循环荷载下土体动应力响应特征及pH值变化对其影响

巫燕萍赵占仑赵 璐陈浩昆

(1.中山大学 地球科学与工程学院，广东 珠海 519082;2.广东省地球动力作用与地质灾害重点实验室，广州 510275)

1 研究背景

土中的动附加应力(简称动应力)是土中的一种结构内应力，区别于单元体试验(如三轴试验)的外荷载。土中动应力响应的累积现象是循环荷载作用下土体动力行为的重要特点之一，土中的动应力响应会影响土体的变形行为。目前，对于循环荷载对土体影响的研究常采用单元体试验(如三轴试验)，试验中认为施加的外荷载即为土体的应力，这样土体在完全卸荷后土中的应力也为0，即土体无残余应力，但大量的试验表明，土体在卸荷过程中普遍存在残余应力[1]。在循环荷载作用下，土中的残余应力会叠加至后续的动应力响应中，使得土中的动应力累积增大[2-4]。

已有的关于循环荷载的文献中，大多集中在动弹模量和阻尼比[5]、孔压和应变累积[6-9]、应力-应变关系[10]等方面。此外，有关循环荷载下动应力响应的研究也取得一定的成果，如杨觅等[11]通过数值模拟研究地铁荷载作用下地裂缝邻近土中动应力的分布规律及影响范围。郭志飞等[12]基于数值模拟和现场试验分析了路基动应力在深度和横断面方向上的变化。卢正等[13]通过三维分层地基模拟研究了土层厚度对路基动应力的影响。但这些研究的重点为动应力在空间上的传递规律，而对动应力在时间上的发展规律缺乏关注。近年来，也有一些原位监测试验[14-15]、场地试验[3，16-17]和模型试验[18-19]研究记录了在反复荷载下，路面垫层或者路基土中的动附加应力随着循环荷载进行的响应情况，但是上述研究并不深入，有关这方面的文献依然很少。

本文试验材料选取广东地区普遍作为路基填土的花岗岩残积土，通过自制的试验装置开展室内循环试验来研究土中动附加应力响应的特征，并通过不同pH值试样内动应力测量来研究pH值差异对动应力累积效应的影响。

2 室内循环荷载试验

2.1 试验材料

试验材料为重塑花岗岩残积土。土样的天然含水率为28.0%，天然密度为1.90 g/cm3，孔隙比为0.78，液限为40.0%，塑限为23.5%，压缩系数为0.40 MPa-1，黏聚力为15.1 kPa，内摩擦角为25.8°。天然状态下花岗岩残积土的酸碱度pH值约为5.6，属于弱酸性。

2.2 试验仪器及试验方法

本文研究的动应力是材料内部的应力响应，应力测量采用土中埋设土压力盒的方法，尺寸为直径30 mm，厚度为8 mm，精度为0.01 kPa，最大量程为50 kPa，土压力盒连接数据采集仪来读取和存储实时动态数据。

试验装置为自主设计的循环荷载作用下土体动应力测量装置，如图1[20]所示。首先，将一定量的土分层填筑入刚性圆筒，圆筒尺寸如图2(a)所示。土压力盒水平地埋置在土样中心处，测量竖向的土压力。利用千斤顶和测力环施加预压荷载压实土样，测量压实后土体的高度。将试样连圆筒一起安装在杠杆压力仪上，进行循环荷载试验。小型电动激振器控制输出循环荷载，通过杠杆压力仪作用于试样上。本试验在土样压密时对整个土样面积施加压力进行压密，但为了减小侧壁摩擦的影响，仅对土体中心部位(图2(a)和图2(b)中的A部分)进行循环荷载试验。循环荷载的波形为梯形波，加载频率为0.10 Hz。

图1 室内循环荷载试验仪器示意图[20]

图2 加载条件[20]

2.3 试样制备

本文用盐酸和氢氧化钠溶液来配制不同pH值的试样。首先进行前期的酸碱度调制，取少量土样(100 g)按照酸碱度测试方法，往土样悬浮液中滴加盐酸或氢氧化钠溶液，使土悬浮液的酸碱度达到目标pH值，记下滴加的盐酸或氢氧化钠溶液的量，这个量对应100 g的土样。制备试验样品时即根据目标含水率和目标酸碱度，按照比例加入盐酸或氢氧化钠溶液和纯水，均匀搅拌揉搓，密封反应24 h；测定所制土样的酸碱度和含水率，pH值误差<±0.1、含水率误差<±1%即可视为调土成功。

2.4 试样方案

本文共设计了6组试验，编号分别为试样1—试样6，每组试验参数如表1所示。

表1 室内循环荷载试验方案

3 试验结果与分析

3.1 土的附加应力与变形响应

图3为循环荷载下试样3(pH值=5.6)的动附加应力和竖向变形随循环加载次数的变化曲线。试样的动应力响应和变形响应具有较相似的变化规律，都在加载的初始阶段迅速增大，随着循环次数的增加，累积速率变小，最后增长渐趋平缓。其他组试验结果也有相同的规律。因为试验整个过程中花岗岩残积土试样都处于非饱和状态，所以土中的动应力累积并非来源于超孔隙水压力的增长。

土中的动应力响应的累积现象与土体卸荷后的残余变形有着本质上的联系。在外荷载作用下土体发生压密作用，土体内产生内应力储存于土颗粒之间；卸荷后土体发生弹性回弹，土体中部分内应力逐渐释放。土颗粒错位和多种矿物颗粒弹性性能不一，使得卸荷后的土体内出现残余应力。因为土体的变形回弹具有弹性后效特性，每次卸载后土体回弹变形和内应力释放具有时间效应，在循环荷载的重复作用下，未释放的内应力(残余应力)将叠加到后续的加载循环中。当下一次荷载作用于土体时，土颗粒发生更大程度的变形、位移和旋转，颗粒进一步错位、内锁造成更大程度的结构应力。再次卸荷后，土中留有更大的残余应力。峰值应力的增加，也源于不断增长的残余应力叠加至加载时的动应力响应中。总体上表现为：随着循环次数的增加，每次加卸载循环后土体累积变形增大，残余应力累积增多，加载时土中的峰值应力也不断增大，如图4所示。循环荷载试验中测得残余应力和峰值应力发生累积的现象符合其他研究者[3,14-15]测得的试验规律。土体的竖向变形的变化规律也符合已有的研究结果[8-9]。

图4 土中动应力累积机理示意图

对比图3中动应力响应曲线和竖向变形响应曲线发现，尽管试样的塑性变形在不断发展，但动应力响应仅在前约700个循环中发生累积，之后的循环荷载下基本达到了稳定。土中残余应力虽会累积增长但不会无限地增长，会趋于稳定值。在加载后期，发生了“新的”累积变形，不一定有“新增的”残余应力累积。土体塑性变形累积使土体变密实，有利于应力在土体颗粒间的传递，也有利于土体卸载后的内应力释放，减小了残余应力的累积[21]。

图5 不同酸碱度试样的竖向变形响应

3.2 酸碱度变化对土中附加应力与变形响应的影响

图5为循环荷载下不同酸碱度试样的竖向变形量。对比未经酸碱处理(pH值=5.6)的试样，酸性和碱性试样在循环荷载下的竖向累积变形和回弹变形都有所增大，且酸碱的浓度越大，累积变形和回弹变形增大得越多。对比酸性处理后的试样，碱性处理对土体循环荷载作用下的竖向变形的影响更明显。尽管循环荷载下土体的变形行为与静荷载下土体的变形行为不同，但是其他条件相同的情况下，土体的压缩性越大，循环荷载下土体的应变累积也越显著。大量的研究结果表明，尽管酸碱处理后土体的塑性、黏粒含量、颗粒定向性等性质表现出复杂的规律，但其压缩性是普遍增大的[22]，且酸碱的浓度越大，压缩性变化越显著，这也就解释了不同酸碱度处理后试样的竖向变形响应大小的变化规律。

循环荷载下不同酸碱度土体的动应力响应见图6。对比未经酸碱处理的土体，加载时，酸和碱处理过的试样内部动应力响应的峰值应力增大；卸载时，碱性处理过的试样其内部动应力响应的残余应力增大。碱性处理的花岗岩残积土在循环荷载下的内部动应力响应明显增大，且碱性越强，这种增大的趋势越明显。相对而言，酸性处理的花岗岩残积土内部的动应力响应变化较小，峰值应力相对有所增大，但残余应力稍有增大(试样2)或略有减小(试样1)，总体上酸性处理后土中的动附加应力响应变化不大。

图6 不同酸碱度试样的动附加应力响应

碱处理后的土体有利于残余应力的产生和积聚，而酸处理后的土体则不同，这可能跟酸碱处理后微观结构有关。因为酸碱处理后颗粒定向性改变、矿物颗粒表面的结合水面厚度变化、黏粒含量的改变[23]都会影响矿物颗粒之间的变形协调问题，从而影响土中残余应力的大小。酸处理后土中动应力响应的残余应力变化不大，但峰值应力明显增大是因为影响动应力响应中峰值应力大小的因素主要有2个：前期荷载作用后土中残余应力的大小和当前循环加载后土中的应力增量。酸处理后土体的回弹变形比未经酸碱处理的土体大，所以在加载时的应力增量也大。因此，酸处理后土中动应力响应的峰值应力会增大，同理，碱处理后土体也具有相同的规律。酸碱度的差异对花岗岩残积土的动应力响应和变形行为均有较大影响，所以实际工程中应对此问题予以重视。

3.3 应力-应变曲线分析

为了区分，这里将外部施加在土体试样表面的应力称为外荷载，在土体内部测得的动附加应力称为内附加应力或动附加应力(简称内应力或动应力)。图7(a)和图7(b)分别为循环荷载下土体的外荷载和内应力与应变的关系曲线。图中加载和卸载过程曲线并不重合,反映了土体材料的滞后性。外荷载曲线中加载过程曲线在卸载过程曲线的上面，如图7(a)所示；而内应力曲线刚好相反，卸载过程曲线在加载过程曲线的上方，如图7(b)所示。上述结果说明动应变滞后于外荷载，而内应力又滞后于动应变。图7(a)中的曲线所围图形面积明显比图7(b)中的大，说明动应变对外荷载的滞后性比内应力对动应变的滞后性更明显。

图7 循环荷载下土体的动应力-动应变关系曲线(第2—第4个循环)

跟焦贵德等[24]的研究结果一样，应力-应变曲线所围成的封闭图形随着循环荷载的进行往应变增大的方向移动；图7(b)中曲线围成的封闭图形除向应变增大的方向移动外，还向应力增大的方向移动，说明循环荷载下的土体不仅应变会发生累积，应力也会发生累积。随着循环荷载的进行，每个循环产生的塑性变形很小，前后滞回圈会基本重合在一起[24]。

前人的研究中通常用滞回圈所围的面积大小来反映代表每个循环下能量耗散的大小，滞回圈面积的缩小表示耗散的能量在减小；耗散的能量一部分因摩擦转化为热能，另外一部分储存在试样中，微观上表现为土颗粒的变形、位移、旋转和土体力链的变化，宏观上变现为试样应变[25]和附加应力的累积。因此，图7(b)中内附加应力与动应变曲线所围封闭图形面积的大小也能用来反映循环荷载作用下土体内所积累的能量的多少。

4 结 论

本文利用盐酸和氢氧化钠溶液配置不同酸碱度的土体，通过室内循环加载—卸载试验来研究循环荷载下土中动应力响应特征及酸碱度变化对土中动应力响应的影响，得出以下结论:

(1)循环荷载下土中动附加应力响应和土体的变形响应都随着循环次数的增加而增大，但是动应力响应比变形响应更快达到相对稳定值，土体变形的累积不一定导致土中动应力的累积。

(2)循环荷载作用下经酸碱处理过的试样的累积变形和回弹变形都明显比未经酸碱处理的大；且酸性和碱性越强，累积变形和回弹变形增大的幅度越大。

(3)循环加载时，经酸碱处理过的试样内部动应力响应的峰值应力相对于未经酸碱处理的试样显著增大。循环卸载后，经碱处理过的试样残余应力也相对未经酸碱处理的试样增大，且随着碱性的增强，峰值应力和残余应力增长的幅度越大；经酸处理过的试样残余应力则变化不大或略有减小。

(4) 在内附加应力与应变的关系曲线中，卸载曲线在加载曲线的上方，刚好与常见的滞回圈(外荷载与应变关系曲线)中加载曲线在上且卸载曲线在下的情况相反，说明了动荷载下的土体内部的附加应力滞后于应变，应变又滞后于外荷载的特点。同时，内附加应力与动应变曲线所围封闭图形的面积大小也能用来反映在循环荷载作用下土体内所积累的能量的多少。