變圍壓條件下飽和紅黏土動力特性研究

吳建奇， 謝 櫟， 徐 旭

(1.上海大學(xué) 土木工程系，上海 200072；2.江西理工大學(xué) 建筑與測繪工程學(xué)院，江西 贛州 341000；3.江西省環(huán)境巖土與工程災(zāi)害控制重點(diǎn)實驗室，江西 贛州 341000)

紅黏土在我國長江以南分布廣泛，特別是云貴高原、兩湖兩廣、贛南等地區(qū)更有大面積的紅黏土。隨著基礎(chǔ)交通設(shè)施的快速發(fā)展，越來越多的工程建設(shè)在紅黏土地基上。天然條件下，紅黏土含水量一般較高，結(jié)構(gòu)疏松且其收縮性很強(qiáng)，極易引起不均勻沉陷而導(dǎo)致破壞。在交通工程中，紅黏土路基既承受著路堤荷載的靜荷載作用，又承受著交通荷載的動荷載作用。交通荷載是種特殊的振動荷載，能讓土體經(jīng)歷幾十萬次甚至上百萬次的循環(huán)作用，可能產(chǎn)生的問題往往就是沉降過大。所以充分了解紅黏土在交通荷載下的動力特性，能更好的指導(dǎo)和服務(wù)實際交通工程[1-4]。許多學(xué)者利用常規(guī)動三軸儀研究黏土在交通荷載下的動力特性，取得了頗豐的成果，如陳穎平等[5]、張勇等[6]、張茹等[7]對軟黏土循環(huán)荷載下的動力特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究。胡秀青等[8]利用多向動單剪系統(tǒng)研究了水平雙向耦合荷載作用下循環(huán)剪應(yīng)力比和相位差對飽和軟黏土動力特性的影響。然而常規(guī)的動三軸、動單剪試驗，只能施加一個動應(yīng)力分量，并不存在動應(yīng)力分量的耦合，應(yīng)力路徑較為簡單。但是，當(dāng)存在兩個甚至多個動應(yīng)力分量時，應(yīng)力路徑就會變得復(fù)雜。眾多試驗結(jié)果表明，不同動應(yīng)力分量的耦合對飽和土體的動力特性產(chǎn)生很大的影響。Kammerer等[9]通過雙向動單剪試驗發(fā)現(xiàn)動剪應(yīng)力的耦合對瞬時孔壓產(chǎn)生較大影響。虞海珍[10]通過動扭剪試驗研究了循環(huán)偏應(yīng)力和循環(huán)扭矩耦合對動孔壓的影響。

交通荷載下路基土單元體除了承受豎向循環(huán)荷載之外，水平向也存在與豎向荷載相對應(yīng)的循環(huán)動應(yīng)力，也就是循環(huán)圍壓。上述的常規(guī)三軸儀、空心扭剪儀和雙向動單剪儀等僅考慮了軸向循環(huán)荷載，或者軸向循環(huán)剪切，而忽略了循環(huán)圍壓對黏土單元體長期變形的影響。而施明雄等[11-12]表明，循環(huán)圍壓，即變圍壓對土體的孔壓、模量、變形都存在較大的影響。因此，有必要在三軸試驗中考慮循環(huán)圍壓應(yīng)力路徑的影響。

隨著試驗儀器的革新，能夠考慮循環(huán)圍壓的三軸儀已在國內(nèi)一些實驗室中得到了運(yùn)用。谷川等[13]通過循環(huán)偏應(yīng)力與循環(huán)圍壓的耦合模擬真實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)圍壓對飽和軟黏土孔壓、永久和回彈變形的影響。蔡袁強(qiáng)等[14]通過不排水循環(huán)三軸試驗分別在單、雙向激振下對杭州軟黏土的動力特性進(jìn)行研究；王軍等[15]采用雙向動三軸設(shè)備進(jìn)行一系列飽和軟黏土的變圍壓動三軸試驗，研究循環(huán)偏應(yīng)力和循環(huán)圍壓耦合對飽和軟黏土孔壓特性的影響。上述研究結(jié)果揭示了變圍壓應(yīng)力路徑試驗對飽和軟黏土動力特性具有較大影響。但其試驗土體主要為江浙地區(qū)的軟黏土，尚未見對紅黏土的系統(tǒng)性研究。

因此，本文采用GDS變圍壓動三軸系統(tǒng)，對贛南地區(qū)原狀紅黏土分別開展了變圍壓(VCP)應(yīng)力路徑試驗和常圍壓(CCP)應(yīng)力路徑試驗，對比分析了兩種應(yīng)力路徑試驗在相同的最大應(yīng)力狀態(tài)，相同的平均應(yīng)力狀態(tài)，相同的最小應(yīng)力狀態(tài)下的孔壓發(fā)展、回彈模量和累積變形情況，提出了通過基于常圍壓試驗結(jié)果預(yù)測變圍壓試驗結(jié)果的經(jīng)驗公式。

1 試驗土樣及方案

1.1 試驗儀器

本文試驗采用英國GDS公司研發(fā)的動三軸測試系統(tǒng)，如圖1所示。儀器主要由軸向激振器，圍壓控制器，軸向力與位移傳感器，孔壓及圍壓傳感器，反壓器，信號調(diào)節(jié)裝置及動態(tài)控制系統(tǒng)組成。儀器通過壓力室底座施加軸向力和軸向變形，控制壓力室液體進(jìn)出施加圍壓，測得反壓器液體體積的變化量計算排水試驗中試驗的體應(yīng)變。儀器精度較高，其中軸向位移精度7%，軸力精度0.2 N，圍壓和孔壓傳感器精度1 kPa,反壓體積精度1 mm3,能精準(zhǔn)控制施加的壓力，確保試驗結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

圖1 GDS三軸儀器示意圖

1.2 試驗土樣

本試驗采用原狀紅黏土試樣，取自天然路基層，取樣深度為2～2.5 m。采用薄壁取樣法，盡量減少對原狀土的擾動。取完樣后，立即對薄壁管兩端進(jìn)行密封，儲存在實驗室的恒溫恒濕箱內(nèi)以備試驗使用。通過標(biāo)準(zhǔn)土力學(xué)試驗測得試驗所用原狀紅黏土基本物理性質(zhì)進(jìn)行調(diào)查，結(jié)果如表1所示。

表1 贛南紅黏土的基本物理性質(zhì)

1.3 固結(jié)過程

首先采用專用切樣器，將原狀土樣切成尺寸為直徑50 mm，高100 mm的試驗試樣，然后將試樣裝入GDS三軸壓力室進(jìn)行反壓飽和。分三階段逐級施加300 kPa反壓，310 kPa圍壓,保持10 kPa有效壓力，飽和24 h后采用B檢測檢驗土樣的飽和程度，試驗的孔壓系數(shù)B值大于0.98則認(rèn)為土樣達(dá)到飽和要求。最后施加設(shè)定的圍壓進(jìn)行等壓固結(jié)，當(dāng)孔隙水壓力消散到等于反壓時，認(rèn)為土樣固結(jié)完成。

1.4 應(yīng)力路徑

(1)

(2)

(3)

q0=0

(4)

(5)

(6)

在常規(guī)三軸中，由于圍壓恒定，即：

(7)

則應(yīng)力路徑的斜率ηampl可計算得到

(8)

對于變圍壓三軸試驗，則有：

(9)

由式(7)可知，在變圍壓試驗中，應(yīng)力路徑的斜率ηampl<3，即小于常圍壓下的應(yīng)力路徑斜率。

本文定義循環(huán)應(yīng)力比CSR來表明應(yīng)力路徑的高度(即循環(huán)偏應(yīng)力的幅值)

(10)

本文定義回彈模量為

(11)

1.5 加載方案

本文三軸試驗采用應(yīng)變控制模式，加載頻率為1 Hz，加載波形為半正弦波，循環(huán)次數(shù)為100 000次，在排水條件下進(jìn)行，將試樣頂部與反壓器相連形成排水通道，孔壓在底部測得。整個加載過程中偏應(yīng)力q和圍壓σ3一直以同相位做循環(huán)振動，加載波形如圖2所示。

(a)

(b)

試驗分為A、B、C共3組， A組代表部分排水條件下常圍壓試驗和變圍壓試驗具有相同的最大應(yīng)力狀態(tài)，即σmax相等，B組代表部分排水條件下其具有相同的平均應(yīng)力狀態(tài)，即σav相等，C組代表部分排水條件下其具有相同的最小應(yīng)力狀態(tài)，即σmin相等，三組應(yīng)力路徑如圖3所示。具體試驗方案如表2所示，其中A1、B1、C1，A4、B4、C4分別為同一組常圍壓試樣，作為三組部分排水條件下不同應(yīng)力路徑變圍壓試驗的共同對照組試驗。

(a) 相同最大應(yīng)力狀態(tài)

(b) 相同平均應(yīng)力狀態(tài)

(c) 相同最小應(yīng)力狀態(tài)

圖3 CCP與VCP應(yīng)力狀態(tài)

Fig.3 Stress state of CCP and VCP tests

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 孔 壓

表2 加載方案

(a) qampl=16 kPa

(b) qampl=28 kPa

圖4 相同最大應(yīng)力狀態(tài)孔壓比隨循環(huán)次數(shù)的發(fā)展曲線

Fig.4 Normalized pore water pressure ratio accumulations versus number of cycles in identical maximum stress state

(a) qampl=16 kPa

(b) qampl=28 kPa

圖5 相同平均應(yīng)力狀態(tài)孔壓比隨循環(huán)次數(shù)的發(fā)展曲線

Fig.5 Normalized pore water pressure ratio accumulations versus number of cycles in identical average stress state

(a) qampl=16 kPa

(b) qampl=28 kPa

圖6 相同最小應(yīng)力狀態(tài)孔壓比隨循環(huán)次數(shù)的發(fā)展曲線

Fig.6 Normalized pore water pressure ratio accumulations versus number of cycles in identical minimum stress state

2.2 模 量

圖7～圖9所示為三種應(yīng)力狀態(tài)不同應(yīng)力路徑試驗中回彈模量Mr隨循環(huán)次數(shù)的發(fā)展曲線。由圖中曲線可知，無論循環(huán)應(yīng)力比CSR如何變化，回彈模量Mr隨循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律基本相同，即循環(huán)加載初期，回彈模量首先快速降低，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，回彈模量Mr影響減小的速率逐漸降低，最后趨于增加或保持穩(wěn)定的過程，這是由于試驗初期，孔壓迅速積累，有效應(yīng)力降低，回彈模量相應(yīng)出現(xiàn)的較大的衰減，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，孔壓逐漸消散，有效應(yīng)力增加，回彈模量出現(xiàn)一定程度的增加，或保持穩(wěn)定。對比圖7、8中(a)與(b)可以看出，在相同試驗條件下，循環(huán)應(yīng)力比CSR越大，土體的回彈模量Mr減??；在相同的循環(huán)偏應(yīng)力幅值qampl條件下，在循環(huán)加載試驗初期，相對于常圍壓CCP試驗，變圍壓VCP試驗的回彈模量Mr的衰減速率更大，但隨著循環(huán)次數(shù)的增加，不同應(yīng)力路徑回彈模量發(fā)展曲線非常類似，表明在相同平均應(yīng)力狀態(tài)下，不同應(yīng)力路徑斜率對回彈模量的影響可以忽略。

(a) qampl=16 kPa

(b) qampl=28 kPa

圖7 相同最大應(yīng)力狀態(tài)回彈模量隨循環(huán)次數(shù)的發(fā)展曲線

Fig.7 Rebound modulus versus number of cycles in identical maximum stress state

(a) qampl=16 kPa

(b) qampl=28 kPa

圖8 相同平均應(yīng)力狀態(tài)回彈模量隨循環(huán)次數(shù)的發(fā)展曲線

Fig.8 Rebound modulus versus number of cycles in identical average stress state

(a) qampl=16 kPa

(b) qampl=28 kPa

圖9 相同最小應(yīng)力狀態(tài)下回彈模量隨循環(huán)次數(shù)的發(fā)展曲線

Fig.9 Rebound modulus versus number of cycles in identical minimum stress state

從圖9與圖7、8進(jìn)行對比分析，在相同最小應(yīng)力狀態(tài)下，在不同實驗條件及不同應(yīng)力路徑下，其回彈模量的發(fā)展曲線基本都相似，但對于不同的循環(huán)偏應(yīng)力幅值qampl，回彈模量都隨應(yīng)力路徑斜率ηampl的減少而增大。綜合可以得出，在相同的最大應(yīng)力狀態(tài)下，變圍壓應(yīng)力路徑下試樣彈模量小于常圍壓下的回彈模量，且隨應(yīng)力路徑斜率減小而減小。而對于相同的最小應(yīng)力狀態(tài)，試樣的回彈模量呈現(xiàn)出相反的趨勢。而對于相同的平均應(yīng)力狀態(tài)試驗，則兩種圍壓條件下的回彈模量十分接近。

2.3 累積變形

從圖10～圖12中曲線可以看出，無論應(yīng)力狀態(tài)及循環(huán)應(yīng)力比CSR如何變化，豎向累積變形隨著循環(huán)次數(shù)的增大而增大，此外，所有曲線的變化規(guī)律基本相似，循環(huán)加載初期，豎向累積變形增大較大，當(dāng)循環(huán)加載500次以后，豎向累積變形速率逐漸趨緩，但是當(dāng)循環(huán)加載10 000次后，豎向累積變形急劇增加，表明土體發(fā)生破壞。在相同的最大應(yīng)力狀態(tài)下，變圍壓應(yīng)力路徑試驗的豎向累積變形大于常圍壓應(yīng)力路徑下的豎向累積變形，且隨著應(yīng)力路徑斜率ηampl的減少而不斷增大；在相同的平均應(yīng)力狀態(tài)下，變圍壓應(yīng)力路徑試驗的豎向累積變形與常圍壓下的發(fā)展規(guī)律類似，與應(yīng)力路徑斜率無關(guān)；在相同的最小應(yīng)力狀態(tài)下，變圍壓應(yīng)力路徑試驗的豎向累積變形大于常圍壓應(yīng)力路徑下的豎向累積變形，且隨著應(yīng)力路徑斜率ηampl的減少而不斷減少。 基于此，在保證循環(huán)偏應(yīng)力幅值qampl相同的基礎(chǔ)上，提出了通過常圍壓試驗結(jié)果預(yù)測變圍壓試驗下累積變形值的經(jīng)驗公式

(12)

pav=(qmax+q0)/2

(13)

(a) qampl=16 kPa

(b) qampl=28 kPa

圖10 相同最大應(yīng)力狀態(tài)下豎向累積變形隨循環(huán)次數(shù)的發(fā)展曲線

Fig.10 Axial strain accumulations versus number of cycles in identical maximum stress state

(a) qampl=16 kPa

(b) qampl=28 kPa

圖11 相同平均應(yīng)力狀態(tài)下豎向累積變形隨循環(huán)次數(shù)的發(fā)展曲線

Fig.11 Axial strain accumulations versus number of cycles in identical average stress state

(a) qampl=16 kPa

(b) qampl=28 kPa

圖12 相同最小應(yīng)力狀態(tài)下豎向累積變形隨循環(huán)次數(shù)的發(fā)展曲線

Fig.12 Axial strain accumulations versus number of cycles in identical minimum stress state

圖13(a)和(b)分別為循環(huán)偏應(yīng)力幅值qampl為16 kPa和28 kPa下各應(yīng)力狀態(tài)試樣歸一化的豎向累積變形與循環(huán)次數(shù)的發(fā)展規(guī)律。圖13(a)和(b)中曲線較好的重合性，表明上式通過常圍壓試驗預(yù)測變圍壓試驗的適用性。

(a)qampl=16 kPa

(b)qampl=28 kPa

圖13 歸一化的豎向累積變形隨循環(huán)次數(shù)的發(fā)展曲線

Fig.13 Normalized axial strain accumulations versus number of cycles for test series

2.4 飽和紅黏土累積變形預(yù)測模型的驗證

為了能夠通過常圍壓試驗條件下飽和紅黏土的循環(huán)累積變形情況來預(yù)測變圍壓試驗條件下的循環(huán)累積變形情況，對文中的式(12)的準(zhǔn)確性進(jìn)行判定。利用式(12)對文獻(xiàn)[13]中的試驗方案4～6中CSR=0.208條件下試驗得到的永久應(yīng)變與加載周期關(guān)系曲線進(jìn)行驗證，其結(jié)果如圖14所示。

從圖14中可以看出，經(jīng)驗公式擬合曲線與文獻(xiàn)[13]所得的曲線都趨于一致。隨著循環(huán)加載增大，當(dāng)N=10 000情況下，ηampl=1.0時Δεp=0.098 5，在ηampl=1.5時Δεp=0.116 7?？梢姡涸谙嗤珻SR情況下，模型所得擬合曲線與試驗曲線都趨于一致，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，其Δεp值越來越大，主要原因是由于式(12)是根據(jù)飽和紅黏土進(jìn)行試驗而得出的，而驗證對象是飽和黏性土，這兩者之間在工程性質(zhì)等方面存在一定的差異性，導(dǎo)致了試驗結(jié)果的偏差，但是總體趨勢是一致的，說明本文建立的式(12)是合理的。

圖14 相同最小應(yīng)力狀態(tài)下豎向累積變形隨循環(huán)次數(shù)的發(fā)展曲線

Fig.14 Axial strain accumulations versus number of cycles in identical minimum stress state

3 結(jié) 論

本文利用GDS動三軸測試系統(tǒng)研究了贛南地區(qū)天然紅黏土動力特性，對比分析了相同最大應(yīng)力、相同平均應(yīng)力、相同最小應(yīng)力三個應(yīng)力狀態(tài)下，變圍壓因素對紅黏土的影響，得到主要結(jié)論如下：

(1) 孔壓隨著循環(huán)次數(shù)整體呈現(xiàn)先增加到峰值后減少的趨勢，回彈模量隨循環(huán)次數(shù)呈現(xiàn)出先降低后逐漸增加或保持穩(wěn)定的過程。

(2) 對比三種應(yīng)力狀態(tài)(相同最大應(yīng)力、相同平均應(yīng)力、相同最小應(yīng)力)，變圍壓應(yīng)力路徑較相應(yīng)的常圍壓而言會導(dǎo)致孔壓一定程度的增加。

(3) 對于相同的最大應(yīng)力狀態(tài)，變圍壓應(yīng)力路徑會導(dǎo)致試樣紅黏土模量降低，變形增加，應(yīng)力路徑斜率越大，變化越明顯，而對于相同的最小應(yīng)力狀態(tài)，則呈現(xiàn)出相反的趨勢。對于相同平均應(yīng)力的常圍壓試驗和變圍壓試驗，變圍壓應(yīng)力路徑對紅黏土的回彈模量和累積變形影響不明顯。

(4) 提出了考慮平均應(yīng)力狀態(tài)的通過常圍壓試驗結(jié)果預(yù)測變圍壓試驗結(jié)果的經(jīng)驗公式，能準(zhǔn)確預(yù)測不同應(yīng)力路徑的紅黏土豎向累積變形。