循环动荷载下软粘土孔隙水压力影响因素探讨

王世彪陈庆丰付立峰

1. 广东有色工程勘察设计院 广东 广州 510080

2. 辽宁省化工地质勘查院 辽宁 锦州 121000

岩土工程

循环动荷载下软粘土孔隙水压力影响因素探讨

王世彪*1陈庆丰2付立峰2

1. 广东有色工程勘察设计院 广东 广州 510080

2. 辽宁省化工地质勘查院 辽宁 锦州 121000

通过不同循环加载条件下模型试验和现场原型监测试验，研究在交通荷载条件下孔隙水压力累积特性及发展规律，探讨路基软土在循环动荷载下产生累积特性的原因和主要影响因素，通过试验分析得出了交通荷载下路基软土中孔隙水压力累积特性、发展规律以及影响累积特性的主要因素。

循环动荷载 交通荷载 孔隙水压力 路基软土 发展规律

1 引言

交通荷载作用下软粘土中孔隙水压力的产生、发展、消散及累积规律较为复杂，其影响因素很多，根据室内模型试验结果和原位监测试验结果分析，除了土体的物性（如土体类型、扰动程度、含水率、塑性指数、孔隙比等）外，还受荷载强度P、行车速度v、循环加载次数N的影响；另

外对章克凌【1】、周建【2，4】、陶振宇【1】、刘胜群【3】、吴建奇【3】等所做的动三轴循环荷载试验结果的综合分析，孔隙水压力的产生、发展、消散及累积规律还受土体循环应力比η、超固结比OCR、频率f、主应力方向角α等因素的影响。

通过对广东省某高速公路试验段进行的原位监测，就上述几个影响因素，基于模型模拟试验结果，对循环动荷载下路基软土的孔隙水压力的产生、发展、消散及累积规律进行探讨。

2 室内模型试验与野外现场监测

2.1 室内模型试验

本试验的模拟路基土采至广东某高速公路软基段施工场地，为淤泥质粉质粘土，取样深度2m，呈柱状，可塑，采用薄壁取土器，土试样质量等级为Ⅰ级。通过室内常规物理力学试验，得到土的物理力学性质指标如下：土的重度γ=16.8kN/m3,孔隙比e=1.808,含水量w=46.2%,液限wL=48%,塑限wP=27%,密度ρ=1.68g/cm3,塑性指数IP=21,粘聚力 c=2.8kPa,内摩擦角φ=12.80。通过几何相似与物理相似原理的分析，结合实际试验条件以及试验的可行性和可操作性，本文模型模拟试验是在 1.2m×1.0m×1.2m（长×宽×深）的坑道内完成的，引导车道总长8.0m，引导车道中轴线位置设置导槽。试验过程中总共埋设3个动土压力盒，埋设深度分别基层底面以下 15.0cm、45.0cm和85.0cm；埋设3块沉降板，沉降板由正方形底板（长×宽×厚= 3.0m×3.0m×0.2cm）与长杆（φ=1.0cm）焊接制成，长度分别为 85.0cm、100.0cm和120.0cm，埋设深度与动土压力盒位置对应基层底面以下15.0cm、45.0cm和85.0cm；埋设孔隙水压力计1个，埋设深度为基层底面以下 15.0cm。不同荷载等级采用铁砝码进行加载，砝码加载等级分别为10.0kg、30.0kg和50.0kg。当软粘土预压固结完之后，模拟交通荷载进行循环动荷载试验。试验循环加载次数为1～300次，

* 第一作者简介：王世彪（1968～），男，主要从事水工环地质、岩土、工程勘察工作，高级工程师

表1 循环动荷载试验参数Table 1 Parameters of cyclic dynamic load test

试验内容包含两部分：常规物理力学性质试验及模拟交通荷载作用的循环动荷载试验。常规物理力学性质试验：在循环动荷载车辆加载前、后分别取样进行试验，用于对比分析车辆加载前、后路基土各物性指标的变化，确定车辆加载对路基土的力学性质的影响程度。通过模拟交通荷载作用的循环动荷载试验，确定循环动荷载下路基土中动孔隙水压力的累积效应及规律。确定动孔隙水压力累积的控制因素及其影响规律，主要包括加载次数、车辆载重、车速及路基深度等4个方面。

2.2 野外现场监测

为验证模型模拟试验中动应力累积数据的可靠性和精确性，选取广东省某高速公路某软基标段作为本次原型监测的试验段。动应力数据的量测采用陶土式动土压力盒，采集仪器为配套的HCU-1型多路高速数据采集仪。

3 结果分析

3.1 循环应力比η对孔隙水压力u的影响

循环孔隙比η分别取0.15、0.30、0.50、0.70所对应震动次数N与孔隙水压力u的关系（图1），由图1可以看出：对应于同一加荷周数随着循环应力比的增大，孔隙水压力也不断增大，当循环应力比较小时，随着加荷周数的增加，土体的应变、孔隙水压力逐渐增加，但增加的速率并不快，应变、孔隙水压力在较大的加荷周数下达到破坏值；当循环应力比逐渐增加到某一值时，孔隙水压力和应变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很快破坏。

图1 不同循环应力比η下震动次数N与孔压比u的关系【3】Fig.1 Diagram of vibration times (N) vs. pore pressure ratio (u) under different cyclic stress ratio (η)

3.2 循环加载次数N对孔隙水压力u的影响

循环加载次数N 与 孔隙水压力u关系曲线如图 2，可以看出：在较小荷载强度下，随着循环加载次数的不断增加，孔隙水压力不断增长，在加载次数较少的情况下，孔隙水压力较小，但发展迅速，孔隙水压力累积的速率较大；在较大荷载作用下，随着循环加载次数的增加，孔隙水压力发展迅速，累积速率逐渐减小，孔隙水压力持续累积，其累积总量逐渐增大。

图2 循环加载次数N 与 孔隙水压力u关系曲线Fig.2 Diagram of cyclic load times (N) vs. pore pressure (u)

3.3 荷载强度P对孔隙水压力u的影响

不同荷载强度P下循环加载次数N-孔压u关系曲线由图3可以看出：在较小荷载作用下，孔隙水压力累积趋势由快变慢，累积速率逐渐减小，孔隙水压力最终趋于稳定；在较大荷载作用下，孔隙水压力累积趋势一直在增大，累积速率逐渐减小，孔隙水压力持续发展，直至土体破坏。

图3 不同荷载强度P下循环加载次数N-孔压u关系曲线Fig.3 Diagram of cyclic load times (N) vs. pore pressure (u) under different load strength (P)

3.4 行车速度v对孔隙水压力u的影响

不同行车速度v时循环加载次数N -孔压u关系曲线由图4可以看出：在荷载强度和加载次数相同的情况下，随着速度的增大，路基软土中的孔隙水压力逐渐增大；各孔隙水压力累积曲线的增长趋势比较一致，不同速度下的孔隙水压力累积速率较接近，随着荷载次数的增加，累积速率逐渐减小。

图4 不同行车速度v时循环加载次数N -孔压u关系曲线Fig.4 Diagram of cyclic load times (N) vs. pore pressure (u) under different vehicle speed (v)

3.5 超固结比OCR对孔隙水压力u的影响

不同超固结比下孔隙水压力与振动次数的关系曲线如图5所示：当循环应力水平较低时，超固结比对孔隙水压力的影响大，土样达到破坏时孔隙水压力有比较大的降低；而当循环应力水平较高时，由正常固结土到超固结比为2时，孔隙水压力变化明显，但随着超固结比的增加，孔隙水压力变化却越来越小。

图5 不同超固结比下孔隙水压力与振动次数的关系曲线【3】Fig.5 Diagram of pore pressure vs. vibration times under different over-consolidation ratio

3.6 频率f 对孔隙水压力u的影响

循环应力比为0.35时频率对孔隙水压力的影响曲线由图6可以看出，对应于相同的加荷周数，频率较低，产生的应变越大。可以这样认为，象波浪作用和交通荷载这种长期荷载，可以认为频率的影响很小，而对于地震荷载作用，由于加荷频率较小，加荷周数较少，必须考虑频率的影响。

图6 循环应力比为0.35时频率对孔隙水压力的影响【4】Fig.6 Diagram of frequency vs. pore pressure under cyclic stress ratio 0.35

4 结论

本文根据室内模型试验和原位监测试验的结果，探讨了循环动荷载下孔隙水压力累积特性及发展规律，分析了循环加载次数N，行车速度v，荷载强度p，循环应力比η，超固结比OCR，频率f对动动孔隙水压力的产生、发展、累积和消散规律的影响，为类似工程的设计及施工积累了宝贵的资料。

1 章克凌, 陶振宇. 饱和软粘土在循环荷载作用下的孔压预测[J]. 岩土力学, 1994, 15 （3）: 9～17

2 周建, 龚晓南, 李剑强. 循环荷载作用下饱和软粘土特性试验研究[J]. 工业建筑, 2000, 30（11）: 43～47

3 刘胜群, 吴建奇. 循环荷载作用下饱和软粘土孔隙水压力变化规律的试验研究[J]. 铁道建筑, 2007, （1）: 68～70

4 周建. 循环荷载作用下饱和软粘土的孔压模型[J]. 工程勘察, 2000, （4）: 7～10

Influencing factors on pore water pressure of soft clay under cyclic dynamic load

Wang shibiao1Chen Qingfeng2Fu Lifeng2
1.Guang Dong Nonferrous Metals Engineering Investigation Design Institute, Guangzhou, 510080 2. Liaoning Chemical Geology Prospecting Institute, Jinzhou 121011, China

Through the model test and field prototype monitoring experiment under different cyclic load, we research accumulation characteristics and development law of pore water pressure under the traffic load, and we discuss the causes and main factors of accumulation characteristics of soft clay in subgrade under cyclic dynamic load. And then we get the accumulation characteristics, development law of pore water pressure of soft clay in subgrade under the traffic load, and main factors of accumulation characteristics.

cyclic dynamic load，Traffic load，Pore water pressure，soft clay in subgrade，development law

U416.1

A

1006–5296（2017）01–0061–04

2016-07-16；改回日期：2016-07-16按3种车重、3种车速分别进行，共9组试验，每组试验做2～3次。