循環(huán)荷載作用下昆明泥炭質(zhì)土累積變形試驗研究

黃娟，宋銀濤，袁鐵映，丁祖德，雷明鋒，肖國慶

(1.中南大學 土木工程學院，湖南 長沙，410083；2.湖南省交通規(guī)劃勘察設計院有限公司，湖南 長沙，410083；3.昆明理工大學 建筑工程學院，云南 昆明，650500)

泥炭質(zhì)土是一種工程性質(zhì)極差的特殊軟土，在云南昆明地區(qū)分布較為廣泛。由于昆明城市建設發(fā)展的需求，越來越多的高鐵、地鐵線路將不可避免地穿越泥炭質(zhì)土層，如昆明地鐵2 號線、3號線部分區(qū)間以及5號線全線區(qū)間隧道，穿越泥炭質(zhì)土層的隧線比高達69%。因泥炭質(zhì)土具有強度低、孔隙率大、壓縮性高的特點，其在動荷載長期作用下的累積變形問題尤為突出。

近十幾年來，國內(nèi)外學者在土體累積變形方面進行了大量研究。SHI 等[1]針對富水泥巖進行試驗研究，提出了富水泥巖累積變形臨界應力范圍。XIAO 等[2-4]對飽和重塑黃土、凍土以及富水泥巖進行動三軸試驗，研究了動應力幅值、頻率、圍壓等因素對地基土累積變形特性的影響。閆春嶺等[5-12]對紅黏土、飽和黏性土和粉土進行了相似研究，分析了其累積變形曲線的變化特性。除此之外，MONISMITH等[13]針對鐵路路基，提出了關于軟黏土的累積變形冪函數(shù)模型。莊心善等[14]通過GDS 對弱膨脹土進行室內(nèi)動荷載加載，提出了弱膨脹土的累積變形預測模型。

以上研究主要集中于凍土、紅黏土和弱膨脹土的累積變形特性，關于炭質(zhì)泥土的研究較少。雖然泥炭質(zhì)土對地基、地下工程的不利影響已引起人們的重視，但目前國內(nèi)外對泥炭質(zhì)土的研究仍側(cè)重于其物理力學性質(zhì)、地基處理和動強度等方面[15-18]，關于泥炭質(zhì)土層隧道的列車運營沉降分析也主要是基于常規(guī)的數(shù)值模擬[19-20]。CHEN等[21]對泥炭有機土進行不排水循環(huán)三軸壓縮試驗，簡要論述了永久軸向變形與循環(huán)次數(shù)、靜偏應力和圍壓的相關性。陳成等[22]結(jié)合土體累積變形經(jīng)驗公式模型，提出了累積變形簡化計算方法。但現(xiàn)有的研究成果還遠不能反映泥炭質(zhì)土地鐵隧道的發(fā)展趨勢，有必要對循環(huán)荷載下泥炭質(zhì)的累積變形規(guī)律進行試驗研究。

以昆明泥炭質(zhì)土為研究對象，采用動三軸試驗探究其在不同動應力幅值、固結(jié)比、圍壓、加載頻率下的累積變形發(fā)展規(guī)律，基于試驗結(jié)果提出相應累積變形預測模型，并比較分析泥炭質(zhì)土與其他土的累積變形特性，以期為今后泥炭質(zhì)土地下工程的建設和運營維護提供參考。

1 試驗方案

1.1 試驗樣品

試驗用土取自云南省昆明市西山區(qū)草海片區(qū)工程場地。參照GB/T 50123—2019《土工試驗標準》[23]，在該區(qū)域6.0～6.2 m深度處采用原狀土法現(xiàn)場取樣。其基本物理力學指標為：土體密度ρ=1.199 g/cm3，土粒密度ρs=2.68 g/cm3，含水率ω=176.26%，有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)wu=40%。試驗采用原狀土切削制樣，樣品是直徑為39 mm、高為80 mm的圓柱體。切削完成后將土體進行真空負壓飽和，確保土體飽和度大于98%，制樣完成后使土體保持浸沒狀態(tài)。

1.2 試驗設備及加載條件

試驗采用DDS-70型微機控制電磁式振動三軸試驗系統(tǒng)，由空氣壓縮機提供靜壓力，通過電磁激振系統(tǒng)施加動荷載。首先將飽和完成的試樣放入壓力室，對其施加設定的圍壓和軸壓進行排水固結(jié)，固結(jié)時間至少24 h，直至超孔隙水壓完全消散。然后，在不排水條件下施加設定的循環(huán)動荷載，動荷載波形為正弦波。當試驗循環(huán)加載次數(shù)達到設定的2 000 次或樣品累積應變達到10%時，試驗終止。

1.3 試驗工況

試驗主要研究動應力幅值、固結(jié)比、圍壓和加載頻率4個影響因素。根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)、加載條件和即有研究成果，試驗時動應力幅值取為20、30、40、50 和60 kPa，圍壓取為50、80、100 和200 kPa，固結(jié)比取為1.0、1.25、1.5和1.75，加載頻率取1、2、3 和5 Hz。試驗工況及相關參數(shù)見表1。

表1 試驗方案及相關參數(shù)Table 1 Test plans and related parameters

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 動應力幅值對累積變形的影響

不同動應力條件下(Kc=1.25)，泥炭質(zhì)土的累積變形曲線如圖1所示。由圖1可知：動應力幅值越大，泥炭質(zhì)土的累積變形越大，且發(fā)展越快；動力應幅對泥巖質(zhì)土的累積變形發(fā)展模式影響極為顯著。在低動應力幅值下(動應力σd=20～40 kPa)，泥炭質(zhì)土的累積變形在前200 振次就基本趨于穩(wěn)定，總的累積應變很小(累積應變?yōu)?.4%～1.2%)，累積變形曲線近似為平直線；在中動應力幅值下(σd=50 kPa)，泥炭質(zhì)土的初期累積變形隨振次增長明顯，后期累積變形增長速率逐漸減小，累積變形量以極小的增量保持緩慢增長，最終趨于穩(wěn)定(累積應變?yōu)?.40%)，累積變形曲線表現(xiàn)為收斂的對數(shù)函數(shù)曲線；在高動應力幅值下(σd=60 kPa)，泥炭質(zhì)土的累積變形隨振次持續(xù)呈非線性增大，當振次到達1 000次時，累積變形速率急劇增大，試樣中部逐漸鼓出，最終失去承載能力，累積變形曲線近似為三次冪函數(shù)發(fā)散曲線。泥炭質(zhì)土的初期變形主是因土體孔隙被壓縮而產(chǎn)生的塑性變形，由于泥炭質(zhì)土的高壓縮性，此階段的累積變形增長速率較一般軟黏土的增長速率快；當動應力幅值較低時，土體的后期變形以彈性變形為主，累積變形增速減緩，甚至當動應力幅值極低時，累積變形基本不增長；當動應力幅值較大時，土體的后期變形仍以塑性變形為主，累積變形不斷增長；在高動應力往復作用下，土體孔隙體積在被完全壓縮之后，土體顆粒發(fā)生破壞并重新排列。

圖1 不同動應力σd下的累積變形曲線Fig.1 Cumulative deformation curves with different dynamic stress conditions

2.2 固結(jié)比對累積變形的影響

不同固結(jié)比下(σd=60 kPa)泥炭質(zhì)土的累積變形曲線如圖2所示。由圖2可知：在相同動應力幅值作用下，不同固結(jié)比的泥炭質(zhì)土累積變形曲線呈現(xiàn)出2 種差異化的發(fā)展變化模式。當固結(jié)比Kc≤1.50時，泥炭質(zhì)土的累積變形呈發(fā)散型，且固結(jié)比越大，土體累積變形發(fā)展越快。因為當圍壓一定時，固結(jié)比越大意味著軸向靜偏應力越大，巖土體內(nèi)部損傷會加劇[24]，所以土體的塑性變形更容易發(fā)展、累積。當固結(jié)比Kc＞1.50時，泥炭質(zhì)土的累積變形呈收斂型。黃娟等[18]的研究表明，當固結(jié)比增大到一定程度(Kc＞1.50)時，泥炭質(zhì)土的動強度顯著提高。圖2 中Kc=1.75 的累積變形曲線轉(zhuǎn)變?yōu)槭諗啃?，可能是在較高固結(jié)比條件下土樣臨界動強度提升所致。

圖2 不同固結(jié)比Kc下的累積變形曲線Fig.2 Cumulative deformation curves with different consolidation ratios

事實上，固結(jié)比對土體累積變形的影響相當復雜。閆春嶺等[7]的動三軸試驗表明，砂質(zhì)粉土的累積變形隨固結(jié)比Kc的增大而增大；莊心善等[12]的動三軸試驗表明，當1＜Kc≤1.5 時，弱膨脹土的累積變形隨固結(jié)比增大而減小，當Kc＞1.5 后，累積變形卻大幅增大。固結(jié)比對土體的累積變形既要考慮靜偏應力對土體內(nèi)部結(jié)構有損傷作用，也要考慮靜偏應力有壓密土體提升其強度的作用。

2.3 圍壓對累積變形的影響

在不同圍壓下(σd=30 kPa，Kc=1.25)，泥炭質(zhì)土的累積變形曲線如圖3所示。由圖3可知：圍壓越大，泥炭質(zhì)土的累積變形越小。土樣總累積變形的57%～79%都是在加載初期完成的，不同圍壓下土樣累積變形的差異也基本在加載初期產(chǎn)生。在后續(xù)加載過程中，各圍壓的土樣累積變形增幅接近。這主要是因為當固結(jié)比一定時，圍壓越大，軸向壓力越大，土樣壓密程度越高，動強度越大，土體彈性性能則越強，土體產(chǎn)生的可恢復彈性變形相應越小。當經(jīng)歷一定次數(shù)的循環(huán)加載后，各圍壓下土體的密實差異逐漸減小，圍壓對試樣后期累積變形的影響隨之減小。

圖3 不同圍壓σ3下泥炭質(zhì)土的累積變形曲線Fig.3 Cumulative deformation curves of peaty soil with different confining pressures

2.4 加載頻率對累積變形的影響

在不同加載頻率下(σd=30 kPa，Kc=1.25)，泥炭質(zhì)土的累積變形曲線如圖4 所示。由圖4 可知：在不同加載頻率下(σd=30 kPa，Kc=1.25)，泥炭質(zhì)土的累積變形呈現(xiàn)的總體變化規(guī)律與上述不同圍壓下的變化規(guī)律類似。加載頻率越低，荷載變化速度越慢，在相同振次下土樣受荷時間越長，因此，土樣變形發(fā)展越充分，相應的累積變形就越大。這與許多學者在其他巖、土樣試驗中得到的規(guī)律一致。加載頻率對泥炭質(zhì)土累積變形的影響程度是分頻段的，1～2 Hz 和3～5 Hz 各為一個影響頻段。在同一影響頻段內(nèi)，各加載頻率下泥炭質(zhì)土的累積變形曲線發(fā)展規(guī)律趨勢一致。

圖4 不同加載頻率f下的累積變形曲線Fig.4 Cumulative deformation curves with different frequency conditions

綜上分析可知：動應力幅值和固結(jié)比對泥炭質(zhì)土累積變形發(fā)展形態(tài)影響最為顯著；圍壓對其影響程度次之；加載頻率對其影響較小。

2.5 泥炭質(zhì)土累積變形發(fā)展模式的判定條件

如前所述，不同動應力幅值下泥炭質(zhì)土的累積變形發(fā)展規(guī)律總體上與一般軟黏土的累積變形發(fā)展規(guī)律類似，可分為破壞型累積變形和穩(wěn)定型累積變形。破壞型累積變形曲線如圖5(a)所示。累積變形曲線表現(xiàn)為以三次冪函數(shù)形式發(fā)散增大，對應的加載條件如下：Kc≤1.50，且σd≥60 kPa。穩(wěn)定型累積變形曲線如圖5(b)所示，累積變形曲線表現(xiàn)為對數(shù)函數(shù)形式收斂或近似平直線收斂，對應的加載條件分別為Kc=1.75，且σd=60 kPa 或σd≤40 kPa。由圖5可知：泥炭質(zhì)土的累積變形發(fā)展模式由動應力幅值和固結(jié)比共同決定，是外部動荷載和地基土靜偏應力水平的綜合反映。對于下臥土層為泥炭質(zhì)土的地鐵工程，為保證其長期服役性能，應避免使下臥泥炭質(zhì)土處于不利的受力狀態(tài)，即Kc≤1.50，且σd≥60 kPa。

圖5 泥炭質(zhì)土累積變形曲線類型Fig.5 Type of cumulative deformation curves of peat soil

3 與其他土累積變形曲線特征的對比

為進一步深入分析泥炭質(zhì)土與其他土累積變形特性曲線的差異性，將文獻中上海砂質(zhì)粉土[7]、貴陽紅黏土[8]以及合肥弱膨脹土[12]的累積變形曲線與本試驗相關曲線繪制于同一橫坐標系下，如圖6所示。

圖6 不同土累積變形εp-N變化曲線對比Fig.6 Comparisons of cumulative deformation εp-N variation curves of different soil samples

由圖6(a)和(b)可知：動應力幅值無論是對泥炭質(zhì)土還是其他土，影響都很顯著。但同樣在等壓固結(jié)條件下，當動應力幅值σd從40 kPa 增大到60 kPa時，泥炭質(zhì)土的累積變形趨勢由穩(wěn)定型發(fā)展為破壞型。當動應力幅值σd分別為70.8 kPa 和150 kPa 時，紅黏土和弱膨脹土累積變形依舊處于穩(wěn)定收斂狀態(tài)。這表明泥炭質(zhì)土達到累積變形破壞時的臨界動應力遠比弱膨脹土和紅黏土的臨界應力小，更具易發(fā)性和突發(fā)性。

由圖6(c)和(d)可知：圍壓對泥炭質(zhì)土和弱膨脹土累積變形的影響規(guī)律相近，均隨圍壓增大而減小。當圍壓σ3從50 kPa增大到100 kPa時，泥炭質(zhì)土累積變形降低約24%，弱膨脹土降低了約45%。相比而言，圍壓對泥炭質(zhì)土累積變形的影響程度要低于對弱膨脹土累積變形的影響程度。而且圍壓對泥炭質(zhì)土的影響主要表現(xiàn)在加載初期階段，這主要與泥炭質(zhì)土高壓縮性有關。值得一提的是，對于下穿泥炭質(zhì)土的地鐵工程，應更加注重控制中淺層泥炭質(zhì)土的累積變形。

由圖6(e)和(f)可知：加載頻率對泥炭質(zhì)土和砂質(zhì)粉土累積變形的影響規(guī)律總體一致，即加載頻率越小，土樣累積變形越大。但兩者對加載頻率的敏感頻域不同，泥炭質(zhì)土受加載頻率變化波動較大的頻率為2～3 Hz，砂質(zhì)粉土相應的頻率為0.5～1.5 Hz。當加載頻率從3 Hz降低到2 Hz時，泥炭質(zhì)土的累積變形增大了50%，當加載頻率從1.5 Hz降低到0.5 Hz時，砂質(zhì)粉土的累積變形增大了1 倍多。從加載頻率對累積變形的影響幅度來看，泥炭質(zhì)土受加載頻率的影響要小于砂質(zhì)粉土受加載頻率的影響。對于下穿泥炭質(zhì)土的地鐵工程，要密切關注低頻(f≤2 Hz)振動下的長期變形發(fā)展。

4 結(jié)論

1) 隨著動應力的增大，泥炭質(zhì)土累積變形不斷增大，累積變形曲線最終由收斂穩(wěn)定型轉(zhuǎn)為發(fā)散破壞型。在高動應力(σd=60 kPa)條件下，當Kc≤1.50 時，累積變形曲線為發(fā)散型，且固結(jié)比越大，累積變形發(fā)展越快；當Kc＞1.50時，累積變形曲線轉(zhuǎn)為收斂型。泥炭質(zhì)土累積變形發(fā)展模式主要由動應力幅值和固結(jié)比決定，是外部動荷載和靜偏應力的綜合反映。

2) 隨著圍壓和加載頻率的增大，泥炭質(zhì)土累積變形減小。不同圍壓下土樣累積變形的差異主要形成于加載初期。當經(jīng)歷一定次數(shù)的循環(huán)加載后，各圍壓下土體的密實差異逐漸減小，圍壓對累積變形的影響隨之下降。加載頻率對泥炭質(zhì)土累積變形的影響程度是分頻段的，1～2 Hz 和3～5 Hz各為一個影響頻段。

3) 當Kc≤1.50，且σd≥60 kPa時，泥炭質(zhì)土發(fā)生累積變形破壞，累積變形隨振次近似呈三次冪函數(shù)關系發(fā)散增長。對于下穿泥炭質(zhì)土的地鐵工程，要密切關注低頻(f≤2 Hz)振動下、中淺層泥炭質(zhì)土的長期變形發(fā)展，避免累積變形破壞條件的形成。

4) 與弱膨脹土、紅黏土等相比，泥炭質(zhì)土的初期累積變形增長速度更快，且達到累積變形破壞時的臨界動應力小得多，泥炭質(zhì)土的累積變形破壞更具易發(fā)性和突發(fā)性。