雙向動(dòng)應(yīng)力耦合狀態(tài)下飽和軟黏土動(dòng)力特性的影響因素研究

曹樹剛，曾芳金，谷 川，沈 娟

(1．江西理工大學(xué)建筑與測(cè)繪工程學(xué)院，江西贛州 341000；2．溫州大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江溫州 325035；3．浙江省軟弱土地基與海涂圍墾工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江溫州 325035)

雙向動(dòng)應(yīng)力耦合狀態(tài)下飽和軟黏土動(dòng)力特性的影響因素研究

曹樹剛1，曾芳金1，谷 川2,3，沈 娟1

(1．江西理工大學(xué)建筑與測(cè)繪工程學(xué)院，江西贛州 341000；2．溫州大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江溫州 325035；3．浙江省軟弱土地基與海涂圍墾工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江溫州 325035)

應(yīng)用GDS動(dòng)靜真三軸測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)溫州地區(qū)典型的飽和軟黏土進(jìn)行了一系列循環(huán)大主應(yīng)力與循環(huán)中主應(yīng)力耦合的復(fù)雜應(yīng)力路徑下的試驗(yàn)，通過對(duì)試驗(yàn)過程中排水條件與有效固結(jié)圍壓的控制，研究了有效固結(jié)圍壓和排水條件對(duì)飽和軟黏土的永久大主應(yīng)變、永久中主應(yīng)變和殘余孔壓的影響，分析了加荷頻率對(duì)飽和軟黏土應(yīng)變特性的影響．試驗(yàn)結(jié)果表明：無論是不排水條件還是排水條件，有效固結(jié)圍壓越大，試樣的永久大主應(yīng)變與永久中主應(yīng)變?cè)叫?，殘余孔壓越不易產(chǎn)生；加荷頻率越大的試樣，永久大主應(yīng)變?cè)叫?，而永久中主?yīng)變?cè)酱螅辉谟行Ч探Y(jié)圍壓相同的條件下，排水條件下的永久應(yīng)變小于不排水條件下的永久應(yīng)變．

交通荷載；真三軸；加荷頻率；永久應(yīng)變；孔壓比

交通荷載是一種長(zhǎng)期循環(huán)的荷載，對(duì)交通荷載的研究多采用室內(nèi)單元試驗(yàn)進(jìn)行模擬，之前研究者由于受到儀器的限制，試驗(yàn)使用的應(yīng)力路徑往往只包含單一方向的循環(huán)應(yīng)力分量，如動(dòng)單剪儀只能施加單一的循環(huán)剪應(yīng)力，動(dòng)三軸儀只能施加單一的循環(huán)偏應(yīng)力．陳青生等[1-2]用動(dòng)單剪試驗(yàn)確定了砂土有限元模型的參數(shù)．隨著巖土工程試驗(yàn)儀器的發(fā)展與研究深入進(jìn)行，研究者開始關(guān)注更加復(fù)雜應(yīng)力路徑下飽和土體的動(dòng)力特性．雙向動(dòng)單剪試驗(yàn)可同時(shí)施加 2個(gè)垂直方向動(dòng)剪應(yīng)力．Kammerer等①Kammerer A M,SEED R B,Wu J,et al. Pore water development in liquefiable soils under bi-directional loading conditions [C] // Proceedings of the 13th world conference on earthquake engineering. Vancouver,Canada,2004: 697-704.研究了2個(gè)垂直方向的動(dòng)剪應(yīng)力組成的應(yīng)力路徑對(duì)飽和砂土孔壓特性的影響，發(fā)現(xiàn)與常規(guī)單向動(dòng)單剪試驗(yàn)相比，2個(gè)方向動(dòng)剪應(yīng)力的耦合會(huì)對(duì)瞬時(shí)動(dòng)孔壓產(chǎn)生較大影響，體現(xiàn)為瞬時(shí)動(dòng)孔壓的變化幅度更大，且瞬時(shí)孔壓的最大值與最小值表現(xiàn)出不同的發(fā)展規(guī)律．施明雄[3]用雙向振動(dòng)三軸儀進(jìn)行了砂土動(dòng)力特性試驗(yàn)研究，欒茂田等[4]通過雙向耦合循環(huán)剪切試驗(yàn)研究了飽和海洋黏土孔壓與強(qiáng)度特性．Grabe等[5-9]基于空心圓柱扭剪儀，研究了包括主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)的二維應(yīng)力路徑對(duì)飽和土體變形、孔壓等特性的影響．谷川等[10]基于變圍壓動(dòng)三軸試驗(yàn)，通過循環(huán)偏應(yīng)力與循環(huán)圍壓的耦合模擬了真實(shí)交通荷載下豎向循環(huán)正應(yīng)力與水平循環(huán)正應(yīng)力的耦合，研究了循環(huán)圍壓對(duì)飽和軟黏土孔壓、永久變形和回彈特性的影響．

交通荷載引起的動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)中不但有循環(huán)偏應(yīng)力，還有較大幅值的水平方向的循環(huán)中主應(yīng)力σ2ampl、較小幅值的循環(huán)小主應(yīng)力 σ3ampl，循環(huán)中主應(yīng)力要比循環(huán)小主應(yīng)力大得多．關(guān)于交通荷載的模擬以往的大部分學(xué)者只考慮了交通荷載引起的循環(huán)偏應(yīng)力分量[11-14]，即將中主應(yīng)力σ2與小主應(yīng)力σ3對(duì)土體的影響同等看待，這顯然是不妥的．目前大部分研究中主應(yīng)力的試驗(yàn)對(duì)象都集中在砂土上，并且施加荷載大部分為靜力荷載，鮮有文獻(xiàn)考慮循環(huán)中主應(yīng)力對(duì)飽和軟黏土的影響．

本文應(yīng)用GDS動(dòng)靜真三軸測(cè)試系統(tǒng)對(duì)飽和軟黏土做了一系列循環(huán)大主應(yīng)力與循環(huán)中主應(yīng)力雙向動(dòng)應(yīng)力耦合的試驗(yàn)，研究了不同有效固結(jié)圍壓、排水條件和加荷頻率這些因素對(duì)飽和軟黏土動(dòng)力特性的影響，本研究可為交通荷載下路基的設(shè)計(jì)提供參考．

1 試驗(yàn)儀器與試驗(yàn)土樣

1.1 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)所用儀器為溫州大學(xué)動(dòng)靜態(tài)真三軸測(cè)試系統(tǒng)．該套測(cè)試系統(tǒng)由壓力室、加荷系統(tǒng)和數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)等組成（見圖1）．該真三軸測(cè)試系統(tǒng)的加荷方式為剛?cè)釓?fù)合型加載方式，豎向與水平向?yàn)閯傂约虞d，側(cè)向?yàn)槿嵝约虞d．通過氣壓將荷載傳遞給壓力室內(nèi)的無氣水，無氣水對(duì)試樣的側(cè)面施加荷載．避免了純氣壓加載情況下氣體進(jìn)入橡皮膜，保證了側(cè)向受荷均勻．

圖1 GDS動(dòng)靜真三軸測(cè)試系統(tǒng)

1.2 試驗(yàn)土樣

試驗(yàn)用巖土試樣為典型的原狀溫州軟黏土，土樣取自溫州市茶山高教園區(qū)某深基坑，深度約7 m左右．試樣尺寸為150 mm×75 mm×75 mm，所用溫州軟黏土的具體物理性質(zhì)指標(biāo)見表1．

表1 試驗(yàn)土樣的物理性質(zhì)指標(biāo)

2 試驗(yàn)方案與加載過程

表2為本研究的試驗(yàn)方案，在試驗(yàn)的過程中同時(shí)施加水平方向與軸向雙向動(dòng)應(yīng)力來研究飽和軟黏土在這種應(yīng)力路徑下的動(dòng)力特性，包括應(yīng)變特性和孔壓特性．所施加動(dòng)荷載波形為正弦波，即動(dòng)荷載以正弦曲線的形式循環(huán)施加，所施加的水平向與軸向動(dòng)應(yīng)力分別稱為循環(huán)中主應(yīng)力σ2ampl與循環(huán)大主應(yīng)力σ1ampl．圖2中σ10，σ20，σ30分別為試樣固結(jié)完畢后的初始應(yīng)力狀態(tài)．試驗(yàn)過程見圖2．

試驗(yàn)的整個(gè)過程包括試樣制作、飽和、固結(jié)、試驗(yàn)步驟的施加．試樣制作使用切土器切割成一定尺寸的立方體試樣，飽和時(shí)所施加反壓300 kPa、圍壓310 kPa．固結(jié)過程中保持反壓不變將圍壓升高至400 kPa，使得每個(gè)試樣均在100 kPa有效圍壓下固結(jié)，試驗(yàn)步驟按照表2方案來施加．本系列試驗(yàn)所有試樣的荷載循環(huán)周數(shù)均為5 000周，頻率為0.1 Hz．

表2 試驗(yàn)方案

3 永久應(yīng)變的定義

圖3為循環(huán)荷載下典型的應(yīng)變發(fā)展規(guī)律示意圖．在循環(huán)荷載作用下應(yīng)變波動(dòng)變化，每個(gè)荷載循環(huán)周期，應(yīng)變的發(fā)展有一個(gè)最大值點(diǎn)與最小值點(diǎn)，將所有最大值點(diǎn)與最小值點(diǎn)分別連線，即得到最小應(yīng)變線 εmin與最大應(yīng)變線 εmax，分別稱為永久應(yīng)變與最大應(yīng)變．永久應(yīng)變對(duì)應(yīng)了實(shí)際交通荷載作用下路基土體的永久沉降，因此對(duì)于永久應(yīng)變的研究有著非常重要的意義，尤其是永久大主應(yīng)變的研究對(duì)路基沉降計(jì)算有很大的指導(dǎo)意義．

圖2 試驗(yàn)過程示意圖

圖3 循環(huán)荷載下典型的應(yīng)變發(fā)展曲線

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 永久大主應(yīng)變

圖4是不排水條件下典型的大主應(yīng)變時(shí)程曲線，試驗(yàn)結(jié)果中的三條曲線，分別為有效固結(jié)圍壓p0'為50 kPa、100 kPa和150 kPa的情況，從圖4可看出，大主應(yīng)變隨著時(shí)間的增加波動(dòng)發(fā)展．

圖4 典型的大主應(yīng)變時(shí)程曲線

為了進(jìn)一步對(duì)大主應(yīng)變進(jìn)行分析，找出荷載循環(huán)每一周的最小應(yīng)變，得到永久大主應(yīng)變隨加載周數(shù)的變化曲線，如圖5所示．圖5中（a）圖為排水條件下的試驗(yàn)結(jié)果，（b）圖為不排水條件下的試驗(yàn)結(jié)果．從圖5可以看出，無論是不排水條件還是排水條件，有效固結(jié)圍壓越大，永久大主應(yīng)變?cè)叫。砻鞴探Y(jié)圍壓的增大，增加了土體的密實(shí)度，從而提高了土的強(qiáng)度，增加了土體抵抗變形的能力．

需要說明的是p0'=50 kPa時(shí)的不排水與排水試樣，由于固結(jié)圍壓較小，在試驗(yàn)未達(dá)到預(yù)定循環(huán)周數(shù)的時(shí)候，由于大主應(yīng)變過大，造成真三軸測(cè)試系統(tǒng)的水平加載板與豎向加載板相互干擾，導(dǎo)致試驗(yàn)停止，但這并不影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性．不排水條件下荷載循環(huán)至 N=229時(shí)停止，排水條件下N=1 208時(shí)試驗(yàn)停止，下文的分析中不再贅述．

圖5 固結(jié)圍壓對(duì)永久大主應(yīng)變的影響

圖6 為有效固結(jié)圍壓相同，排水條件不同時(shí)的永久大主應(yīng)變隨加載周數(shù)的變化曲線．可以看出，在有效固結(jié)圍壓相同的條件下，排水條件下的永久大主應(yīng)變小于不排水條件下的永久大主應(yīng)變．這是由于排水條件下試驗(yàn)過程中試樣內(nèi)的孔隙水會(huì)逐漸排出，孔壓會(huì)逐漸降低，有效應(yīng)力大于不排水條件下的有效應(yīng)力，因此有效應(yīng)力的增加使得土的強(qiáng)度有所增加．

圖6 排水條件對(duì)永久大主應(yīng)變的影響

4.2 永久中主應(yīng)變

圖7為典型的中主應(yīng)變時(shí)程曲線．從圖中可以發(fā)現(xiàn)中主應(yīng)變隨時(shí)間波動(dòng)發(fā)展，在初始階段發(fā)展較快，隨后趨于穩(wěn)定．

圖7 典型的中主應(yīng)變時(shí)程曲線

為了對(duì)永久中主應(yīng)變進(jìn)行分析，找出荷載循環(huán)每一周的最小值，圖8為永久中主應(yīng)變隨加載周數(shù)的變化曲線，圖 8中（a）圖為排水條件下的試驗(yàn)結(jié)果，（b）圖為不排水條件下的試驗(yàn)結(jié)果．分析圖8可以發(fā)現(xiàn)，無論是不排水條件還是排水條件，隨著加載周數(shù)的增加，每個(gè)試樣的永久中主應(yīng)變逐漸發(fā)展，在試驗(yàn)初始階段發(fā)展速率較快，隨著時(shí)間的增加，曲線斜率變得平緩，發(fā)展速率開始減慢．對(duì)于不同固結(jié)圍壓下的巖土試樣研究發(fā)現(xiàn)，有效固結(jié)圍壓越大，永久中主應(yīng)變?cè)叫。?/p>

圖8 有效固結(jié)圍壓對(duì)永久中主應(yīng)變的影響

圖9為有效固結(jié)圍壓相同，排水條件不同的永久中主應(yīng)變隨加載周數(shù)的變化曲線．可以發(fā)現(xiàn)，在同樣的有效固結(jié)圍壓下，排水條件下的永久中主應(yīng)變小于不排水條件下的永久中主應(yīng)變，這同樣可以用有效應(yīng)力原理來解釋．

圖9 排水條件對(duì)永久中主應(yīng)變的影響

圖10為不同加荷頻率f下永久大主應(yīng)變與永久中主應(yīng)變的變化曲線．從圖10中（a）圖可知加荷頻率越大，永久大主應(yīng)變?cè)叫。粡膱D10中（b）圖可以發(fā)現(xiàn)，加荷頻率越大，永久中主應(yīng)變?cè)酱螅畬?duì)于永久大主應(yīng)變，這是由于加荷頻率高時(shí)，荷載循環(huán)一周所需時(shí)間短，荷載循環(huán)每周期內(nèi)，應(yīng)變方向改變較快，導(dǎo)致每周的總應(yīng)變較小，永久應(yīng)變較?。粚?duì)于永久中主應(yīng)變，除了受上述因素的影響之外，還受到軸向應(yīng)變的約束，軸向應(yīng)變的產(chǎn)生會(huì)阻礙永久中主應(yīng)變的發(fā)展，由于循環(huán)大主應(yīng)力大于循環(huán)中主應(yīng)力，因此這種阻礙就起到主導(dǎo)作用，造成加荷頻率越大，永久大主應(yīng)變?cè)叫。S向變形對(duì)水平變形的阻礙作用就越小，永久中主應(yīng)變?cè)酱螅畧D10中（c）圖為永久大主應(yīng)變與永久中主應(yīng)變關(guān)系圖，可以發(fā)現(xiàn)，加荷頻率越大，相同的永久大主應(yīng)變對(duì)應(yīng)的永久中主應(yīng)變?cè)酱?，曲線會(huì)逐漸向中主應(yīng)變軸靠近．因此可以認(rèn)為，增大加荷頻率會(huì)抑制永久大主應(yīng)變的發(fā)展，但是會(huì)促進(jìn)永久中主應(yīng)變的發(fā)展．

圖10 加荷頻率對(duì)永久應(yīng)變的影響

4.3 孔壓分析

在眾多的孔壓發(fā)展模型中，一般用孔壓比rμ表示孔壓的大?。畆μ=Δμ/ p0'，Δμ為循環(huán)荷載引起的孔壓增量，p0'為初始有效固結(jié)圍壓．與動(dòng)應(yīng)變發(fā)展規(guī)律相似，孔壓的發(fā)展在動(dòng)荷載作用下波動(dòng)發(fā)展，荷載循環(huán)的每一周均會(huì)有一個(gè)最大孔壓與最小孔壓，一般認(rèn)為荷載循環(huán)每周的最小孔壓為殘余孔壓，通過最小孔壓比來反映．

圖11 最小孔壓比與加載周數(shù)的關(guān)系曲線

圖11為最小孔壓比隨加載周數(shù)的變化曲線．圖中11中（a）圖為不排水條件、（b）圖為排水條件，可以發(fā)現(xiàn)，不排水條件最小孔壓比隨加載周數(shù)的增加逐漸增加，并逐漸穩(wěn)定．p0'=100 kPa的試樣，由于試驗(yàn)過程中軟件不穩(wěn)定，多次施加動(dòng)荷載造成試樣的初始孔壓發(fā)生變化，產(chǎn)生了增量，但并不影響孔壓穩(wěn)定后的值；對(duì)于排水條件下的情況，孔壓均先升高后降低，這是由于試驗(yàn)過程中排水閥是打開的，試驗(yàn)過程中孔隙水逐漸排出，造成孔壓逐漸下降．另外無論是不排水條件還是排水條件，有效固結(jié)圍壓越大，試驗(yàn)的最小孔壓比越?。钚】讐罕仍叫?，表明動(dòng)荷載產(chǎn)生的孔壓增量相對(duì)于初始有效固結(jié)圍壓越小，越不易產(chǎn)生孔壓增量．

5 結(jié) 論

在循環(huán)大主應(yīng)力與循環(huán)中主應(yīng)力耦合作用條件下，對(duì)不同有效固結(jié)圍壓、不同排水條件和加荷頻率下的黏土試樣進(jìn)行分析，對(duì)飽和軟黏土在復(fù)雜動(dòng)應(yīng)力路徑下的應(yīng)變特性、動(dòng)孔壓特性進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：

（1）無論是不排水條件還是排水條件，有效固結(jié)圍壓越大，永久大主應(yīng)變與永久中主應(yīng)變均越小，增大有效固結(jié)圍壓可以增加了土體抵抗變形的能力．

（2）在相同的有效固結(jié)圍壓下，排水條件下的永久大主應(yīng)變小于不排水條件下的永久大主應(yīng)變，排水條件下的永久中主應(yīng)變小于不排水條件下的永久中主應(yīng)變．

（3）加荷頻率對(duì)永久應(yīng)變有比較明顯的影響，在其他條件相同的條件下，加荷頻率越大永久大主應(yīng)變?cè)叫。谰弥兄鲬?yīng)變?cè)酱?，永久大主?yīng)變-永久中主應(yīng)變曲線越靠近中主應(yīng)變軸．

（4）不排水條件下最小孔壓比隨著加載周數(shù)的增加逐漸發(fā)展并逐漸穩(wěn)定，排水條件下的孔壓發(fā)展先升高后下降；無論是不排水條件還是排水條件，有效固結(jié)圍壓越大，最小孔壓比越小，殘余孔壓的發(fā)展相對(duì)于有效固結(jié)圍壓越?。?/p>

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The Study of Influence Factors on Saturated Soft Clay at Couple State of Bidirectional Dynamic Stress

CAO Shugang1,ZENG Fangjin1,GU Chuan2,3,SHEN Juan1
(1. School of Architectural and Surveying & Mapping Engineering,Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou,China 341000; 2. Architecture Engineering College,Wenzhou University,Wenzhou,China 325035; 3. Key Laboratory of Week Soil Foundation and Sea-beach Reclamation Engineering of Zhejiang Province,Wenzhou,China 325035)

This paper introduces the system of GDS dynamic and static true-triaxial apparatus application. A series of experiments of circulation principal stress and circulation intermediate principal stress under the complex stress path towards the typical saturated soft clay in Wenzhou area are made in these experiments. The effective consolidation pressure and drainage conditions on permanent major principal strain of the saturated soft clay as well as the permanent intermediate principal strain and the residual pore pressure are studied through the control of the effective consolidation pressure and drainage conditions in the test process. Meanwhile,the effect on the loading frequency rate to the strain properties of soft clays is analyzed. Test shows that no matter in the undrained condition or in the drained condition,the higher the effective consolidation pressure is,the less the permanent major principal strain and permanent intermediate principal strain will be,the harder the residual pore pressure ratio will produce. The more the sample of loading frequency rate becomes,the less the permanent major principal strain will be,but the permanent intermediate principal strain will increase. Under the condition of the same effective consolidation pressure,the permanent strain in the drained conditions will be less than that in the undrained conditions.

Traffic Loading; True-triaxial Apparatus; Loading Frequency; Permanent Strain; Pore Pressure Ratio

TU442

：A

：1674-3563(2017)01-0055-08

10.3875/j.issn.1674-3563.2017.01.007 本文的PDF文件可以從xuebao.wzu.edu.cn獲得

(編輯：封毅)

2015-09-19

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51278383；51025827)

曹樹剛(1991- )，男，河南新鄉(xiāng)人，碩士研究生，研究方向：土動(dòng)力學(xué)研究