循环荷载对上海软土动力特性影响规律的试验研究①



循环荷载对上海软土动力特性影响规律的试验研究①

冷建1， 叶冠林1， 刘学增2， 朱合华2

(1.上海交通大学土木工程系, 上海 200240； 2.同济大学地下建筑与工程系, 上海 200092)

摘要：为研究上海第4层软土在循环荷载作用下的动力特性变化规律，采用原状土进行室内动三轴试验，分析不同动应力比和频率对上海第4层软土动强度的影响。试验结果表明：对于上海第4层软土，其剪切模量与应变关系曲线几乎不受动应力比和频率的影响；剪切模量的下降主要发生在应变0～1%阶段；由于应变速率效应的影响，高频率时试样破环所需的循环次数要大于低频率时；动应力比达到0.2时土样才发生破坏；在土的不同应变阶段，频率对应变增幅的影响效果不同。

关键词：上海软土； 动三轴试验； 剪切模量； 动强度； 加载频率

0引言

地铁在城市交通中发挥着越来越重要的作用，然而地铁隧道长期处在列车循环荷载作用下，由此引发的工程环境问题也不容忽视，对其研究也逐渐成为土动力学的热点问题[1-2]。

循环荷载作用下土动力特性研究由来已久，黄文熙[3]于上世纪 60 年代发表了有关饱和砂土地基及土坡液化稳定分析的研究成果。Thiers和Seed等[4-5]通过循环三轴和循环剪切试验，建立了相关的应力-应变数学模型。

现如今，循环荷载作用下土的动力特性在许多方面都取得了研究成果。Yasuhara等[6]和Toyota等[7-8]分析了初始剪应力对土动强度的影响。在动应力比方面，Hyde等[9]认为临界循环应力比与试样的应力历史和加载应力路径有关；Adrian等[10]提出了一种预测土循环剪应力和破坏次数的方法。对于振动频率对软黏土的影响尚未达成一致意见，需要进一步加以研究。Yasuhara[6]认为循环荷载频率对软黏土的动强度和变形几乎没有影响，但在相同的循环周次下孔压随着频率的增加而增大。Brewer[11]采用频率f=0.01～4 Hz，对IP=35的黏土进行动三轴试验，发现在相同循环周次下低频荷载产生的孔压和变形比高频大。Seed、Taylor等[7-8，12]分析了波形状的对循环作用的影响。

本文采用现场原状土进行室内动三轴试验，分析动应力比(动应力比为σd/2σs，其中σd为动应力幅值，σs为有效固结压力)、频率等对上海软土动强度的影响规律。

2试样制备和试验方法

在上海松江地区钻孔，用薄壁取土器采集第4层原状软土进行动三轴试验，研究上海软土在不同动应力比和不同频率下的动力特性。

2.1试样制备

用来进行试验的土体应该为原状土,以便精确地模拟现场土体的初始状态以及真实地反映现场土体的动力响应。在松江地铁站施工现场用薄壁取土器取得试验土样，选用动态空心圆柱扭剪仪进行室内动三轴试验。

试样直径为50 mm，高100 mm，采用100 kPa反压饱和，试样B≥0.96。试样等向固结，有效固结压力为100 kPa。

2.2试验方法

(1) 荷载选取：动应力比分别取0.1、0.15、0.2、0.3和0.4，分析不同动应力比对土动强度的影响。

(2) 频率选取：初步参考上海地区现有实测成果，地铁列车驶过时引起的隧道周围土体的响应频率分布两个区域：低频为0.4～0.6 Hz，高频为2.4～2.6 Hz，结合设备的循环加载能力后确定动三轴试验的加载频率为0.5 Hz和2 Hz。

(3) 加载波形：正弦波。

3试验结果与分析

3.1剪切模量随应变发展规律

图1为频率f=2 Hz和f=0.5 Hz时动应力比为0.4和0.2的剪切模量与应变关系图。从图中可以看出，f=2 Hz时动应力比0.4和动应力比0.2的剪切模量与应变关系曲线基本吻合；f=0.5 Hz时不同动应力比曲线也基本吻合,且剪切模量一开始下降速率很快，当应变达到1%时下降速率明显变慢。

图1　不同频率时剪切模量与应变关系曲线Fig.1　Relationship curves between shear modulus　　　 and strain with different frequency

图2为动应力比0.4和0.2下，频率f=2 Hz和f=0.5 Hz时剪切模量与应变关系图。从图中可以看出，动应力比0.4时，f=2 Hz和f=0.5 Hz的剪切模量与应变关系曲线基本吻合。动应力比0.2时也有类似的结果，且剪切模量一开始下降速率很快，当应变达到2%时下降速率明显变慢。

图2　不同动应力比下剪切模量与应变关系曲线Fig.2　Relationship curves between shear modulus and　　　 strain with different dynamic stress ratio

通过比较图1～图2可以发现，频率和动应力比几乎不会影响土的剪切强度与应变的关系曲线，且在小应变情况下土的剪切模量下降速率快，当应变达到2%左右剪切模量下降速率明显变慢。

3.2松江土破坏动应力比

总结不同频率和不同动应力比下试样破坏(破坏标准：双向应变没有达到10%，或者累积塑性应变没有达到5%)所需的循环次数如表1。

表 1　试样破坏所需的循环次数

注：N=10 000则试样没有破坏。

从表中可以看出，试样破坏所需的循环次数与荷载的频率有关。由于应变速率效应，频率为2 Hz时试样破坏所需的循环次数要大于频率为0.5 Hz时的循环次数，且动应力比为0.1和0.15时试样并未破坏(双向应变没有达到10%，累积塑性应变没有达到5%)，当动应力比为0.2时试样开始发生动循环破坏。

3.3频率影响

图3为动应力比为0.4、0.2和0.1时频率f=2 Hz和f=0.5 Hz，对应变和循环次数关系的影响。当动应力比为0.4和0.2时，试样会有较大的应变，最终会发生破坏；当动应力比为0.1时，试样应变很小，并不会发生破坏。即当应变较大时(动应力比为0.4和0.2)，频率为2 Hz时，应变增幅大于频率为0.5 Hz时的应变；当应变较小时(动应力比为0.1)，频率为2 Hz时，应变增幅小于频率为0.5 Hz时的应变。说明土在应变不同阶段时频率对应变增长的影响不同。

图3　不同动应力比下应变与循环次数关系图Fig.3　Relationship curves between strain and cycles with　　　 different dynamic stress ratio

3.4不同应变下的动强度曲线

图4为频率2 Hz时达到不同应变所需的动应力比与循环次数。从图中可以看出，动应力比0.3到0.4段的斜率明显陡于动应力比0.2到0.3段，说明动应力比到0.3后对土的破坏比较显著。

图4　f=2 Hz时动应力比与循环次数图Fig.4　Relationship curves between dynamic stress　　　 ratio and cycles when f=2 Hz

4结论

本文针对列车动荷载作用下的长期沉降问题，用原状土进行室内动三轴试验，分析动应力比、频率等对上海软土动强度的影响规律，得到以下结论：

(1) 频率和动应力比对上海软土剪切强度与累积应变关系曲线的影响很小,并且土的剪切模量在应变为0～1%阶段衰减速率快。

(2) 由于应变速率效应的影响，频率为2 Hz时试样破坏所需的循环次数要大于频率为0.5 Hz时。

(3) 对于松江土原状土，动应力大于0.2才发生破坏(双向应变达到10%或累积塑性应变达到5%)。

(4) 动应力比大于0.2情况下，累积应变较大，频率为2 Hz的应变增幅大于频率为0.5 Hz时的应变增幅；动应力比为0.1情况下，累积应变较小，频率为2 Hz时的应变增幅小于频率为0.5 Hz时的应变增幅。在应变不同阶段时，频率对累积应变增幅的影响不同。

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Experimental Study on the Dynamic Characteristics of Shanghai

Soft Clay Subjected to Cyclic Loading

LENG Jian1, YE Guan-lin1, LIU Xue-zeng2, ZHU He-hua2

(1.DepartmentofCivilEngineering,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200240,China;

2.DepartmentofGeotechnicalEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

Abstract：To study the strength of Shanghai soft clay under cyclic loading, a series of dynamic triaxial tests were conducted with different dynamic stress ratios and frequencies. According to the test results, the relationship between the shear modulus and strain was not affected by the dynamic stress ratio and frequency. When the strain was set to 2%, the shear modulus decreased slowly but significantly. The sample cyclic time with high frequency was larger than that with low frequency. With the Shanghai soft clay, soil sample damage phenomenon occurred until the dynamic stress ratio reached 0.2. The frequency had different effects on the growth of the strain in different strain stages.

Key words：Shanghai soft clay; dynamic triaxial test; shear modulus; dynamic strength; loading frequency

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2015.04.1049

中图分类号:TU435

文献标志码：A

文章编号:1000-0844(2015)04-1049-04

通信作者：叶冠林,男,博士,副教授。E-mail:ygl@sjtu.edu.cn。

作者简介：冷建(1988-),男,山东威海人,博士研究生,主要从事岩土工程、地下工程等领域的学习与科研。E-mail:keepwalkinglj@163.com。

基金项目：国家自然科学基金项目(41372284)

收稿日期：①2014-08-20