反復(fù)循環(huán)荷載下考慮上覆土體壓力軟土次固結(jié)變形試驗(yàn)研究

陳志波，孔秋平，朱俊高，張升鋒

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反復(fù)循環(huán)荷載下考慮上覆土體壓力軟土次固結(jié)變形試驗(yàn)研究

陳志波1, 2, 3，孔秋平4，朱俊高5，張升鋒6

(1. 福州大學(xué)資源與城鄉(xiāng)建設(shè)系，福建福州，350116；2. 地質(zhì)工程福建省高校工程研究中心，福建福州 350116；3. 國土資源部丘陵山地地質(zhì)災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建福州，350116；4. 福建永強(qiáng)巖土工程有限公司，福建龍巖，364116；5. 河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京，210098；6. 福建省建筑科學(xué)研究院，福建福州，350025)

采用不同原狀軟土，取循環(huán)荷載卸載時(shí)試樣最小應(yīng)力為原狀軟土上覆土體壓力，進(jìn)行反復(fù)循環(huán)荷載下的一維固結(jié)試驗(yàn)，研究軟土的次固結(jié)變形特性。研究結(jié)果表明：在荷載循環(huán)過程中，初始最大預(yù)壓荷載越大，軟土次固結(jié)系數(shù)a越??；次固結(jié)系數(shù)隨循環(huán)次數(shù)增大減小明顯，當(dāng)循環(huán)次數(shù)達(dá)20次以上時(shí)，減小逐步變緩；循環(huán)荷載越大，軟土的次固結(jié)系數(shù)越大且減小越迅速。經(jīng)35次循環(huán)荷載后，再加載時(shí)次固結(jié)系數(shù)a隨再加荷載1增大而增大，且a與lg1呈線性關(guān)系；最大預(yù)壓荷載越大、維持時(shí)間越長，再加載時(shí)次固結(jié)系數(shù)a越小。

軟土；地基工程；循環(huán)荷載；固結(jié)試驗(yàn)；次固結(jié)系數(shù)

軟土次固結(jié)變形特性反映軟土長期固結(jié)變形性質(zhì)，常被用來分析軟土地基竣工后的長期沉降問題。近年來，軟土次固結(jié)變形問題得到越來越多的重視，相關(guān)研究工作不斷展開，在軟土次固結(jié)變形機(jī)理[1?4]、計(jì)算方法[5?9]等方面得到了一些成果。此外，一些學(xué)者對荷載及循環(huán)荷載下軟土的變形及強(qiáng)度特性進(jìn)行了研究[10?14]。對于軟土在反復(fù)循環(huán)荷載下的次因結(jié)變形特性，有個(gè)別學(xué)者進(jìn)行了一定的探索[15?16]，但目前這方面的研究成果仍較少。以往對于反復(fù)循環(huán)荷載的荷載中心值一般取為零值，即加載時(shí)荷載增加到某值后卸荷到零，然后再反復(fù)地加、卸載。然而，軟土是作為下臥層而存在于地基中，始終承受著上覆土層或基礎(chǔ)的荷載，在反復(fù)循環(huán)荷載作用下的地基如油罐地基、集裝箱碼頭、糧倉、貨物堆場等，其最小上覆壓力并非為零，即反復(fù)循環(huán)荷載的荷載中心值大于零。在這種情況下，軟土的次固結(jié)性狀與前述荷載中心值為零情況下的性狀是否相同目前尚不明確，因此，有必要對其進(jìn)行進(jìn)一步研究。基于以上分析，本文作者考慮上覆土體的應(yīng)力作用，對反復(fù)循環(huán)荷載下軟土的次固結(jié)變形特性展開研究。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)土料

試驗(yàn)土樣采用薄壁取土器取自福州典型軟土層，取得的4筒原狀樣以編號A，B，C和D表示，其中，A和B兩筒土樣取自同一個(gè)場地，C和D兩筒土樣取自另一場地，4筒土樣的基本物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)在三聯(lián)式高壓固結(jié)儀上進(jìn)行，采用杠桿加荷方式，試樣雙面排水。試樣截面積為30 cm2，高為2 cm。

試驗(yàn)的加載和反復(fù)循環(huán)荷載按如下步驟進(jìn)行(表2)：各試樣第一級加載均從12.5 kPa開始，每級荷載加倍，分若干級加載至最大預(yù)壓荷載c，然后卸載到循環(huán)荷載，開始進(jìn)入反復(fù)循環(huán)。循環(huán)荷載先分級倍減卸荷到循環(huán)荷載中心值0，再分級倍增至循環(huán)荷載，此為1個(gè)循環(huán)。

為了真實(shí)反映實(shí)際軟土地基上覆土體的壓力作用，取試驗(yàn)的循環(huán)荷載中心值0不為零。在實(shí)際試驗(yàn)中，為了便于研究，0取最接近于上覆壓力的1個(gè)整數(shù)(見表2)，其中，土樣D上覆土層壓力約為140 kPa，為試驗(yàn)方便，其0取為100 kPa。

試驗(yàn)方案分為2種。

1) 不同預(yù)壓荷載、不同循環(huán)荷載時(shí)，循環(huán)過程中軟土的次固結(jié)變形試驗(yàn)。試驗(yàn)方案見表2中方案Ⅰ。

該方案又分為2種情況。第1種情況考慮不同預(yù)壓荷載，即不同最大預(yù)壓荷載c、相同循環(huán)荷載下的軟土次固結(jié)變形試驗(yàn)。試樣號為A1~A4，這4組試樣最大預(yù)壓荷載各不相同，但是循環(huán)荷載均為200 kPa，主要研究不同最大預(yù)壓荷載、相同循環(huán)荷載情況下軟土的次固結(jié)變形。

第2種情況考慮不同循環(huán)荷載，即在相同最大預(yù)壓荷載c下，不同循環(huán)荷載下的軟土次固結(jié)變形試驗(yàn)。試樣號為B1~B3，這3組試樣的最大預(yù)壓荷載c均為3 200 kPa，但其循環(huán)荷載分別為200，400和800 kPa；主要研究相同最大預(yù)壓荷載、不同循環(huán)荷載下的軟土的次固結(jié)變形特性。

方案Ⅰ每5個(gè)循環(huán)測讀一次反復(fù)荷載下的次固結(jié)變形。

2) 循環(huán)后再加載，再加載過程中軟土的次固結(jié)變形試驗(yàn)。試驗(yàn)方案見表2中方案Ⅱ。

其中，B4~B6，C2~C4，C6~C8和D1~D3這4組試樣分別研究不同循環(huán)次數(shù)、不同循環(huán)荷載、不同最大預(yù)壓荷載c、不同最大預(yù)壓荷載維持時(shí)間下循環(huán)后再加載時(shí)軟土的次固結(jié)變形，著重研究這幾個(gè)因素對循環(huán)再加載次固結(jié)變形的影響。

以上2個(gè)方案的各個(gè)試驗(yàn)在加載時(shí)，預(yù)壓荷載每級荷載均維持24 h(D1，D2和D3試樣的最大預(yù)壓荷載分別維持3，6和9 d)，然后加下一級荷載。在荷載循環(huán)過程中，未測讀次固結(jié)變形的每個(gè)加載、卸載分

級均維持12 h。測讀次固結(jié)變形時(shí)，按0 s，15 s，l min，2 min，4 min，6 min，9 min，12 min，16 min，20 min，25 min，35 min，45 min，60 min，90 min，2 h，4 h，10 h，23 h，24 h進(jìn)行測讀，此后數(shù)據(jù)變化不大，適當(dāng)調(diào)整記錄時(shí)間間隔，按每間隔若干小時(shí)測讀1次，直至穩(wěn)定為止。穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)是讀數(shù)時(shí)間內(nèi)的平均1 h內(nèi)的變形量不超過0.005 mm。每級次固結(jié)變形測讀時(shí)間4~7 d。

表1 土樣基本物理性質(zhì)指標(biāo)

表2 試驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

次固結(jié)系數(shù)a按傳統(tǒng)方法采用下式計(jì)算：

式中：1和2分別為對應(yīng)于孔隙水壓力為零情況下1和2時(shí)刻試樣的孔隙比。

2.1 循環(huán)加卸載過程軟土次固結(jié)變形

2.1.1 最大預(yù)壓荷載c對次固結(jié)系數(shù)a的影響

圖1所示為A1~A4試樣的次固結(jié)系數(shù)a與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線。由圖1可見：不同的最大預(yù)壓荷載c對次固結(jié)系數(shù)a的影響也不同。在同一循環(huán)荷載、相同循環(huán)次數(shù)下，c較小的軟土，其a相對較大，且a隨的變化幅度也較大，最后與c較大的軟土試樣趨于同一值。由此說明，前期預(yù)壓作用下，c小的試樣比c大的試樣a相對要大，在相同循環(huán)荷載作用下，前者的a變小較快，并最終與后者趨于一致。

這主要是c較大的試樣在預(yù)壓階段被壓得較密實(shí)，試樣在循環(huán)荷載下的減小相對較少，即，a較小。

1—A1試樣，pc=400 kPa；2—A2試樣，pc=800 kPa；3—A3試樣，pc=1 600 kPa；4—A4試樣，pc=3 200 kPa。

2.1.2 循環(huán)次數(shù)對次固結(jié)系數(shù)a的影響

由圖1可知：不管循環(huán)前最大預(yù)壓荷載c的大小如何，隨著增加，A1~A4試樣的a均呈減小的趨勢，剛開始循環(huán)時(shí)減小較快，隨后減小變慢。這說明，在循環(huán)荷載作用下，孔隙比隨時(shí)間變化明顯，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，試樣變得越來越密實(shí)。本次試驗(yàn)的試樣在荷載循環(huán)20次后，減小越來越緩慢，即，a減小變慢，說明試樣越來越趨于密實(shí)。

由上述研究可見：通過預(yù)壓固結(jié)，可起到減小軟土次固結(jié)的變形，而循環(huán)荷載也有利于減小軟土的次固結(jié)變形。在實(shí)踐中，可以利用預(yù)壓和反復(fù)循環(huán)加卸載來減小軟土的次固結(jié)變形。但是，圖1也表明，隨的增加，a趨于穩(wěn)定，所以，循環(huán)次數(shù)并不是越多越好。需結(jié)合土體特性及其隨循環(huán)次數(shù)的變化情況來判定，否則會造成人力物力的浪費(fèi)。

對圖1所示的曲線進(jìn)行變換，可以得到如圖2所示的A1~A4試樣的次固結(jié)系數(shù)a與循環(huán)次數(shù)對數(shù)形式lg的關(guān)系曲線。由圖2可見：在試驗(yàn)測定范圍內(nèi)，a與lg呈線性關(guān)系。即a與lg的關(guān)系可用式(2)表示。這與前人研究中循環(huán)荷載中心值0為零時(shí)的試驗(yàn)規(guī)律是一致的[12, 16]。

a=lg+(2)

式中：和為關(guān)系式的參數(shù)，和與試樣特性、最大預(yù)壓荷載c、循環(huán)荷載、循環(huán)荷載中心值0和循環(huán)荷載方式等有關(guān)。擬合得到的A1~A4試樣的參數(shù)和如表3所示。

1—A1試樣，pc=400 kPa；2—A2試樣，pc=800 kPa；3—A3試樣，pc=1 600 kPa；4—A4試樣，pc=3 200 kPa。

表3 不同試樣參數(shù)A和B

2.1.3 循環(huán)荷載對次固結(jié)系數(shù)a的影響

圖3所示為B1~B3試樣的次固結(jié)系數(shù)a與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線。

由圖3可見：不同的循環(huán)荷載?對次固結(jié)系數(shù)影響也不同。循環(huán)開始時(shí)，循環(huán)荷載大的次固結(jié)系數(shù)比循環(huán)荷載小的相對要大。?越大，循環(huán)過程中a減小越快，在循環(huán)20次后，?大的試樣其a反而比?小的試樣要小。這可能是預(yù)壓固結(jié)1d后即進(jìn)行了卸荷，試樣未充分固結(jié)密實(shí)，開始循環(huán)時(shí)，試樣在循環(huán)荷載下繼續(xù)固結(jié)而趨于密實(shí)；循環(huán)荷載較大的試樣，受到循環(huán)荷載作用后壓縮變形較大，孔隙比減小較快，其次固結(jié)系數(shù)較快變??；當(dāng)循環(huán)達(dá)一定次數(shù)后，其次固結(jié)系數(shù)比循環(huán)荷載較小試樣的小。由此可見：循環(huán)荷載越大，軟土的次固結(jié)變形越大且變形減小越迅速。

同樣地，B1~B3試樣的次固結(jié)系數(shù)a與循環(huán)次數(shù)對數(shù)形式lg的曲線也呈現(xiàn)出如式(2)的線性關(guān)系(見圖4)，其參數(shù)和如表3所示。

值得注意的是：圖1和圖2中，A4試樣和B1試樣的超固結(jié)比(OCR)(由于試樣的前期固結(jié)壓力較小，最大預(yù)壓荷載c可認(rèn)為是最大的有效應(yīng)力，c與?的比值可認(rèn)為是試樣的OCR)均為16，其a初始值均比同一筒OCR小的試樣小，a與lg的線性關(guān)系式中的斜率即參數(shù)的絕對值也相對較小，即試樣次固結(jié)變形變化較小。

1—B1試樣，Δp=200 kPa；2—B2試樣，Δp=400 kPa；3—B3試樣，Δp=800 kPa。

1—B1試樣，Δp=200 kPa；2—B2試樣，Δp=400 kPa；3—B3試樣，Δp=800 kPa。

此外，B1試樣的循環(huán)荷載中心值0為100 kPa，比A4試樣的50 kPa要大。對于試驗(yàn)得到的次固結(jié)系數(shù)a，前者的明顯要比后者小很多。后面的C和D這2組試樣的結(jié)果也證實(shí)了這種情況。

由此可見，循環(huán)荷載中心值的取值對于試樣的次固結(jié)變形是有影響的，即考慮上覆土體壓力的作用是必要的。

2.2 循環(huán)加卸荷后再加載時(shí)軟土次固結(jié)變形

經(jīng)過不同次數(shù)循環(huán)荷載后，各試樣再加載時(shí)的次固結(jié)系數(shù)與荷載關(guān)系曲線如圖5~7所示。

2.2.1 循環(huán)次數(shù)對再加載次固結(jié)系數(shù)的影響

由圖5可知：在相同最大預(yù)壓荷載c、相同循環(huán)荷載?情況下，經(jīng)過不同循環(huán)次數(shù)后，B4試樣再加載后a隨再加荷載1增大而減小，然而，B5和B6試樣的a卻隨1增大而有所增大。

分析以上現(xiàn)象，本文作者認(rèn)為，B4試樣荷載循環(huán)次數(shù)少，土體次固結(jié)未充分完成就開始卸荷回彈，因此，循環(huán)后再加載，低壓下a較大，荷載增大后a減小，這與循環(huán)荷載時(shí)的變化趨勢是一致的。而對于循環(huán)荷載次數(shù)較多的B5和B6試樣(≥20)，次固結(jié)變形大部分基本完成，因此，循環(huán)后再加載，低壓下a較小，但隨著1增大，循環(huán)荷載的影響較小，a隨1增大而有所增大。其中，B6試樣前期荷載循環(huán)次數(shù)多，a相對較小，此時(shí)，循環(huán)荷載次數(shù)可視同于預(yù)壓固結(jié)時(shí)間，預(yù)壓固結(jié)時(shí)間長，則再加載時(shí)的a相對 較小[4]。

圖6也進(jìn)一步證實(shí)：當(dāng)荷載循環(huán)達(dá)一定次數(shù)后(圖6各試樣荷載均循環(huán)35次)，各試樣再加載后的a均隨荷載1增大而增大。

1—B4試樣，n=10；2—B5試樣，n=20；3—B6試樣，n=30。

2.2.2 循環(huán)荷載?對再加載次固結(jié)系數(shù)的影響

C2，C3和C4這3個(gè)試樣具有相同的最大預(yù)壓荷載c和相同的循環(huán)次數(shù)，但循環(huán)荷載?不同。由圖6可見：在再加載過程中，C2，C3和C4這3個(gè)試樣的次固結(jié)系數(shù)a均隨荷載1增大而有所增大。對于各級荷載下的a，?較小的C2試樣最大，而?較大的C3和C4試樣依次減小。

以上說明：循環(huán)過程中的循環(huán)荷載對循環(huán)后再加載土體的次固結(jié)變形有明顯影響，循環(huán)荷載大，循環(huán)過程次固結(jié)變形完成較充分，再加載時(shí)次固結(jié)變形就相對減小。

2.2.3 最大預(yù)壓荷載c對再加載次固結(jié)系數(shù)的影響

C6，C7和C8這3個(gè)試樣具有相同循環(huán)荷載?和相同循環(huán)次數(shù)，但最大預(yù)壓荷載c不同，分別為400，800和1 600 kPa，再加載時(shí)各級荷載下的a為C6試樣最大，C8試樣最小，即前期最大預(yù)壓荷載大的試樣再加載時(shí)的次固結(jié)系數(shù)C相對較小(見圖6)。

以上說明：最大預(yù)壓荷載c作為歷史上最大有效應(yīng)力，對土體的次固結(jié)變形影響顯著；前期c越大，不循環(huán)過程中的次固結(jié)系數(shù)a(或次固結(jié)變形)越小，循環(huán)后再加載的a也越小。

2.2.4 最大預(yù)壓荷載維持時(shí)間對再加載次固結(jié)系數(shù)的影響

圖7中，D1，D2和D3這3個(gè)試樣具有相同的最大預(yù)壓荷載c和循環(huán)荷載?，但其c的維持時(shí)間不同，分別為3，6和9 d。對于再加載時(shí)各級荷載下的a，D1試樣的最大，D3試樣的最小，即隨最大預(yù)壓荷載的預(yù)壓固結(jié)時(shí)間增長而依次減小。最大預(yù)壓荷載維持時(shí)間越長，則循環(huán)荷載施加后，再加載時(shí)試樣的a增加越小，D3試樣甚至在再加載時(shí)a基本不再增大。盡管再加載時(shí)荷載比c大1倍，但a最后仍然減小(反觀C組試樣，荷載維持時(shí)間為1 d時(shí)，再加載時(shí)a隨荷載不斷增加)。這表明軟土路基預(yù)壓時(shí)，荷載維持時(shí)間對于軟土的次固結(jié)變形有著重要影響。

對圖5~7的曲線進(jìn)行變換，可以得到如圖8所示的各試樣的次固結(jié)系數(shù)a與再加荷載對數(shù)形式lg1的關(guān)系。由圖8可見：a與lg1呈線性關(guān)系，

a=lg1+(3)

式中：和為參數(shù)，與試樣特性、最大預(yù)壓荷載c、循環(huán)次數(shù)、循環(huán)荷載和循環(huán)荷載方式等有關(guān)。擬合得到的各試樣參數(shù)C和如表4所示。

1—D1試樣(3 d)；2—D2試樣(6 d)；3—D3試樣(9 d)。

1—C2試樣；2—C3試樣；3—C4試樣；4—C6試樣；5—C7試樣；6—C8試樣。

值得指出的是：對于D組試樣，其a與lg1的曲線并不符合式(3)的關(guān)系。此外，擬合曲線的參數(shù)是依據(jù)本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)而得，其他情況或壓力范圍內(nèi)的試驗(yàn)規(guī)律尚需進(jìn)一步驗(yàn)證。

表4 不同試樣參數(shù)C和D

3 結(jié)論

1) 軟土在循環(huán)荷載作用過程中的次固結(jié)變形受最大預(yù)壓荷載、循環(huán)荷載、循環(huán)次數(shù)等眾多因素影響，同時(shí)，這些因素對軟土在循環(huán)后再加載的次固結(jié)變形也存在一定影響。

2) 反復(fù)循環(huán)荷載時(shí)，循環(huán)荷載中心值的取值對于試樣的次固結(jié)變形是有影響的，考慮上覆土體壓力的作用是有必要的。

3) 最大預(yù)壓荷載越大，在荷載循環(huán)過程中，試樣次固結(jié)系數(shù)a越??；循環(huán)荷載越大，軟土的次固結(jié)變形越大且變形減小越迅速。隨著循環(huán)次數(shù)增加，試樣的孔隙比減小明顯，次固結(jié)系數(shù)a先快后慢逐漸減小，在循環(huán)過程中，次固結(jié)系數(shù)a與循環(huán)次數(shù)對數(shù)形式lg呈線性關(guān)系。

4) 最大預(yù)壓荷載c越大、循環(huán)荷載越大或c維持時(shí)間越長，循環(huán)荷載后再加載時(shí)，各級荷載下試樣的次固結(jié)變形越小，次固結(jié)系數(shù)a越小。循環(huán)荷載后再加載時(shí)，次固結(jié)系數(shù)a與再加荷載的對數(shù)形式lg1呈線性關(guān)系。

5) 對循環(huán)次數(shù)較少的試樣，其循環(huán)后再加載的a隨再加荷載1增大而減小，而循環(huán)達(dá)一定次數(shù)后，試樣再加載后的a隨再加荷載1增大而有所增大。

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(編輯 楊幼平)

Experimental study on behavior of secondary consolidation of soft soils considering upper soil layers’ stress under repeated cyclic loading

CHEN Zhibo1, 2, 3, KONG Qiuping4, ZHU Jungao5, ZHANG Shengfeng6

(1. Department of Resources and Urban-Rural Construction, Fuzhou University, Fuzhou 350116, China;2. Fujian Provincial Universities Engineering Research Center of Geological Engineering, Fuzhou 350116, China;3. Key Laboratory of Geohazard Prevention of Hilly Mountains, Ministry of Land and Resources, Fuzhou 350116, China;4. Fujian Yongqiang Geotechnical Engineering Co. Ltd., Longyan 364116, China;5. Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment Engineering,Hohai University, Nanjing 210098, China;6. Fujian Academy of Building Research, Fuzhou 350025, China)

Based on one dimensional consolidation tests on soft soil samples, the influence of repeated cyclic loading on the secondary consolidation properties was investigated considering the upper soil layers’ stress. The results show that during the loading cyclic stage, the secondary consolidation coefficient of soft soiladecreases with the increase of the largest preloading pressure.aalso decreases significantly with the increase of the loading cycle number, while it decreases slowly after 20 cycles. The larger the cyclic loading is, the greater theais, and it decreases more quickly. After 35 cycles,aincreases with the increase of the reloading pressure1, and there is a linear relationship betweenaand lg1.Calso increases with the increase of the largest preloading pressure and its lasting time.

soft soil; foundation engineering; cyclic loading; consolidation test; secondary consolidation coefficient

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.10.030

TU411

A

1672?7207(2016)10?3507?08

2015?10?30；

2016?02?18

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41102167)(Project(41102167) supported by the National Natural Science Foundation of China)

陳志波，博士，副教授，從事土體基本特性、土工數(shù)值模擬等研究；E-mail：czb@fzu.edu.cn