不同應(yīng)力路徑下超固結(jié)軟黏土的永久變形特性

孫 磊

(宿州學(xué)院 資源與土木工程學(xué)院，安徽 宿州 234000)

軟土路基的沉降控制是高速公路、鐵路及機(jī)場跑道等交通路基建造的關(guān)鍵技術(shù)之一。上述交通線路經(jīng)過區(qū)域軟黏土分布廣泛，如以溫州為代表的東南沿海地區(qū)廣泛分布著濱海相、潟湖相淤泥質(zhì)土，通常處于飽和狀態(tài)，具有低滲透性和高壓縮性的特點(diǎn)。飽和軟黏土在長期交通循環(huán)荷載作用下的塑性變形不斷累積，到一定程度時(shí)將會導(dǎo)致路面車轍甚至塌陷等嚴(yán)重的路基沉降問題，危及行車安全并導(dǎo)致巨額的維護(hù)費(fèi)用。

目前，國內(nèi)外大量學(xué)者通過室內(nèi)試驗(yàn)對土體動力特性進(jìn)行了研究[1-12]，并在室內(nèi)試驗(yàn)或?qū)崪y的基礎(chǔ)上提出了一定的理論模型或經(jīng)驗(yàn)公式，對于深入理解和預(yù)測交通工程的長期沉降具有重要的指導(dǎo)意義。然而,大多數(shù)研究都沒有考慮以下3個(gè)方面的影響：①路基軟土由于超載預(yù)壓等地基加固處理導(dǎo)致的超固結(jié)特性；②路基土體在交通荷載作用下同時(shí)伴隨孔壓的產(chǎn)生和消散，介于完全排水和完全不排水之間，即部分排水的實(shí)際工況[13]；③交通循環(huán)荷載在路基土體中引起的動態(tài)應(yīng)力場，不但存在豎向循環(huán)正應(yīng)力，而且包含較大幅值的水平向循環(huán)正應(yīng)力(循環(huán)圍壓)[14]。

借助GDS 變圍壓三軸試驗(yàn)系統(tǒng)，在部分排水條件下，本課題結(jié)合交通循環(huán)荷載作用的特點(diǎn)，對循環(huán)偏應(yīng)力和循環(huán)圍壓耦合作用下溫州超固結(jié)飽和軟黏土的累積變形特性進(jìn)行了研究，分析了循環(huán)圍壓和超固結(jié)比對軸向累積塑性變形規(guī)律的影響，以加深對溫州軟黏土在不同應(yīng)力路徑下變形發(fā)展規(guī)律的認(rèn)識，為交通循環(huán)荷載作用下的軟土路基設(shè)計(jì)和建造提供了參考。

1 試驗(yàn)條件及方法

1.1 試驗(yàn)土樣

試驗(yàn)所用原狀土樣取自溫州高鐵南站附近的在建工地，埋深7～8 m；所用軟黏土的黏粒(d<0.005 mm)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 57%，粉粒(0.005 mm≤d≤0.074 mm)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為41%。試驗(yàn)用土的基本物理指標(biāo)見表1。

表1 試驗(yàn)用土的基本物理指標(biāo)Tab.1 Physical properties of the tested soil

1.2 試驗(yàn)方案

采用專用切土器制備50 mm×100 mm(直徑×高)的單元體原狀試樣，在試樣四周貼上濾紙作為排水路徑，然后放入壓力室內(nèi)通過施加反壓進(jìn)行飽和，待B值大于0.98后增大圍壓進(jìn)行等向固結(jié)(OCR=σ3max/σ30)，通過加載和卸載的方式使土樣處于不同的超固結(jié)狀態(tài)，最終施加動荷載前固結(jié)圍壓統(tǒng)一定為100 kPa(σ30)。固結(jié)完成之后保持排水閥門處于打開狀態(tài)以實(shí)現(xiàn)部分排水，直接在軸向和徑向施加同相位的半正弦波。為了保證試驗(yàn)的穩(wěn)定性，加載頻率采用0.1 Hz，所有試驗(yàn)均加載10 000圈。軸向和徑向動應(yīng)力的耦合將在p-q平面上形成不同的應(yīng)力路徑，可用其斜率ηampl加以表征，如圖1所示。本試驗(yàn)采用3種不同的應(yīng)力路徑，即ηampl=3.0、ηampl=1.0和ηampl=0.5，其中ηampl=3.0 為常規(guī)的恒定圍壓(循環(huán)圍壓的幅值σ3ampl=0)循環(huán)三軸加載試驗(yàn)(CCP)，應(yīng)力路徑斜率ηampl=1.0和ηampl=0.5為變圍壓循環(huán)三軸加載試驗(yàn)(VCP)。

為了便于對不同超固結(jié)試樣的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，定義循環(huán)應(yīng)力比(CSR)為循環(huán)偏應(yīng)力與土體不排水抗剪強(qiáng)度的比值，即

(1)

式中：qampl為循環(huán)偏應(yīng)力幅值；qf為對應(yīng)超固結(jié)比下飽和軟黏土不排水靜力剪切試驗(yàn)所得的峰值偏應(yīng)力，超固結(jié)比OCR為1、2、4和8時(shí)對應(yīng)的峰值偏應(yīng)力分別為68.4 kPa、114.2 kPa、147.8 kPa和214.6 kPa[15]。具體試驗(yàn)方案如表2所示。

圖1 應(yīng)力路徑示意圖Fig.1 Schematic diagram of stress path

表2 試驗(yàn)方案Tab.2 Test schemes

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

本研究重點(diǎn)探討循環(huán)偏應(yīng)力和循環(huán)圍壓耦合應(yīng)力路徑斜率ηampl及超固結(jié)比OCR對溫州飽和軟黏土在部分排水條件下永久軸向應(yīng)變的影響。圖2給出了全部12組試驗(yàn)的永久軸向應(yīng)變試驗(yàn)結(jié)果，從中可以看出，當(dāng)超固結(jié)比相同時(shí)，在給定的循環(huán)動應(yīng)力比下，不同應(yīng)力路徑下永久軸向應(yīng)變與循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律一致：伴隨循環(huán)次數(shù)的增長先迅速增大，隨后增長速率逐漸下降并在一定循環(huán)次數(shù)后趨于穩(wěn)定。然而，通過對比可以發(fā)現(xiàn)，超固結(jié)試樣要比正常固結(jié)試樣提前達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。正常固結(jié)飽和軟黏土試樣基本在循環(huán)2 000圈之后趨于穩(wěn)定，而超固結(jié)飽和軟黏土基本在循環(huán)1 000圈之后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，說明超固結(jié)比對飽和軟黏土永久軸向應(yīng)變的累積速率具有顯著影響，也從一個(gè)側(cè)面反映了超載預(yù)壓等地基加固措施具有加快軟土路基沉降穩(wěn)定的作用。圖2中的變化曲線還表明，在同樣振次和超固結(jié)比下，較小的應(yīng)力路徑斜率ηampl值，即較大的循環(huán)圍壓值對應(yīng)較大的永久軸向應(yīng)變值。這說明在部分排水條件下，與圍壓恒定偏應(yīng)力單獨(dú)循環(huán)加載作用相比，循環(huán)圍壓與循環(huán)偏應(yīng)力的耦合效應(yīng)將極大促進(jìn)土體永久軸向應(yīng)變的發(fā)展。

圖2 不同應(yīng)力路徑下永久軸向應(yīng)變與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系Fig.2 Relationship between permanent axial strain and loading cycle under different stress paths

為了比較超固結(jié)比對飽和軟黏土永久軸向應(yīng)變的影響規(guī)律，取所有試樣在循環(huán)加載10 000圈后的永久軸向應(yīng)變，按照3種不同的應(yīng)力路徑繪制變化曲線，如圖3所示。在雙對數(shù)坐標(biāo)下，不同應(yīng)力路徑下的永久軸向應(yīng)變與超固結(jié)比均呈線性關(guān)系且基本平行，說明循環(huán)荷載下最終穩(wěn)定的永久軸向應(yīng)變隨超固結(jié)比呈指數(shù)衰減，衰減指數(shù)為-0.37。

圖3 不同應(yīng)力路徑下第10 000圈永久軸向應(yīng)變與OCR的關(guān)系Fig.3 Relationship between and OCR under different stress paths

圖5進(jìn)一步給出了歸一化永久軸向應(yīng)變率R與應(yīng)力路徑斜率ηampl的關(guān)系，在雙對數(shù)坐標(biāo)下兩者近似呈線性關(guān)系，斜率為-0.28。

圖4 歸一化永久軸向應(yīng)變率R與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系Fig.4 Relationship between R and cycle numbers

圖5 歸一化永久軸向應(yīng)變率R與應(yīng)力路徑斜率ηampl的關(guān)系Fig.5 Relationship between R and ηampl

3 結(jié)論

通過對正常固結(jié)及超固結(jié)溫州飽和軟黏土在部分排水條件下的恒定圍壓及變圍壓循環(huán)三軸加載試驗(yàn)，分析了超固比及應(yīng)力路徑斜率對飽和軟黏土永久軸向應(yīng)變的影響，主要得出以下結(jié)論：

(1) 在同一循環(huán)動應(yīng)力比下，不管是正常固結(jié)還是超固結(jié)飽和軟黏土，在變圍壓應(yīng)力路徑下的永久軸向應(yīng)變隨循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律與對應(yīng)恒定圍壓下基本相同，均隨著循環(huán)次數(shù)的增加而增大并逐漸趨于穩(wěn)定，超固結(jié)土體的永久軸向應(yīng)變要比正常固結(jié)土體提前趨于穩(wěn)定，且最終的穩(wěn)定值隨超固結(jié)比呈指數(shù)衰減。

(2)部分排水條件下，由于循環(huán)圍壓的存在，其與循環(huán)偏應(yīng)力的耦合作用促進(jìn)了不同超固結(jié)比試樣永久軸向應(yīng)變的發(fā)展。在相同循環(huán)動應(yīng)力比和超固結(jié)比下，循環(huán)圍壓幅值越大(ηampl越小)，試樣產(chǎn)生的永久軸向應(yīng)變就越大。通過歸一化處理，引入歸一化永久軸向應(yīng)變率R量化循環(huán)偏應(yīng)力和循環(huán)圍壓耦合效應(yīng)對永久軸向應(yīng)變的影響程度，同時(shí)建立了其與應(yīng)力路徑斜率ηampl的關(guān)系，結(jié)果表明循環(huán)偏應(yīng)力和循環(huán)圍壓耦合效應(yīng)對永久軸向應(yīng)變的影響與超固結(jié)比無關(guān)。