循环荷载下滨海软土孔压发展规律试验研究

谢兵乐，张建新,

(天津城建大学a. 土木工程学院；b. 天津市软土特性与工程环境重点实验室，天津 300384)

循环荷载下滨海软土孔压发展规律试验研究

谢兵乐a，张建新a,b

(天津城建大学a. 土木工程学院；b. 天津市软土特性与工程环境重点实验室，天津 300384)

地铁行车荷载会使隧道周围土体中的孔隙水压力发生变化，进而致使土体发生变形，甚至产生不均匀沉降，对地铁安全产生很大威胁．因此，了解土体孔压在地铁行车荷载下的发展变化规律极为重要．笔者基于 GCTS空心圆柱测试系统对滨海软土进行试验，研究循环振动荷载作用下软土的孔隙水压力发展变化规律；同时分析荷载幅值、振动频率及土体围压对孔隙水压力的影响．试验结果表明：土体中孔隙水压力的增长规律表现为快速增长、缓慢增长、平稳三个阶段；并且孔压随振动次数、循环振动荷载幅值和围压的增大而增大，但增大幅率不同，随加载频率的增大而减小．

循环振动荷载；饱和软土；GCTS测试系统；孔隙水压力

在地铁行车荷载作用下，地铁轨道地基承受与地震荷载不相同的循环往复荷载的作用，致使隧道周围软土原结构遭到破坏，土体强度降低，应变软化，孔压变化，造成地铁隧道轴线变形和地面沉降增加，进而导致隧道结构和路基发生破坏变形，影响列车的正常行驶．对地铁行车荷载导致的隧道周围饱和软土的变形控制已经成为软土地基城市地铁工程中急需解决的安全问题之一，而地铁行车荷载下土体孔隙水压力的发展变化是影响土体变形和强度变化的重要因素之一，因此，研究土体在地铁行车荷载作用下孔隙水压力的发展变化规律就显得极为重要[1-2]．

国内、外学者对动荷载下土体中孔隙水压力的增大和消散规律进行了比较深入的研究[2-6]．魏新江等[5]对地铁行车荷载作用下不同固结度软黏土的孔隙水压力的发展规律进行了研究；王元东等[6]对地铁行车荷载作用下隧道周围加固软黏土的孔隙水压力的发展特性进行了研究；唐益群等[2]也针对地铁行车荷载作用下不同深度的地铁隧道周围饱和软黏土的孔隙水压力的发展规律进行了试验研究．从已有文献看，目前的试验大都基于常规动三轴或 GDS动三轴试验系统，试验中模拟土体的应力状态与现场应力条件并不完全一致．同时，在试验过程中，由于橡胶模顺变性效应阻滞了孔隙水压力的发展，而使实测到的孔压值偏低[7-8]；且由于制样的误差及国内动三轴试验机载荷传感器外置致使上心轴与压力室盖接触面产生的摩擦力也被记录，并反映到试验结果中，都会对试验结果正确与否产生一定的影响．

本文拟采用室内空心圆柱测试系统(GCTS)模拟地铁行车的循环振动荷载，考虑振次、荷载幅值、频率、土体围压(土层深度)等影响因素，对饱和软黏土的孔隙水压力的发展规律进行研究，研究成果可为今后软土地区地铁隧道周围土体的变形分析和沉降处理提供依据．

1 室内GCTS试验设计

1.1 试验土样

本试验所用土样取自天津滨海新区饱和软黏土，取土深度为 12～16,m，土样饱满，从表面看光滑无贝壳、石子等杂物，室内测试其基本物理参数如表1所示．

表1 试验土样的基本物理性质参数

1.2 试验设计

本试验采用美国生产的动态空心圆柱测试系统GCTS(geotechnical consulting and testing systems，简称 GCTS)．该测试系统相对于循环三轴试验系统GDS又有很大改善．试样采用土样为空心圆柱状，如图1所示，该试样应力应变分布较为均匀，主应力方向可以挠动，可以进行不同应力路径的试验，得到的试验结果更准确，是一套精度很高的试验设备．

图1 空心圆柱试样

由现场实测资料可知，土体的动力响应频率有2个范围，高频 fh一般为 2.4～2.6,Hz，低频 fl一般为 0.4～0.6,Hz，故本试验采用了 3个频率分别为0.5，1.0，2.5,Hz．试验时空心圆柱土样首先进行反压饱和，取反压值为100,kPa．根据试验土样的实际取土深度，围压值分别取180，210，240,kPa．考虑到隧道底部的附加应力一般为 20～40,kPa，试验采用的循环振动荷载幅值分别为 20，30，40,kPa，此循环振动荷载是以正弦波的形式施加于土样上．

地铁运行时，地铁行车荷载传至隧道周围土体引起的动力响应是周而复始的循环响应，试验采用应力控制式正弦波方式循环加载模块．试验控制参数如表2所示．

表2 GCTS试验控制参数

试验方案：①将土样切制成高 200,mm，外径100,mm，内径50,mm的空心圆柱体，放置在三轴压力缸内，将缸体密封；②进行反压饱和，反压设定为 100,kPa，饱和时间 60,min，之后进行 B值检测，当B值达到0.98以上时则认为试样达到饱和；③等向固结，固结时间 24,h，轴向应变每小时小于0.05%,时则认为固结完成；④施加偏应力 qs并马上施加循环振动荷载，循环振动荷载采用正弦波的形式．在施加偏应力与施加循环振动荷载过程中，试样均不排水，振次均为4,000次，一共进行11组试验．

2 孔隙水压力的增长规律及对土体变形的影响分析

试验表明，土体孔隙水压力随荷载加载周期而变化，试验分析时采用的孔隙水压力值为每一循环周期的最大值．将室内 GCTS试验数据进行整理分析，得到孔隙水压力随振次增长的趋势．最具代表性的一组是在循环振动荷载幅值为 40,kPa、围压为210,kPa、振动频率为 0.5,Hz、振次 4,000次时所得数据，如图2所示(其它试验条件所得数据在下文图3、图4中有说明)．

从图2可以看出，土体孔隙水压力的增长趋势总体上表现为 3个阶段，分别为快速增长阶段、缓慢增长阶段、平稳阶段，如图2中 OA、AB、BC所示．在 OA阶段，循环振动荷载施加后，孔隙水压力迅速产生并直线快速上升，在很短的时间内(振次约1,000次时)即达到孔隙水压力极限值的50%,，但孔隙水压力的增长速率随振次的增加衰减很快，在该阶段末，增长速率趋于一个较稳定的值；在AB阶段初期，随振次的增加孔隙水压力仍上升较快但增长速率明显减慢；在 BC阶段，孔隙水压力几乎不再随振次的增加而上升，逐渐稳定在一个确定的值，这个值即为此应力条件下土体孔隙水压力上升的极限值．

图2 孔隙水压力随振次增长趋势

地铁行车荷载作用是通过轨道、衬砌结构传给隧道周围土体，且孔隙水的敏感度远高于土体骨架．因此，试验中循环振动荷载作用于试样时，土体中孔隙水将吸收大部分能量，致使孔隙水压力快速增长，土体有效应力快速降低，土体会发生弹性释放，此时土体还不会发生太大变形；随振次的增加，孔隙水压力逐渐趋于稳定，有效应力也趋于稳定，此时荷载的能量将主要由土体骨架承受，致使土体变形增加，严重时隧道结构将产生不均匀沉降．基于天津滨海软土试验所得结果与赵书凯等[11]对同样位于软土地区的上海地铁隧道周围土体的孔压变化规律的研究所得基本一致．

3 孔隙水压力变化影响因素分析

3.1 荷载幅值的影响

图3为频率为0.5,Hz、不同循环荷载幅值(20，30，40,kPa)时，孔隙水压力的发展变化规律．由图3可知，荷载幅值越大，土体会在越短的时间内产生较大的孔隙水压力，并很快趋于稳定，同时孔隙水压力的相应极限值也越大．

图3 不同荷载幅值下孔隙水压力的变化规律

3.2 振动频率的影响

考虑循环振动荷载最不利的情况，即取循环振动荷载幅值为40,kPa，频率分别为0.5，1.0，2.5,Hz时，在围压为 180，210，240,kPa三种情况下孔隙水压力随振动次数的变化规律，如图4所示．

图4 不同频率下孔隙水压力发展变化规律

从图4可以看出，在相同荷载幅值、围压及振次下，频率越大，土体孔隙水压力越小．分析认为，荷载振动频率越低荷载变化越慢，荷载作用在土体上的时间就越长，作用到土体上的动能就越多，土体则会产生更大的变形，而且孔隙水压力来不及消散，从而会产生较大的孔压．

3.3 围压的影响

不同的围压是不同土层深度的表现，因此围压对土体孔隙水压力的影响也就是土层深度对土体孔压的影响，以往关于土层深度对饱和软黏土的孔隙水压力的影响研究很少．为研究循环振动荷载作用下围压对土体孔隙水压力的影响，本试验考虑土样的取土深度，将围压值定为 180，210，240,kpa，同时考虑在最不利荷载幅值 40,kPa情况下，分别施加0.5，1.0，2.5,Hz的循环荷载，在相同的荷载幅值、振动频率及振次下，试验所得土体孔压在不同围压下随振次的变化规律如表3所示．

表3 不同围压下孔隙水压力发展变化规律

由试验结果可知，在其他条件相同时，饱和软土孔隙水压力随围压的增加而变大；在 0.5,Hz时孔压极限值基本可达到相应有效围压的 75%,，随振动频率的增加孔压极限值有所降低．

4 结 论

本文通过室内 GCTS试验，研究了循环振动荷载作用下，饱和软土孔隙水压力的增长变化规律，并进行了其各影响因素分析，得到以下结论．

(1)饱和软黏土的孔压发展规律及其极限值受频率、围压(土层深度)、循环振动荷载幅值等多种因素的影响，循环振动荷载下饱和软土的孔隙水压力的发展一般可分为快速增长阶段、缓慢增长阶段和平稳阶段3个阶段．

(2)在相同频率、围压、振次条件下，饱和软黏土的孔隙水压力随循环振动荷载幅值的增大而增大，且荷载幅值越大，土体会在越短的时间内产生较大的孔压，越快的趋于稳定，同时孔压的相应极限值也越大；在相同循环振动荷载幅值、围压、振次条件下，饱和软土的孔隙水压力随振动频率的增大而减小；在相同循环荷载幅值、频率条件下，饱和软黏土的孔隙水压力会随围压的增大而增大．

［1］ 张 曦，唐益群，周念清，等. 地铁振动荷载作用下隧道周围饱和软黏土动力响应研究[J]. 土木工程学报，2007，40(2)：85-88.

［2］ 唐益群，张 曦，赵书凯，等. 地铁振动荷载下隧道周围饱和软黏土的孔压发展模型[J]. 土木工程学报2007，40(4)：82-86.

［3］ MOSES G G，RAO S N，RAO P N. Undrained strength behaviour of a cemented marine clay under monotonic and cyclic loading [J]. Ocean Engineering，2003，30(1)：1 765-1 789.

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［5］ 魏新江，张 涛，丁 智，等. 地铁荷载下不同固结度软黏土的孔压试验模型[J]. 岩土力学，2014，35(10)：2761-2874.

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Experimental Study of Pore Pressure Development Rule in Littoral Soft Soil under Cyclic Loading

XIE Binglea，ZHANG Jianxina,b
(a. School of Civil Engineering；b. Tianjin Key Laboratory of Soft Soil Characteristics and Engineering Environment，TCU，Tianjin 300384，China)

The subway vehicle load will make the pore water pressure in soil around the tunnel change，thus causing soil deformation，even producing uneven settlement．It’s a great threat to the subway safety，so understanding the development rule of the pore pressure of soil under the subway vehicle load is very important．This paper is based on GCTS hollow cylinder testing system to test coastal soft soil，to study the development rule of the pore water pressure of soft soil under cyclic vibration load and analyze the influence of load amplitude，vibration frequency and confining pressure of soil to the pore water pressure．The results show that the growth regularity of pore pressure in soils is characterized by three phases including rapid growth，slow growth and smooth growth，and pore pressure will increase with the increase of number of vibration，cyclic load amplitude of vibration and confining pressure with different rate．On the contrary，the pore pressure will decreases with the increase of loading frequency.

cyclic vibration load；saturated soft soil；GCTS test system；pore water pressure

TU447

A

2095-719X(2016)05-0339-05

2015-05-10；

2015-06-29

谢兵乐（1988—），男，河北石家庄人，天津城建大学硕士生．