不同应力水平下结构性黏土动力特性试验研究①

雷华阳，刘景锦，霍海峰

（1.天津大学 土木工程系，天津 300072；2.滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室（天津大学），天津 300072）

0 引言

为解决城市交通拥挤问题，大力发展城市快速路、城市轻轨、城市地铁已成为每个城市的重点工程。但是对于东部沿海地区深厚软黏土地质条件，由于受到车辆荷载作用软黏土会产生较大变形和差异沉降，已有多个由于行车振动荷载作用而导致基础破坏的实例。如何正确认识这种现象、解决这种现象是每位岩土工程工作者急需解决的难题，也是天津滨海新区大面积开发建设所面临的重要的实际工程难题之一。

近年来，随着人们对于土体结构性重视程度的增加，不同应力水平下结构性软土的变形特性成为诸多学者研究的热点之一。然而这种研究多集中于利用室内压缩试验分析土体在不同压力阶段的静力学特性，无法获得其动力特性变化规律。

许多学者曾对循环荷载作用下土体变形问题开展过研究。如Diyaljee和Raymond在静止应力－应变数据和反复荷载试验的最小循环次数数据的基础上，建立了一个预测长期反复荷载作用下永久变形的方案［1］；Behzadi和Yandell采用矩形波的形式进行加载，提出了一个预测路基土永久变形的模型［2］；王建荣等通过动三轴试验研究振动频率对原状黄土动本构关系的影响［3］；周建建立了综合反映软黏土孔压变化和应变软化的弹塑性模型［4］；钟辉虹通过一系列应力控制的循环三轴试验，分析研究了软黏土在不排水条件下循环荷载作用下的累积残余变形规律［5］；Sakai和 Miura提出了一个模拟不同围压下软黏土部分排水特性的模型［6］，顾中华等提出循环荷载作用下饱和粘土强度计算方法以及参数的确定方法［7］；黄茂松等通过不同静偏应力和动应力组合情况下的饱和软黏土不排水循环三轴试验，引入相对偏应力水平参数，分析给出了累积变形特征方程式［8］。

前人的研究成果侧重于应力－应变本构关系及变形规律的描述，很少涉及到应力水平对软黏土动力变形特性的影响规律。为了进一步了解应力水平对结构性软黏土动力变形特性的影响，本文针对天津滨海新区典型软黏土在不同固结应力下进行循环三轴试验，探讨不同应力状态下土体的动力变形规律，以加深对结构性饱和软黏土在动力荷载作用下变形特性的了解。

1 试验土样和试验方法

1.1 试验土样

天津滨海地区分布有广泛海相沉积的淤泥质黏性土，具有较强的结构。试验取用滨海新区典型的淤泥质粉质黏土，取样深度为4～8m，基本的物理力学指标如表1所示。

表1 试验用土的基本物理力学指标

1.2 固结试验

固结试验采用的设备为杠杆式高压固结仪。固结压力采用12.5kPa、25kPa、50kPa、100kPa、200 kPa、300kPa、400kPa、800kPa、1600kPa加荷等级，进行不同固结压力条件下的卸荷－再加荷过程。土样面积为30cm2，高度为2cm。

1.3 动三轴试验

为研究应力水平和土体结构性对软黏土动力特性的影响，以压缩试验测定的原状软黏土先期固结应力和结构屈服应力为分界点，选取不同固结应力对原状土样进行动力试验。

试验仪器选用英国GDS动三轴试验系统，固结应力分别为小于先期固结应力σv0、先期固结应力σv0与结构屈服应力σvy之间以及大于结构屈服应力σvy。振动频率为1Hz、2Hz和5Hz。土样高为10 cm，直径为5cm。

2 结构性软黏土的先期固结应力和结构屈服应力

土的先期固结应力是指土层在历史上受到的最大竖向有效固结压力。土的结构屈服应力是指原状土在受压缩过程中，以土骨架弹性压缩为主的变形阶段基本结束，土的结构和粒间联系开始出现破坏时所对应的压力。

众多研究表明，软黏土作为一种典型的结构性土，用传统方法测得的先期固结应力值往往大于其上覆土层的应力，这就给判断其固结状态带来了一定的困难。因此，沈珠江指出，这类土的原状土压缩曲线的拐点所对应的应力应称为结构屈服应力而不应称为先期固结应力［9－11］。超固结比应为结构应力比。

对于室内压缩试验曲线，许多学者都提出校正方法，这里结合郝玉龙等［12］针对温州结构性软土所提出的确定原位压缩曲线及土体结构屈服应力的方法，确定天津滨海地区典型软黏土的先期固结应力σv0和结构屈服应力σvy。结果见图1和表2所示。

表2 土样的先期固结应力和结构屈服应力

3 软黏土在不同固结应力状态下的动力特性

图1 原状土样的压缩曲线Fig.1 Compression curves of natural soft clay samples.

前面指出天津滨海地区软黏土具有明显的先期固结应力σv0和结构屈服应力σvy，为了解结构性软黏土在不同应力水平下的动力变形特性，利用同种土样以这两个关键应力点为界限，进行了循环三轴试验。

3.1 不同固结应力下的动应变－循环振次关系

图2、3为原状土样＃1和＃2的轴向动应变－循环振次关系曲线。从图中可以看出，在初期的循环荷载作用周数内，无论动应力多大，土样的轴向动应变εd均表现为增长较快，只有当循环荷载作用到一定次数后，随着动应力的增大土样发生破坏所需的循环振次N不断减少，表现为很小的循环振次N范围内就达到破坏，呈现脆性破坏特征。即存在一个临界动应力比σd／2σc′。

当固结应力σc小于先期固结应力σv0情况下，＃1和＃2的临界动应力比σd／2σc′分别为0.4和0.306；σc介于σv0和σvy之间时，＃1和＃2的σd／2σ′c分别为0.326和0.224；当σc大于σvy情况下，＃1和＃2的σd／2σc′分别为0.244和0.214。由此可见，结构性土体的临界动应力比并不是一个定值，而是与围压大小相关的。

图2 1号原状土样轴向动应变－循环振次关系曲线Fig.2 Relation curves of cyclic axial strain with cycle number of undisturbed clays＃1.

图4为不同应力条件下轴向动应变－循环振次关系曲线。从图中可以看出，当σc小于σv0情况下，变形转折点对应的应变εd与σc介于σv0和σvy之间时所对应的应变值基本接近，然而，当σc大于σvy后，土样发生破坏所需的循环振次N不断减少，表现为很小的循环振次N范围内就达到破坏，土样的轴向动应变εd均表现为增长较快。

以上现象的产生可从土体的微观结构角度出发给予解释。由于土体结构性的存在，在低围压条件下，尤其是在低于土体的结构屈服应力情况下，土体的结构性基本上没有遭到破坏，刚度较高，受到外力作用很难发生变形，所以达到破坏时所需要的循环应力比数值较大；而当应力水平超过结构屈服应力时，会出现结构性的大量破坏，土骨架刚度急剧变小，轴向应变则随着振动次数的增加出现急剧增大现象，达到破坏所需要的循环应力比相应减小。

图3 2号原状土样轴向动应变－循环振次关系曲线Fig.3 Relation curves of cyclic axial strain with cycle number of undisturbed clays＃2.

3.2 不同固结应力下的孔隙水压力－循环振次关系

图5为原状软土在不同固结压力下的孔隙水压力与振动次数之间的变化过程曲线。

从图中可以发现：总的变化规律是随着循环次数的增大孔隙水压力不断增大。当围压低于先期固结应力时，孔压随着振次的变化分两种情况，一种是动应力比较小时，在最初的振次内孔压随着振次的增加而增加较快，当孔压达到一定程度以后孔压随着循环振次的增加得非常缓慢，达到稳定状态；另一种情况为动应力较大时，孔隙水压力基本上随着振

图4 不同围压下应变－振次关系曲线Fig.4 Relation curves of cyclic axial strain with cycle number of the samples in different stress level.

图5 不同固结压力下轴向动孔压－振次关系曲线Fig 5 Relation curves of dynamic pore water pressure with cyclic number under different confining pressures.

次改变呈线性关系，并且增加的速率随着动应力比的增大而增大。该临界应力比和土体的轴向应变临界循环应力比相同。

当围压超过先期固结压力后，孔隙水压力的变化基本上呈现出线性增长关系，同时动应力比的改变对于孔隙水压力值的影响也趋于不明显状态。尤其是围压超过结构屈服应力后，这种现象更加明显。其原因一方面是由于土体结构破坏，另一方面是试样的渗透系数较小，从而使得孔隙水压力在短期内不能得以消散，从而造成孔压的线性增长。

3.3 不同固结应力下振动频率的影响

图6为不同固结应力下采用三种振动频率得到的轴向动应变与振动次数的关系曲线。

图6 不同频率下轴向动应变－振次关系曲线Fig 6 Relation curves of dynamic axial strain with cyclic number under different vibration frequencies.

从图中可以看出，总的变化规律是无论固结应力的大小，均存在一个转折频率。当振动频率低于或高于2Hz时，若围压低于结构屈服应力，轴向动应变随着振次的变化表现为：在最初的振次内动应变随着振次的增加增长较快，当动应变达到一定程度以后，随着循环振次的增加增长得非常缓慢，达到稳定状态；当围压高于结构屈服应力后，轴向动应变随振次的变化基本上呈现出线性增长的关系。

振动频率为2Hz时，轴向动应变与振次之间的关系曲线均表现为振次较少时动应变增长较快，之后，随着振动次数逐渐增加动应变趋于稳定状态，基本上不受固结应力大小的影响。

4 结论

本文以天津滨海新区典型结构性软土为研究对象，通过一系列动三轴试验，研究不同应力水平下结构性软黏土的动力变形特性。据试验结果可以得到以下一些结论：

（1）在动应变发展过程中存在一个临界动应力比（σd／σc）t，该临界动应力比并不是一个定值，而是与围压大小相关的，随着围压的逐渐增大而降低。

（2）孔隙水压力的变化以先期固结压力和结构屈服应力为转折点呈现出不同的变化规律：围压低于先期固结压力时，孔压随着振次的变化分两种情况；当围压超过先期固结压力后，孔隙水压力的变化基本上呈现出线性增长关系，同时动应力比的改变对于孔隙水压力值的影响也趋于不明显状态；尤其是围压超过结构屈服应力后，这种现象更加明显。

（3）无论固结应力为多少，均存在一个转折频率：当振动频率低于或高于2Hz时，围压逐渐增大，轴向动应变随着振次的变化从增加较快，之后趋于稳定状态转变为基本上呈现出线性增长关系；当振动频率为2Hz时，固结应力的改变对轴向动应变的影响呈现不明显状态。

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