不同加载方式下饱和软黏土动力特性的试验研究

刘添俊，安关峰

(1. 广州市市政集团有限公司，广州 510060；2. 广州市市政集团有限公司市政工程技术研究院，广州 510060)

珠江三角洲水系发达，软土分布广泛，河堤数量众多，随着城镇化程度的不断提高，路网往往需要从河堤顶通过，在长期的交通荷载作用下，河堤路面出现了开裂、沉陷、坍塌等病害。因此，迫切需要对长期循环荷载作用下软土的动力特性展开深入研究[1,2]。

长期循环荷载作用下累积塑性变形、孔压变化、动模量和动阻尼比等是研究软土动力特性的主要内容。Yashuara K[3]，Fujikawa K[4]，CHAI J C等[5]和Hyodo M[6]分别开展了土体的动模量特性、动阻尼比特性和动累积塑性变形特性的研究，Parr等[7]从累积应变速率的角度出发建立了伦敦黏土与循环次数的双对数关系式。国内张勇[8]、黄茂松等[9,10]通过不排水动三轴试验，研究了交通循环荷载作用下饱和重塑软豁土的累积塑性应变发展形态，提出了饱和软豁土的稳定型累积塑性应变方程。丁伯阳等[11]通过一系列动三轴试验，得到了杭州软土的动应力～应变骨干曲线以及相关动力特性参数，并研究了土体结构性对参数的影响；蒋军[12]研究了茹土应变速率在循环荷载下的变化规律，考虑频率、超固结比及循环应力等因素的影响；刘添俊等[13,14]长期循环压缩荷载下饱和软黏土的累积应变速率进行了研究。

从以上国内外的研究现状中可以看出，循环荷载下的软黏土的动力特性问题已有不少研究，但研究的内容主要集中在一种循环荷载波形(通常是使用双幅对称的正弦波荷载，即循环拉-压荷载)的软土特性。本文将针对不同循环荷载波形，对珠三角地区典型的饱和软黏土分别进行了循环压缩试验与循环拉-压试验，通过对轴向累积应变发展规律和累积孔压变化规律的比较，分析了饱和软黏土在这2种循环荷载作用下的性状差异，探讨和研究饱和软黏土在循环荷载作用下的应变和孔压的变化规律，有助于分析长期循环荷载作用下软土地基受力响应的机理。

1 循环三轴试验

1.1 试验土样

图1 饱和软黏土的粒径级配累积曲线Fig.1 Grain size accumulation curve of soft clay

1.2 试验方案

试验的目的是着重比较分析不同加载方式下饱和软黏土变形规律，探讨循环荷载与土体变形的对应关系，为路面设计以及控制工后沉降提供理论依据。

本次试验是为了寻求饱和软黏土在循环荷载下的变形响应，因此试验停止的条件设为轴向应变达到15%(认为已进入塑性破坏)或轴向应变的变化趋于稳定(振动次数达到足够多次变形依然变化不大)。

因此加载频率的选取主要是出于对以下几个因素的综合考虑：①作用在软土地基上的行车交通荷载以低频分量为主，试验加载频率的选取应尽可能地接近实际荷载；②总结有关加载频率对饱和软黏土性状影响的研究成果，前人的研究显示在低频长期循环荷载作用下(频域为0.1～3.0 Hz)，加载频率对黏土应变和孔压的影响不大[10-12]。

在DDS-70微机控制电磁式振动三轴试验仪上对重塑的珠江三角洲饱和软黏土进行了循环荷载试验，利用该仪器提供独立的波形输入系统，改写了波形输入文件，使得仪器不仅可以进行常规的循环拉-压试验，还可以进行循环压缩试验。荷载的施加采用应力控制的方式，在循环荷载作用过程中试样处于不排水状态，加荷的频率为0.5 Hz，具体的试验控制参数见表1，表1中的σd为循环应力幅值。

表1 试验控制参数 kPa

为了比较分析试验土样在循环压缩荷载与循环拉-压荷载作用下的试验结果，由静三轴试验得不同固结压力下试验土样的不排水破坏强度：固结压力为50 kPa，su=86.1kPa；固结压力为100 kPa，su=128.4 kPa；固结压力为150 kPa，su=165.1 kPa。

2 试验结果及分析

2.1 循环压缩试验的试验结果

图2是试验土样在不同固结压力下循环压缩试验的轴向动应变与振动次数的关系曲线，图3(a)～(c)是试验土样在不同固结压力下循环压缩试验的孔压与振动次数的关系曲线。图2、图3中的R为循环应力幅值σd与固结压力的比值。

图2 饱和软黏土循环压缩荷载作用下的轴向应变～振次关系曲线Fig.2 Dynamic axial strain-cyclic number curves of saturated soft clay under one-way cycle loading

从图2和图3的试验结果可以看到，在给定的固结压力和动应力水平下，在加载初期，轴向累积应变和孔压增加较快，土体的轴向累积应变和孔压随加荷周数的增加而累积增长。当循环应力大于或小于某个应力值时土体对应于完全不同的应变发展规律与孔压发展规律，该应力值可以定义为对应固结压力和固结条件下的临界循环应力，当循环应力小于临界循环应力，循环达到一定次数后累积轴向应变和孔压趋于稳定；当循环应力大于临界循环应力后，应变和孔压随加荷周数的增加迅速增加，并且土体在加荷周数较少的情况下就达到破坏。

不同固结压力下，临界循环应力不相同，固结压力越大，临界循环应力越大。通过引入临界循环应力比，可以用不排水强度对临界循环应力进行归一化处理。临界循环应力比为rc=σd/su，σd为循环应力幅值，su为不排水强度，对饱和黏土在各个固结压力下的临界循环应力进行归一，结果见表2。珠江三角洲饱和软黏土在循环压缩荷载作用下的临界循环应力比约为0.60。

表2 各个固结压力下的临界循环应力比 kPa

图3 饱和软黏土循环压缩荷载作用下的孔压～振次关系曲线Fig.3 Pore pressure number curves of saturated soft clay under one-way cycle loading

大体而言，在同一固结压力下，孔压发展速率随循环应力幅值与固结压力的比值增加而提高，但土体破坏时的孔压值(对应于应变15%的孔压值)则相反。前一现象是因为在小幅值循环荷载作用下，土颗粒间的相互错动和位移较小，土体的剪缩过程较慢，因此孔压上升的速率也较慢；后一现象与孔压增长的累积效应以及软黏土孔压测量的滞后效应有关，一方面，孔压随振次不断累积增长，虽然动应力幅值越小，孔压增长速率越慢，但由于小幅值荷载作用下的破坏振次较大，最终的累积孔压也能达到较大值，另一方面，当动应力较大时，试样很快破坏，虽然破坏面孔压值较大，但该孔隙水压力来不及在土中重分布，导致孔压传感器所在位置的孔压要小于破坏面处的孔压，动应力越小，试样破坏所需的振次越大，土中孔压就有越多的时间进行重分布，孔压滞后效应就越小，测得的孔压值也就越接近真实值，因此测得土体破坏时的孔压值反而越大。

2.2 循环拉-压试验的试验结果

图4是试验土样在不同固结压力下循环拉-压试验的轴向动应变与振动次数的关系曲线。

图4 饱和软黏土循环拉-压荷载作用下的轴向应变～振次关系曲线Fig.4 Dynamic axial strain-cyclic number curves of saturated soft clay under tow-way cycle loading

从图4可以看到循环拉-压荷载作用下饱和软黏土在各固结压力下的轴向应变随振次增加的发展变化过程，土样在循环拉-压荷载作用的初期，轴向应变展缓慢，当循环荷载作用到一定次数后，应变曲线上会出现转折点，土样变形急剧增大，再经过很少的振次，土样就达到破坏。Seed等(1955年), Larew (1960年)，Sangrey (1968年), Mitchell和King (1977年)，Raymond等(1979年)以及陈颖平(2005年)用双幅对称的循环荷载对黏土进行的不排水循环荷载试验中都观察到这种现象，饱和软黏土在循环拉-压荷载作用下的破坏往往比较突然，具有脆性破坏的特征。

定义变形发展过程中出现的转折点应变为εz，将应变转折点对应的振次定义为Nz,土体轴向应变出现突然增大的转折点应变并不是定值，而是随所施加的动荷载幅值而变化，动应力幅值越大，则该转折点出现得越早，对应的应变εz也越大。这些应变转折点基本落在一条直线上，如图4中的虚线所示。εz与Nz之间的关系可以用直线方程来拟合：

εz=αlogNz+β

(1)

式中：α、β为拟合系数，不同固结压力下的α、β值见表3。

从表3可以看出，在不同的固结压力下，α、β的值变化不大，基本上保持为一常量。

表3 不同固结压力下拟合系数α、β的取值Tab.3 Value of α and β under different confining pressure

用饱和软黏土各固结压力下的不排水强度对转折点振次Nz与动应力幅值σd的关系进行归一处理，得到Nz～σd/su的关系曲线，如图5所示。从图5可以看到，各固结压力下，不同动应力幅值σd对应的转折点振次Nz和σd/su表现出合理的归一化，Nz～σd/su的关系曲线趋于一条稳定曲线，当荷载的循环次数很大时，σd/su趋于一个稳定值。可以把该值看作是饱和软黏土在循环拉-压荷载作用下的临界应力水平，当土体的应力水平小于该值时，不论循环拉-压荷载作用次数多大，饱和软黏土都不会发生破坏。从图6可以看到，在循环拉-压荷载作用下，饱和黏土的临界循环应力比约为0.16。与循环压缩荷载下的临界循环应力比相比，饱和黏土在循环拉-压荷载下的临界循环应力比要低得多。

图5 不同固结压力下饱和软黏土Nz～σd/su关系曲线Fig.5 Nz～σd/su curve of saturated soft clay under different confining pressures

图6 饱和软黏土循环拉-压荷载作用下的孔压～振次关系曲线Fig.6 Pore pressure number curves of saturated soft clay under tow-way cycle loading

从图6可以看到饱和软黏土在各固结压力下的孔压随循环拉-压荷载的循环次数变化而变化的过程。与轴向应变不同，无论循环荷载幅值多大，孔压均随振次不断上升，不具有在土结构破坏时突然变化的特征。孔压上升的速度，与循环应力水平有较大的关系，循环应力水平越大，孔压上升得越快；孔压的累积变化量与固结压力的大小有关，固结压力越大，累积的孔压就越高。

2.3 试验结果的比较分析

通过上述对饱和软黏土循环压缩试验与循环拉-压试验结果的分析，可以看到在这2种不同形式的循环荷载作用下饱和软黏土的动力特性有很大的不同。

在循环压缩荷载作用下，饱和软黏土的临界循环应力比要比循环拉-压荷载下的临界循环应力比大得多；同时，循环压缩荷载作用下饱和软黏土变形的累积效应更加明显。从累积应变和累积孔压随振动次数的发展规律来看，循环压缩荷载作用下，当动应力小于临界动应力，饱和软黏土的轴向应变与孔压在加载初期不断地累积增大，加载循环达到一定次数后累积轴向应变和累积孔压趋于稳定；而当动应力大于临界动应力，应变和孔压随加荷周数的增加迅速增加，并且在加荷周数较少的情况下就达到破坏值。在循环拉-压荷载作用下，饱和软黏土的累积轴向应变，在土的结构破坏时会出现突然变化，呈现出脆性破坏的特征；然而，与动应变不同，孔压不具有在土结构破坏时突然变化的特征。

关于饱和软黏土在这2种不同循环加载方式下轴向累积应变发展规律的差异，可以从饱和软黏土的软化机理来分析。在循环拉-压荷载作用下饱和软黏土软化的机理主要是饱和软黏土在循环拉-压荷载作用下孔压随振动次数增加而不断增大，土体的有效围压不断减少，饱和黏土产生了减压软化；由于出现应力反向，对饱和黏土颗粒间的胶结链产生了较大程度的破坏，土体发生了较明显的损伤软化。循环拉-压荷载作用下饱和软黏土的破坏是减压软化与损伤软化共同作用的结果，是一种渐进损伤破坏。在损伤破坏的条件下土体结构的变化伴随着应变的发展，累积应变曲线上转折点的出现标志土体结构即将出现坍塌性破坏。在转折点出现以前，饱和软黏土的土体结构还保持得较完好，通常这个过程中土体在循环拉-压荷载作用下的变形并不大，因此转折点上的轴向累积应变较小。在循环压缩荷载作用下，土体中不会出现反方向的应力，颗粒间胶结链破坏的程度远小与循环拉-压荷载作用下的情况，即循环压缩荷载作用下土体的损伤软化特征不明显。土体的软化主要包括减压软化与剪胀软化，减压软化是由于孔压随振动次数增加而不断增大，土体的有效围压不断减少而造成的，剪胀软化是与剪胀过程中颗粒组构变化有关的一种软化，反映颗粒接触面状态的变化，在循环压缩荷载作用下，由于是单向加载，土体的偏应力只发生在压缩一侧，使颗粒之间很容易沿某一方向错动或滑动而形成剪切面造成内摩阻力减小，相当于黏土摩擦强度中颗粒咬合力的丧失。由于摩擦强度的发挥需要较大的应变，因此循环压缩荷载下饱和软黏土的临界应变要比循环拉-压荷载下大得多。同时由于土体的偏应力只发生在压缩一侧，致使饱和软黏土在循环压缩荷载下轴向应变的累积效应要明显得多。

比较2种循环荷载下孔压随振动次数的变化规律，可以发现：在循环压缩荷载作用下，饱和软黏土的孔压发展规律与其轴向应变的发展规律相似；在循环拉-压荷载作用下，孔压发展规律与轴向应变不同，孔压随振次不断上升，不具有在土结构破坏时突然变化的特征。参照上面可以看到，大体上饱和软黏土的孔压在循环拉-压荷载条件下发展得较快，当轴向应变达到15%时，孔压的发生量为80%～90%；在循环压缩荷载作用下，当轴向应变达到15%时，饱和软黏土的孔压发生量为60%～70%。这是由于饱和软黏土在循环拉-压荷载作用下，土体内会出现反方向的剪应力，剪应力反向将会增加动孔压的累积。

3 结 论

针对前言工程背景提及的河堤路面病害问题，本文的试验结果可以为病害的防治提供有益的参考。

(1)通过引入临界循环应力比，可以用不排水强度对临界循环应力进行归一化处理。在其他条件相同的情况下，试样循环压缩荷载下的临界循环应力比约为0.60，循环拉-压荷载下的临界循环应力比约为0.16。

(2)土体内会出现反方向的剪应力,会增加动孔压的累积，对于饱和软黏土，孔压在循环拉-压荷载条件下发展得较快，当轴向应变达到15%时，孔压的发生量为80%～90%；在循环压缩荷载作用下，当轴向应变达到15%时，饱和软黏土的孔压发生量为60%～70%。

(3)作用在土体上的交通荷载，其作用形式比较复杂，其表现形式有循环压缩、循环拉-压、主应力轴旋转等，但通过试验结果的比较，在进行河堤路面设计时，可以偏保守地选用循环拉-压荷载的试验结果。

(4)根据临界循环应力比和土质情况，确定交通荷载扩散到每层土层中的允许循环应力，根据作用在路面上循环荷载的大小以及该允许循环应力，就可以为设计确定路面和基层的厚度以及刚度提供计算依据。

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