀器為英國GDS儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)的一款由電機(jī)控制的室內(nèi)巖土三軸試驗儀器（5Hz，＋／－5kN，50mm）。

對所有試樣采用各向等壓固結(jié)（Kc＝1）。根據(jù)取樣深度的不同，對深度較大處土樣施加較高的固結(jié)壓力，固結(jié)壓力為50kPa、100kPa、150kPa、200kPa及250kPa（蔡輝騰等，2010；褚峰等，2014）。成型后在動三軸儀上分別對試樣進(jìn)行反壓飽和、B值檢測（B＝Δu／Δσ，Δu為孔隙水壓力改變量，Δσ為圍壓改變量）、固結(jié)（不排水）。反壓飽和過程中，當(dāng)反壓體積保持不變時視為飽和過程完成。B值檢測時，當(dāng)B值大于0.95時說明試樣飽和，否則繼續(xù)加大反壓和圍壓進(jìn)行反壓飽和過程。固結(jié)壓力是在飽和的基礎(chǔ)上增加圍壓，當(dāng)反壓體積保持不變或者孔隙水壓力與反壓相等時說明試樣已經(jīng)固結(jié)完成。

動應(yīng)力比為R＝σd／2σc，σd為豎直方向振動荷載，σc為側(cè)壓力大小（雷華陽等，2008）。根據(jù)唐益群等（2004）的研究，當(dāng)土體埋深為11～13m時，動應(yīng)力比為0.1～0.2；根據(jù)雷華陽等（2008）的研究，動應(yīng)力比可取范圍約為0.18～0.28。因此，參考上述研究，對于每一級的固結(jié)壓力，本文按照動應(yīng)力比（R）為0.1～0.25范圍來確定動荷載幅值。

根據(jù)黃博等（2011）的總結(jié)，軟土地基上加載的動力波頻率范圍為0.1～10Hz，以1～2Hz為主。故本次試驗采用1Hz的動荷載頻率，振動波為正弦波。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 動強(qiáng)度特性

2.1.1 動強(qiáng)度曲線

根據(jù)動三軸試驗成果，可作出軸向動應(yīng)力σd與破壞周數(shù)Nf的關(guān)系曲線。土力學(xué)中，通常將三軸試樣在45°面上的剪應(yīng)力τd＝σd／2作為試樣的剪切強(qiáng)度，因而動強(qiáng)度曲線可表示為τd－Nf或σd／2-Nf。據(jù)《土工試驗技術(shù)手冊》，常用破壞標(biāo)準(zhǔn)有：極限平衡標(biāo)準(zhǔn)、液化標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)。本文破壞標(biāo)準(zhǔn)采用應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)，即εd＝5％。

為了研究福州淤泥質(zhì)土在循環(huán)荷載下抗剪強(qiáng)度的變化規(guī)律，整理5組不同圍壓下的試驗數(shù)據(jù)，得到εd＝5％時的動強(qiáng)度曲線，即τd－Nf關(guān)系曲線（圖1）。

圖1的擬合結(jié)果表明：隨著振動次數(shù)的增加，動剪應(yīng)力值降低，可認(rèn)為兩者大致呈負(fù)冪次函數(shù)關(guān)系，形式如下：

式中，τd為動剪應(yīng)力；N為振次；A和B為試驗無量綱擬合參數(shù)。

通過對表3中數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，可得出圍壓與參數(shù)A、B間的經(jīng)驗關(guān)系，見式（2）、式（3）：

圖1 動剪應(yīng)力－振次曲線Fig.1 Curves of shear stress vs.vibration numbers

表3 動強(qiáng)度曲線試驗參數(shù)Table 3 Experimental parameters of dynamic strength curves

將式（2）和式（3）代入式（1）可得不同位置土體動抗剪強(qiáng)度與振次的經(jīng)驗曲線，經(jīng)驗公式結(jié)果如下所示：

由式（4）可知：隨圍壓增加，淤泥質(zhì)土的動抗剪強(qiáng)度有所增大，這可認(rèn)為是圍壓增大使淤泥質(zhì)土的顆粒間孔隙被壓密，從而使土體的抗剪強(qiáng)度有所增加。

有學(xué)者總結(jié)出，國內(nèi)外室內(nèi)模擬交通荷載試驗所設(shè)動力荷載最大振次多為104量級（黃博等，2011），鑒于此，為了更加清楚地了解長期循環(huán)荷載下淤泥質(zhì)土的強(qiáng)度，本文利用式（4）估算104次動荷載作用下淤泥質(zhì)土的動剪強(qiáng)度。結(jié)果表明，在圍壓為50kPa時，土體動剪強(qiáng)度為6.39kPa，其在圍壓增大時有所增加，圍壓為250kPa時動抗剪強(qiáng)度值為32.5kPa?？梢哉f明，長期動荷載作用下福州淤泥質(zhì)土的動抗剪強(qiáng)度是很低的，這在工程中需引起重視。

2.1.2 動強(qiáng)度指標(biāo)

土體動強(qiáng)度大小可由動強(qiáng)度指標(biāo)表征。根據(jù)動三軸試驗測得的數(shù)據(jù)，作出固結(jié)應(yīng)力圓與振動應(yīng)力圓，從而得到動強(qiáng)度指標(biāo)cd和φd。

本文分別對σ3c＝50kPa、100kPa、150kPa、200kPa及250kPa，在Nf＝10、100、1000、10000的情況下，在坐標(biāo)軸上作出應(yīng)力圓，再作破壞應(yīng)力圓包線，包線在縱軸的截距為cd，對橫軸的傾角即φd。通過作圖得到的不同圍壓、不同振次下淤泥質(zhì)土動強(qiáng)度指標(biāo)見表4，圖2、圖3為淤泥質(zhì)土動強(qiáng)度指標(biāo)與振次的關(guān)系圖。

表4 Kc＝1Hz，εd＝5％時各振次下的動強(qiáng)度指標(biāo)Table 4 Kc＝1Hz，εd＝5％dynamic strength index

圖2 動黏聚力與振次關(guān)系圖Fig.2 Relation curve between cohesion and vibration numbers

2.2 動應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

動應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系式可以反映土體動力特性，同時也能反映出土體的動力失穩(wěn)過程等。反映土動應(yīng)力－動應(yīng)變關(guān)系性質(zhì)的主要是動骨干曲線，動骨干曲線的理論模型目前有：Martin-Drnevich修正模型、Hardin雙曲線模型、Martin-Davidenkov模型、Pyke模型等，本文中淤泥質(zhì)土的動骨干方程采用Hardin雙曲線模型，即：

圖3 動內(nèi)摩擦角與振次關(guān)系圖Fig.3 Relation curve between internal friction angle and vibration numbers

式中，σd、εd分別為動應(yīng)力和動應(yīng)變；a和b為試驗參數(shù)。

參考張勇等（2010）對動骨干曲線模型的研究，做出了不同圍壓下的動骨干曲線。圖4表明低圍壓時，動應(yīng)變變化較平緩。而隨著圍壓增大，動骨干曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點，應(yīng)變在達(dá)到轉(zhuǎn)折點后迅速增加直至達(dá)到破壞應(yīng)變。圍壓越大，應(yīng)變轉(zhuǎn)折點出現(xiàn)得越早，應(yīng)變轉(zhuǎn)折越明顯。

圖4 淤泥質(zhì)土動骨干曲線Fig.4 Dynamic backbone curves of Fuzhou muddy soil

2.3 動剪切模量與阻尼比

動剪切模量Gd和阻尼比是土動力學(xué)特性的重要參數(shù)，在土動力學(xué)計算與分析、土層動力反應(yīng)分析及場地地震安全評價中是不可或缺的基礎(chǔ)資料。動阻尼比λd常被用于衡量軟土對能量的吸收能力，為實際的阻尼系數(shù)c與臨界阻尼系數(shù)ccr之比。

可根據(jù)試驗所得的滯回圈計算土的動剪切模量Gd和阻尼比λd：

式中，A為應(yīng)力-應(yīng)變滯回圈面積；As為滯回圈中心點、應(yīng)力應(yīng)變值最大點與應(yīng)變坐標(biāo)軸連線形成的三角形面積。

本文在動剪切模量和阻尼比的數(shù)據(jù)處理中分別選用100kPa、150kPa及200kPa三個圍壓下的達(dá)到破壞振次時的滯回圈來計算淤泥質(zhì)土的動剪切模量和阻尼比。表5為計算結(jié)果。

表5 試驗土樣的動模量與阻尼比Table 5 Dynamic shearmodulus and damping ratio

試驗計算結(jié)果表明，一定圍壓下，土體的動剪切模量和阻尼比隨動荷載增大有所增加。從表5中可發(fā)現(xiàn)結(jié)果存在一定離散性，而孫銳等（2010）曾得出研究結(jié)論：“大應(yīng)變時動剪切模量離散性顯著增大”，這一定程度上與上述試驗結(jié)果相符。由于GDS動三軸儀只能測試大應(yīng)變條件下的動力參數(shù)，故本文的動剪切模量計算結(jié)果位于G／Gmax－γ關(guān)系曲線的尾部，僅代表大應(yīng)變條件下的動剪切模量測試值，結(jié)果可對今后福州淤泥質(zhì)土G／Gmax－γ關(guān)系曲線的研究起借鑒作用。對整段曲線的研究，將結(jié)合共振柱儀試驗另文探討。

通過動三軸試驗對阻尼比的研究則相對較多，筆者總結(jié)了近年來國內(nèi)不同地區(qū)的淤泥質(zhì)土的阻尼比（大應(yīng)變條件下）的研究數(shù)據(jù)，得到表6。從表6中可以看出，在大應(yīng)變條件下，國內(nèi)不同地區(qū)淤泥質(zhì)土的阻尼比多為17～21。表中部分研究中出現(xiàn)了偏離此范圍的數(shù)據(jù)，說明本試驗中的試驗結(jié)果出現(xiàn)一定離散性是具有合理性的，實際上這與淤泥質(zhì)土本身的復(fù)雜性有關(guān)?？偟膩碚f，不同地區(qū)淤泥質(zhì)土大應(yīng)變下的阻尼比值是接近的。本試驗計算所得的阻尼比在量級與數(shù)值上和國內(nèi)其他研究成果偏差不大，故可認(rèn)為試驗?zāi)芊从掣Ｖ萦倌噘|(zhì)土的阻尼比特性。

表6 淤泥質(zhì)土動阻尼比的國內(nèi)試驗結(jié)果比較Table 6 Comparison of D ofmuddy soil from test at home

3 結(jié) 語

（1）試驗結(jié)果表明，福州淤泥質(zhì)土的動抗剪強(qiáng)度隨動荷載循環(huán)次數(shù)的增加而降低，其動強(qiáng)度很低，動黏聚力cd的大小為0.3～4.0kPa，動內(nèi)摩擦角φd的大小為7°～10°。動強(qiáng)度隨著圍壓增加而增加，隨著振次的增加而減小。根據(jù)試驗建立的圍壓、振次與土體動強(qiáng)度的經(jīng)驗關(guān)系可用來估算不同深度土體在循環(huán)荷載作用下的動強(qiáng)度。

（2）總體上看，一定固結(jié)圍壓下淤泥質(zhì)土達(dá)破壞標(biāo)準(zhǔn)所需要的破壞周數(shù)隨著動荷載幅值的增加而呈現(xiàn)減小的趨勢。

（3）淤泥質(zhì)土的動骨干方程可用Hardin雙曲線模型表征。隨著圍壓增大，淤泥質(zhì)土的動骨干曲線出現(xiàn)應(yīng)變轉(zhuǎn)折點，且圍壓越大，越早出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點。

（4）動三軸試驗只能獲取較大應(yīng)變條件下的動模量。當(dāng)圍壓為200kPa時，土的動剪切模量最大值為5.61×100kPa。試驗測得的土體動阻尼比有一定離散性，其值在14％～22％間浮動，較集中于20％上下。

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EXPRIMENTAL STUDY ON DYNAM IC CHARACTERISTICS OF MUDDY SOIL IN FUZHOU

LAIXialei①②JIANWenbin①②XU Xutang②③TANGWeiye①②
（①College of Environment and Resources，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou 350108）
（②Institute of Geotechnical and Geological Engineering，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou 350108）
（③College of Transportation and Civil Engineering，F(xiàn)ujian Agriculture and Forestry University，F(xiàn)uzhou 350002）

As the rapid development of highway，railway and urban rail transit project，soft ground settlement caused by the long-term cyclic dynamic load has been paid more and more attention.The dynamic triaxial tests to measure the dynamic characteristic ofmuddy soil were conducted on samples from Fuzhou.A series of changing regulations of dynamic stress，dynamic strength，dynamic shear modulus and damping ratios were analyzed.The effects of consolidation pressure and dynamic stress amplitude on the dynamic strength of muddy soil were investigated respectively.A relationship among dynamic strength，consolidation pressure and vibration numbers is developed，bywhich the dynamic strength of soil in different depth can be estimated.The experimental results show that，the dynamic strength falls as the cycle of the dynamic loading increases，and it increases as consolidationpressure increases.It should be noticed that the values of dynamic strength is low.Finally，the values of dynamic shearmodulus and damping ratios are given.

Muddy soil，Dynamic triaxial test，Dynamic strength，Dynamic shear modular，Dynamic damping ratio

P642.22

：A

10.13544／j.cnki.jeg.2016.06.033

2015－09－14；

2016－01－04.

國家自然科學(xué)

（41102167）資助.

賴夏蕾（1992－），女，碩士生，主要從事地質(zhì)災(zāi)害研究.Email：15200718950＠163.com

簡文彬（1963－），男，博士，教授，主要從事巖土工程與工程地質(zhì)教學(xué)與科研工作.Email：jwb＠fzu.edu.cn