交通荷載作用下焦作地區(qū)飽和粉質(zhì)黏土變形特性及影響因素分析

(中國地質(zhì)科學(xué)院 水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，石家莊 050061)

1 研究背景

隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展，城市交通工程的建設(shè)速度也越來越快。許多重要交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)在深厚地基土之上，這些工程竣工投入運營后，交通荷載所引起的巖土工程問題越來越為人們所關(guān)注。例如上海地鐵建成投付使用以后，發(fā)現(xiàn)隧道中行駛列車的振動對隧道周圍土體強度和變形有較大的影響(隧道軸線的沉降明顯)，而且這種影響與地鐵列車狀態(tài)有很大的相關(guān)性[1]；溫州永強機場在工程竣工3 a后的工后沉降量達(dá)到149 mm，竣工4 a后的工后沉降量達(dá)到166 mm，2013年沉降量已達(dá)555 mm，超過設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)值近10倍[2]。這些沉降一部分是由路堤靜荷載下未完成的主固結(jié)和次固結(jié)所造成的，還有很大一部分源自交通荷載的長期循環(huán)作用。焦作市在河南地層區(qū)劃中處于華北地層區(qū)山西分區(qū)和華北平原分區(qū)結(jié)合部位，北部山區(qū)出露有古生界寒武系、奧陶系和石炭系，山前平原分布大面積第四系堆積物。太行山以南廣大平原區(qū)地勢平坦，廣泛分布第四紀(jì)典型粉質(zhì)黏土，地殼穩(wěn)定性好，具有強震少、頻度低、地震破壞性程度小三大特點，成為工程建設(shè)及交通荷載的重要基礎(chǔ)層位。目前焦作市區(qū)經(jīng)濟建設(shè)正在蓬勃發(fā)展，高鐵、地鐵等重大交通建設(shè)也在未來規(guī)劃之中，在這些交通建設(shè)進行之前，正確分析和研究長期交通荷載作用下該地區(qū)地基土動力變形特征對保證交通設(shè)施的安全運營具有重要意義。

表1 原狀粉質(zhì)黏土物理性質(zhì)及力學(xué)指標(biāo)Table 1 Physical properties and mechanical indexes of raw silty clay

目前國內(nèi)外學(xué)者針對砂土、粉土、軟黏土等進行了大量土動力特性方面的研究，且對于地震荷載主要集中在砂土、粉土地基液化方面[3-8]，而對于長期循環(huán)荷載則主要研究軟黏土和重塑土的孔壓和變形特征[9-15]，對于交通荷載作用下強度較高的粉質(zhì)黏土動力特性研究不多。余周[16]利用動三軸儀器通過改變圍壓、固結(jié)比試驗參數(shù)研究了飽和粉質(zhì)黏土的變形特性，得出了圍壓、固結(jié)比與土體動強度、動彈性模量及動阻尼比的關(guān)系?；艉７錥17]分別研究了圍壓、固結(jié)比、動應(yīng)力比以及振動頻率對動荷載作用下飽和原狀與重塑粉質(zhì)黏土動力特性的影響，并進行了對比分析。謝琦峰等[18]對寧波飽和重塑粉質(zhì)黏土進行了動三軸試驗，提出采用相對動應(yīng)力來分析不同圍壓、不同動應(yīng)力下土的累積塑性應(yīng)變變化規(guī)律。黃娟等[19]研究了昆明泥炭質(zhì)土在循環(huán)荷載作用下的動變形特性，從動骨干曲線、應(yīng)力-應(yīng)變滯回曲線和動彈性模量等方面重點分析了圍壓、固結(jié)比、加載頻率對泥炭質(zhì)土變形特性的影響。

本文結(jié)合前人的研究成果，以焦作地區(qū)典型飽和粉質(zhì)黏土為研究對象，采用振動三軸儀進行不同條件下單樣多級加載和平行多樣恒定幅值加載試驗，從應(yīng)變-振動次數(shù)變化曲線、動應(yīng)力-應(yīng)變滯回曲線2個方面分析了不同圍壓、固結(jié)比、動應(yīng)力、振動頻率下飽和黏性土的動應(yīng)變特性，為研究高鐵、地鐵等大規(guī)模交通建設(shè)提供可靠的依據(jù)。

圖1 原狀土顆粒級配曲線Fig.1 Gradation curveof undisturbed soil

2 飽和粉質(zhì)黏土動三軸試驗

2.1 土樣物理性質(zhì)及力學(xué)指標(biāo)

試驗土樣取自焦作市北部平原區(qū)，屬于典型第四系上更新統(tǒng)沖洪積層粉質(zhì)黏性土原狀土，含有機質(zhì)、鈣核、少許小礫石，取樣深度為4～6 m，地下水位埋深8 m。表1為原狀土物理性質(zhì)及力學(xué)指標(biāo)，由表1可知塑性指數(shù)Ip≤17，試樣為粉質(zhì)黏土；液性指數(shù)IL介于0.22～0.24之間，試樣處于硬塑狀態(tài)。從原狀土樣的壓縮曲線上確定出試樣的先期固結(jié)壓力Pc為110 kPa左右，經(jīng)計算所取原狀土樣位置的上覆土體自重應(yīng)力P1為90 kPa左右，由此可判定本次動三軸試驗中的土樣為超固結(jié)土，超固結(jié)比OCR約為1.2。圖1為原狀土顆粒級配曲線，可看出試樣黏粒含量高，粒徑較小，土粒分布較均勻，級配較差。

2.2 試驗儀器與步驟

2.2.1 試驗儀器

動三軸儀型號為美國GCTS公司生產(chǎn)的STX-300，可直接數(shù)字伺服控制軸向荷載、圍壓和孔隙水壓，能夠進行各向同性和各向異性固結(jié)、飽和土的常規(guī)靜三軸測試 (UU、CU和CD)、高級靜三軸測試(應(yīng)力路徑和應(yīng)變路徑)、動三軸測試(應(yīng)力路徑、動剪切強度和變形、殘余模量、液化勢分析、剪切模量、阻尼比和復(fù)雜模量等)。除此之外該系統(tǒng)還可以進行雙向振動三軸(動態(tài)雙向加載)試驗。

2.2.2 試驗步驟

在室內(nèi)依據(jù)《土工試驗規(guī)程》(SL 237—1999)利用削土器將現(xiàn)場取得的原狀粉質(zhì)黏土土樣制成直徑50 mm、高100 mm的原柱體試樣；放入保護容器內(nèi)抽氣飽和，然后放入壓力室內(nèi)進行反壓飽和(飽和度在98%以上)；施加設(shè)定的圍壓和軸壓在靜力下完成固結(jié)；設(shè)置好試驗參數(shù)(振動次數(shù)、頻率、振動波形等)后施加動荷載。

2.3 試驗工況

本次試驗?zāi)M交通荷載對原狀飽和粉質(zhì)黏土的作用過程，主要考慮了圍壓、固結(jié)應(yīng)力比、振動幅值、振動頻率的影響。其中，根據(jù)現(xiàn)場的勘察資料及原狀樣的取土深度確定圍壓范圍約為50 kPa，試驗中分別選取了50，100 kPa兩種不同的圍壓；固結(jié)應(yīng)力比(Kc=σ1c/σ3c)可模擬土體不同的初始受力狀態(tài)，根據(jù)土樣的靜力強度并結(jié)合圍壓的大小，試驗中采用等壓固結(jié)Kc=1.0與偏壓固結(jié)Kc=1.2，1.4；振動頻率反映了車輛行駛速度的變化，根據(jù)現(xiàn)場實測資料，列車行駛過程中振動頻率是不斷變化的，車速越高振動頻率越快，而目前高鐵的運行時速已經(jīng)超過300 km/h，且今后仍有不斷增加的趨勢，借鑒前人的研究成果并結(jié)合測試儀器的范圍，主要采用頻率f=5.0 Hz進行試驗，并與f=1.0 Hz和2.5 Hz進行對比分析。

交通荷載有別于地震荷載和波浪荷載[20]，行駛車輛在地基中引起的動應(yīng)力在豎直方向上幅度最大，成為室內(nèi)試驗中的主要模擬對象。目前對于交通荷載振動形式的模擬主要分為正弦波與半正弦波2種。實際上，現(xiàn)有的數(shù)值模擬與實測資料表明，行駛車輛在地基中引起的動應(yīng)力與車重、車速、車輛-路堤-地基系統(tǒng)相對剛度等因素有關(guān)[21]，與拉壓等幅的半正弦波差距很大，和僅有壓半周的半正弦波較為接近，因此本次試驗中動應(yīng)力加載模式采用半正弦波形。

本次試驗分為單樣多級加載和平行多樣恒定幅值加載，每次加載均振動5 000次，當(dāng)軸向累積應(yīng)變達(dá)到5%時定為破壞標(biāo)準(zhǔn)，超過12%或加載次數(shù)達(dá)到設(shè)定值時，試驗終止。由于交通荷載作用下飽和土體幾乎不發(fā)生排水和體積變化，試驗采用不排水三軸模擬。單樣多級及平行多樣恒定幅值加載具體試驗方案分別如表2、表3所示。

表2 單樣多級加載試驗方案及成果Table 2 Schemes and results of multistage loading test onsingle specimen

表3 平行多樣恒定幅值加載試驗方案及成果Table 3 Schemes and results of loading test on parallelspecimens with constant amplitude

2.4 試驗數(shù)據(jù)處理

根據(jù)儀器計算系統(tǒng)記錄的試驗數(shù)據(jù)，繪制出不同試驗條件下的應(yīng)變-振動次數(shù)曲線及動應(yīng)力-應(yīng)變滯回曲線。對于滯回曲線，以不同振動次數(shù)下初始應(yīng)變值為標(biāo)準(zhǔn)進行歸一化處理，便于對每個循環(huán)內(nèi)的應(yīng)變變化進行比較。

3 飽和粉質(zhì)黏土動變形特性及影響因素分析

3.1 不同動應(yīng)力下試樣變形特性

在單樣多級加載過程中， 試樣1#進行等壓固結(jié)， 振動頻率為5 Hz， 進行6級加載， 每級振動次數(shù)均為5 000次， 最后一級加載時試樣產(chǎn)生破壞， 試驗停止。 圖2為單樣多級加載應(yīng)變隨振動次數(shù)變化曲線， 可以看出在1～6級加載過程中， 應(yīng)變分別為： 0.32%， 0.47%， 0.95%， 1.60%， 2.69%， 8.03%， 其發(fā)展模式主要為穩(wěn)定型和破壞型2種， 很少出現(xiàn)前人研究得出的臨界型。 在動應(yīng)力達(dá)到125 kPa時， 初始振動階段應(yīng)變增長較快， 一定振動次數(shù)后增長速率減緩， 應(yīng)變隨振動次數(shù)的增加幾乎不再發(fā)生變化， 逐漸趨于穩(wěn)定， 應(yīng)變發(fā)展模式都為穩(wěn)定型； 當(dāng)動應(yīng)力達(dá)到125 kPa后， 應(yīng)變隨振動次數(shù)增長速率加快， 試樣在較低振動次數(shù)內(nèi)產(chǎn)生破壞， 發(fā)展模式屬于破壞型， 而在σd=110 kPa時， 試樣應(yīng)變?yōu)?.69%， 未達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)， 這說明單樣多級加載過程中試樣可能存在產(chǎn)生破壞的臨界動應(yīng)力值， 這個值介于110～125 kPa之間。

圖2 單樣多級加載應(yīng)變隨振動次數(shù)變化曲線Fig.2 Variation of strain with vibration times forsingle specimen under multistage loading

圖3 平行多樣恒定幅值加載應(yīng)變隨振動次數(shù)變化曲線Fig.3 Variation of strain with vibration times forparallel specimens under constant amplitude

在平行多樣恒定幅值加載過程中，分別對試樣2#，3#，4#，5#，6#，7#，8#在不同動應(yīng)力下振動5 000次，加載結(jié)束后試樣產(chǎn)生不同的應(yīng)變。圖3為平行多樣恒定幅值加載應(yīng)變隨振動次數(shù)變化曲線，可以看出不同動應(yīng)力下產(chǎn)生的應(yīng)變分別為0.32%，0.56%，1.44%，3.14%，5.18%，9.90%，12.00%，隨著動應(yīng)力的增大每個試樣的應(yīng)變不斷增大。應(yīng)變發(fā)展模式和單樣多級加載時相同，都為穩(wěn)定型和破壞型，不同的是應(yīng)變隨動應(yīng)力的變化存在明顯臨界動應(yīng)力且小于單樣逐級加載中的臨界值，這個值在95 kPa左右，此時試樣應(yīng)變達(dá)到9.9%，已經(jīng)產(chǎn)生了破壞。圖4為平行多樣恒定幅值加載不同動應(yīng)力對應(yīng)的最終應(yīng)變關(guān)系，可以看出當(dāng)動應(yīng)力小于臨界動應(yīng)力時，應(yīng)變都未能達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)動應(yīng)力超過臨界動應(yīng)力時，應(yīng)變隨動應(yīng)力變化存在一個明顯拐點，在這個拐點后應(yīng)變急劇上升。這說明動應(yīng)力對應(yīng)變的影響較大，動應(yīng)力超過臨界動應(yīng)力時試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)才會產(chǎn)生破壞，強度急劇降低。此外，單樣多級加載試樣產(chǎn)生破壞所需的動應(yīng)力較恒定幅值加載時大，其原因是單樣多級加載試驗中前幾級動應(yīng)力加載對試樣產(chǎn)生了振動壓密的作用使土樣密實度增加、強度增大，從而不易產(chǎn)生破壞。

圖4 多樣恒定幅值加載不同動應(yīng)力對應(yīng)的最終應(yīng)變曲線Fig.4 Ultimate strain curve corresponding to differentdynamic stresses for parallel specimens under constantamplitude

圖5 不同動應(yīng)力不同振動次數(shù)下應(yīng)力-應(yīng)變滯回曲線Fig.5 Stress-strain hysteretic curves under differentvibration times and dynamic stress levels

不同動應(yīng)力下應(yīng)力-應(yīng)變滯回曲線如圖5所示。從圖5(a)可以看出在動應(yīng)力σd=40 kPa下N=1時最大動應(yīng)變?yōu)?.069%，隨著振動次數(shù)的增加，每個周期內(nèi)的應(yīng)變最大值逐漸減小，N=5時最大應(yīng)變?yōu)?.063%，N=50時最大應(yīng)變?yōu)?.055%，變化差異比較明顯，在N=100后應(yīng)變變化趨于穩(wěn)定，N=5 000后也沒有發(fā)生太大的變化，最終應(yīng)變保持在0.053%左右。在整個加載過程中，隨著振動次數(shù)的增加，每個周期內(nèi)應(yīng)變最大值逐漸減小最后趨于穩(wěn)定，滯回曲線隨之先向縱軸傾斜后趨于穩(wěn)定。這是因為在振動加載過程中土樣的剛度發(fā)生了變化，在振動初期應(yīng)變較小，處于彈性變形階段，回彈量較大，隨著振動次數(shù)的增加土樣密實度增加，強度增大，出現(xiàn)了應(yīng)變硬化現(xiàn)象。

從圖5(b)中可知在動應(yīng)力σd=95 kPa時，隨著振動次數(shù)的增加，每個周期內(nèi)應(yīng)變最大值不斷減小，相比于動應(yīng)力σd=40 kPa時變化幅度較小，在N=500以后基本保持穩(wěn)定，滯回曲線斜率幾乎不再發(fā)生變化。從圖5(c)可以看出在動應(yīng)力σd=115 kPa時，滯回曲線的變化規(guī)律與動應(yīng)力σd=40 kPa和95 kPa不同，每個周期內(nèi)應(yīng)變最大值先逐漸減小并趨于穩(wěn)定，一定振動次數(shù)后又開始逐漸增大，在N=5 000時的應(yīng)變量與N=100時較為接近。這說明由于動應(yīng)力超過了臨界動應(yīng)力值，應(yīng)變變化迅速，在振動初期由于振動壓密作用土樣很快產(chǎn)生硬化，但這個過程很短暫。在應(yīng)變達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)之后，內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，強度急劇降低，出現(xiàn)軟化現(xiàn)象。

結(jié)合上述分析，為比較相同振動次數(shù)不同動應(yīng)力下飽和粉質(zhì)黏土滯回曲線變化情況，對N=10時滯回曲線進行了分析。如圖6所示，可以看出動應(yīng)力σd=40 kPa時振動周期內(nèi)的應(yīng)變最大值為0.062%，相比于動應(yīng)力σd=95 kPa作用下產(chǎn)生的0.255%要小很多，這說明動應(yīng)力對試樣變形影響顯著，動應(yīng)力越大變形越大，差距越明顯。此外，不同動應(yīng)力下滯回圈的形態(tài)也發(fā)生了變化，隨著動應(yīng)力的增加滯回圈的面積增大，圈內(nèi)對應(yīng)兩點的距離拉長，兩端點連線的斜率減小，滯回圈中心向右偏移。這說明相同條件下動應(yīng)力越大對土體結(jié)構(gòu)破壞性越強，土體塑性累積應(yīng)變越大，產(chǎn)生的可恢復(fù)性彈性變形相應(yīng)越小。

圖6 相同振動次數(shù)(N=10)不同動應(yīng)力下應(yīng)力-應(yīng)變滯回曲線Fig.6 Hysteretic curves of strain under differentdynamic stress levels vibrated for 10 times

3.2 不同圍壓下試樣變形特性

圍壓反映了試樣深度的變化，圍壓越大代表模擬土樣所處的位置越深。本次研究分別對試樣7#、13#進行了相同條件不同圍壓下試樣動變形對比試驗。圖7為不同圍壓下試樣應(yīng)變與振動次數(shù)變化關(guān)系，可以看出σ3c=100 kPa下軸向累積應(yīng)變發(fā)展緩慢，振動5 000次后穩(wěn)定在1.83%左右，土樣并未產(chǎn)生破壞，應(yīng)變發(fā)展模式屬于穩(wěn)定型；σ3c=50 kPa下軸向累積應(yīng)變發(fā)展迅速，振動2 500次時試樣應(yīng)變便超過5%，最終應(yīng)變達(dá)到11%，土樣產(chǎn)生破壞，應(yīng)變模式屬于破壞型。這說明相同條件下圍壓越大試樣變形越小，圍壓增大會使土體強度升高，結(jié)構(gòu)更不易破壞，試樣產(chǎn)生破壞所需的動應(yīng)力更大。

圖7 不同圍壓下應(yīng)變隨振動次數(shù)變化關(guān)系(σd=95 kPa)Fig.7 Relationship between strain and vibrationtimes under different confining pressuresat given dynamic stress(σd=95 kPa)

相同振動次數(shù)(取N=10)不同圍壓下應(yīng)力-應(yīng)變滯回曲線如圖8所示，可以看出圍壓σ3c=100 kPa與圍壓σ3c=50 kPa下振動周期內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)變最大值分別為0.25%和0.28%，圍壓越大相同動應(yīng)力作用下產(chǎn)生的應(yīng)變越小，滯回圈內(nèi)對應(yīng)兩點的距離拉長，兩端點的連線的斜率增大。這說明相同動應(yīng)力下，圍壓增大后土體的強度增加，內(nèi)部結(jié)構(gòu)不易破壞，土體彈性能增強，土體產(chǎn)生的可恢復(fù)彈性變形相應(yīng)越小，軸向變形累積緩慢。

圖8 不同圍壓下動應(yīng)力-應(yīng)變滯回曲線(N=10)Fig.8 Dynamic stress-strain hysteresis curves ofspecimen under different confining pressuresvibrated for 10 times

3.3 不同振動頻率下試樣變形特性

動三軸試驗中所設(shè)定的振動頻率不同反映了車輛行駛速度的變化，車速越快相應(yīng)振動的頻率越高。本次研究分別對試樣6#，9#，10#進行了不同頻率下的動力加載試驗。圖9為圍壓50 kPa不同振動頻率下軸向應(yīng)變與振動次數(shù)變化關(guān)系，可以看出，頻率f=1 Hz時振動1 000次后軸向變形達(dá)到12%；頻率f=5 Hz時振動5 000次后軸向變形為5.18%；而頻率f=2.5 Hz時振動5 000次后軸向變形僅為2.52%。

圖9 圍壓σ3c=50 kPa不同振動頻率下軸向應(yīng)變隨振動次數(shù)變化關(guān)系Fig.9 Relationship between axial strain and vibrationtimes at different vibration frequencies under50 kPa confining pressure

圖10 不同頻率對應(yīng)的累積應(yīng)變關(guān)系Fig.10 Ultimate strain relationship corresponding todifferent frequencies

圖10為不同頻率下對應(yīng)的累積應(yīng)變關(guān)系，可知振動頻率f=1 Hz下動應(yīng)力對土樣變形產(chǎn)生的影響最大，隨著頻率的增大相同振動次數(shù)下動應(yīng)力對土樣產(chǎn)生的變形減小，但并不是頻率越大土樣產(chǎn)生的變形就越小，因為從圖10中明顯看到頻率f=5 Hz產(chǎn)生的應(yīng)變量要大于頻率f=2.5 Hz，頻率f=1 Hz和5 Hz均使土樣產(chǎn)生了破壞，只是所用的振動次數(shù)不同，而頻率f=2.5 Hz在振動5 000次后土樣仍具有較高的強度。這說明頻率對土體變形的影響可能存在一個臨界值fc，在未達(dá)到臨界頻率值前動變形逐漸增大，在超過fc后動變形增幅開始減小，頻率越接近這個臨界值土體產(chǎn)生的變形越小。頻率f=2.5 Hz可能超過了臨界振動頻率值，也可能未達(dá)到，但相比于f=1 Hz和5 Hz更為接近。振動頻率模擬的是列車行駛速度，速度越快頻率越高，對應(yīng)列車運行速度對地基土變形的影響也應(yīng)可能存在一個臨界速度值，越接近臨界速度地基土產(chǎn)生的變形越小。這可能與土體自身振動頻率、物理性質(zhì)及儀器性能有關(guān)，以后會設(shè)計試驗進一步研究。

相同振動次數(shù)(取N=10)不同振動頻率應(yīng)力-應(yīng)變滯回曲線如圖11所示，可以看出不同振動頻率下滯回圈形態(tài)不同，f=1 Hz時循環(huán)周期內(nèi)最大應(yīng)變?yōu)?.36%，頻率增大到2.5 Hz時最大應(yīng)變值減小為0.20%，滯回圈對應(yīng)兩點的距離縮小，兩端點的連線向縱軸靠近，滯回圈中心向左移動；當(dāng)f=5 Hz時最大應(yīng)變值達(dá)到0.23%，仍小于f=1 Hz時的最大應(yīng)變值，但大于f=2.5 Hz時的最大應(yīng)變值，相比于f=2.5 Hz時的滯回圈對應(yīng)兩點距離拉長，兩端點連線的斜率減小，滯回圈斜率向右平移?？梢越忉尀橛捎谡駝宇l率不同，在同一循環(huán)周次內(nèi)相應(yīng)動應(yīng)力對土樣的作用時間也就不同，動應(yīng)力加載時對土體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生沖擊，卸載時土體結(jié)構(gòu)部分恢復(fù)，但這個過程需要一定的時間，當(dāng)頻率較高時，動應(yīng)力作用過程較快，產(chǎn)生的應(yīng)變量較小，每次作用時間間隔短暫，卸載過程結(jié)構(gòu)可能只有部分恢復(fù)或是根本沒有時間來得及恢復(fù)。當(dāng)頻率較低時，動應(yīng)力作用過程較慢，時間間隔較長，動應(yīng)力次加載產(chǎn)生的應(yīng)變量較大，卸載過程土體結(jié)構(gòu)有一定時間進行大部分恢復(fù)。頻率不同會導(dǎo)致土體的加卸載過程產(chǎn)生的應(yīng)變量和恢復(fù)量有所差異，對土體的剛度產(chǎn)生影響，但不是頻率越大土體剛度降低越快，而是存在一個臨界振動頻率值，當(dāng)所施加的頻率接近臨界值時土體剛度降低緩慢，內(nèi)部結(jié)構(gòu)不易破壞，軸向變形不易累積。

圖11 不同振動頻率下應(yīng)力-應(yīng)變滯回曲線Fig.11 Hysteresis curves of different vibration frequencies

3.4 不同固結(jié)方式下試樣變形特性

不同的固結(jié)方式反映了土體不同的初始受力狀態(tài)，偏壓固結(jié)可模擬土樣在承受動荷載前除上覆土體自重荷載以外未來可能存在的靜荷載產(chǎn)生的影響。本次研究分別對試樣5#、11#、12#進行了不同固結(jié)比的動力加載試驗。圖12為不同固結(jié)比下試樣應(yīng)變與振動次數(shù)變化關(guān)系，可以看出各固結(jié)比條件下軸向應(yīng)變隨振動次數(shù)先增長后趨于穩(wěn)定，固結(jié)比Kc=1.0，1.2，1.4條件下產(chǎn)生的軸向應(yīng)變量不大，分別為1.65%，1.36%，1.22%，應(yīng)變發(fā)展模式均屬于穩(wěn)定型。相同動應(yīng)力σd=70 kPa條件下，固結(jié)比越大試樣最終軸向累積應(yīng)變越小，這是因為圍壓一定的條件下，固結(jié)比越大，軸向固結(jié)壓力就越大，土樣軸向壓密程度越高，使其強度增大，抵抗彈性變形的能力增強，軸向塑性累積變形發(fā)展緩慢。

圖12 σd=70 kPa不同固結(jié)比應(yīng)變隨振動次數(shù)變化關(guān)系Fig.12 Relationship between strain and vibrationtimes at different consolidation ratios(σd=70 kPa)

相同振動次數(shù)(取N=10)不同固結(jié)比滯回曲線如圖13所示，可以看出不同固結(jié)比下試樣在動應(yīng)力作用下產(chǎn)生的動應(yīng)變不同，固結(jié)比Kc=1.0，1.2，1.4條件下周期內(nèi)最大應(yīng)變分別為0.17%，0.12%，0.07%。試驗表明固結(jié)比越大動應(yīng)變越小，滯回圈對應(yīng)兩點的距離縮小，兩端點連線的斜率增大，滯回圈中心向縱軸平移。這是由于固結(jié)比增大后，在施加動應(yīng)力前軸向的壓密作用使土體的強度增大，內(nèi)部結(jié)構(gòu)不易破壞，土體可恢復(fù)的彈性變形減小。

圖13 σd=70 kPa不同固結(jié)比動應(yīng)力-應(yīng)變滯回曲線Fig.13 Dynamic stress-strain hysteresis curves atdifferent consolidation ratios (σd=70 kPa)

4 結(jié) 論

(1)不同加載方式對土體變形特性會產(chǎn)生不同的影響。單樣多級加載過程使土體密度增加，強度升高，結(jié)構(gòu)不易產(chǎn)生破壞；平行多樣恒定幅值加載時，不同動應(yīng)力對土體變形的影響存在一個明顯臨界動應(yīng)力，超過這個值后試樣變形量急劇增加，較低振動次數(shù)內(nèi)便產(chǎn)生破壞。

(2)動應(yīng)力對土體變形特性影響較大。動應(yīng)力小于臨界動應(yīng)力時，隨著振動次數(shù)的增加滯回圈面積先減小后趨于穩(wěn)定，兩端點連線的斜率先增大后保持穩(wěn)定，出現(xiàn)硬化現(xiàn)象；動應(yīng)力超過臨界動應(yīng)力后，滯回圈面積隨振動次數(shù)變化先減小后穩(wěn)定，后期又開始逐漸增大但不會超過N=1時的面積。后期滯回圈面積又逐漸增大說明此時試樣結(jié)構(gòu)開始產(chǎn)生破壞，出現(xiàn)軟化現(xiàn)象。

(3)圍壓與固結(jié)比對土體強度影響顯著。相同條件下，圍壓與固結(jié)比增大后土體產(chǎn)生的變形減小，土體的強度增加，產(chǎn)生可恢復(fù)的彈性變形減小，軸向變形不易累積。

(4)振動頻率對土體動變形會產(chǎn)生一定的影響。振動頻率模擬的是列車行駛速度，速度越快頻率越高，但不是頻率越高試樣產(chǎn)生的塑性變形越小，而是可能存在一個臨界振動頻率值，在這個值前后土體的變形都會增大。這說明列車運行對地基土變形的影響也應(yīng)可能存在一個臨界速度，越接近臨界速度地基土產(chǎn)生的變形越小。