不同结构强度软粘土的动孔压特性试验研究

陈颖平，黄博

（1.武夷学院 土木工程与建筑学院，福建 武夷山 354300；2.浙江大学 建筑工程学院，杭州 310058）

我国东南沿海分布着广泛的软土地基，在地震、交通、波浪等循环荷载作用下，软粘土中会产生孔隙水压力，孔压过高易引起土体强度降低和软化变形[1-2]。岩土工程施工过程中，土体往往受到扰动，其孔压发展规律将发生改变[3]；另一方面，为了提高土体的动强度，工程上常采用注浆的方法来改良地基，地基土注浆后的动孔压累积特性是否发生明显变化，也是一个值得关注的问题。前人对软粘土的动孔压问题进行了诸多研究[4-11]，但极少涉及上述三种土样的动孔压特性比较比较分析。为此，本文笔者利用浙江杭州某原状与重塑粘土试样以及掺了水泥的粘土重塑样在不同固结压力下进行了一系列的循环三轴试验，比较分析了这三类土在循环荷载作用下动孔压发展的规律，探讨了土结构性对孔压增长规律的影响。

1 试验内容和方法

试验土样取自杭州某砖窑厂拆迁地块一定深度处的土体，取样尺寸为30 cm×30 cm×25 cm。试验是在HX-100 气压伺服式多功能三轴仪上进行的，采用应力控制式加载方式，加载波形采用正弦波。由压缩固结试验确定试验土体的先期固结压力和结构屈服应力分别为80 kPa 和160 kPa，因此，本文即采用这两个压力值作为循环三轴试验的固结压力。土样的基本物理性质指标见表1。

试验土样分为原状样、重塑样及掺质量百分比分别为2%，3%，4%，6%的普通硅酸盐水泥试样。重塑样及摻 水泥试样的干密度与原状样相同。试样高度为8.0 cm，直径均为3.91 cm，采用真空抽气饱和（掺2%水泥的试样则是在抽真空饱和后在常温常压下养护24 h），在80, 160 kPa 压力下固结24 h，然后在不排水条件下施加频率为1Hz 的循环荷载。

2 试验结果与分析

2.1 原状样在不同动应力幅值下动孔压随振次变化关系曲线

图1 为原状土样归一化孔压随振次的变化曲线。由该图可以看出，在两种固结压力下，当动应力比较 小时（如1(a)图中σd/σ0’=0.391 和图1(b)中σd/σ0’=0.259 的情况），虽然孔压增长速率相对较慢，但孔压处于不断上升的趋势中，此时孔压的发展大致存在着3 个阶段：第1 阶段，孔压的发展速率较慢，孔压曲线较为平缓，随着循环振次的增加大致呈线性增长；进入第2 阶段，孔压的发展速率开始加快，当进入第3 阶段后，孔压上升的速率进一步加快，在相对较少的循环振次下就达到较高的值。这是因为原状土具有较强的结构性，在较小的动应力作用下，土的结构不易较快破坏，土颗粒之间的相对位置变化的较慢，土体的剪缩过程进行的较慢，因此孔压上升的速率也比较慢；一旦土体结构受到损伤乃至破坏，土颗粒间将较容易产生相对位移，土体强度也不断降低，土中水承受的压力就不断增大，导致孔压持续升高。

图1 原状粘土在不同动应力幅值下的动孔压-振次关系曲线

当动应力比较大时，孔压的发展速率也较快，此时的动孔压发展也可分为3 个阶段，前两个阶段与动应力幅值较小时的情形相似，差别在于第3 阶段，在该阶段土体中孔压的发展速率趋于平缓（如图1(a)中σd/σ0’=0.598 以及图1(b)中σd/σ0’=0.515, 0.412 的情况），且最终达到的孔压比也较低，基本不超过0.7。两种固结压力下，当动应力比很大时（如图1(a)中σd/σ0’=0.79 以及图1(b)中σd/σ0’=0.594 的情况），土体最终的累积孔压值较低，尤其是固结压力等于160 kPa 时，动应力幅值较大时的土体孔压只达到固结压力的0.2～0.3倍就不再升高了，其最终孔压值显著小于应力幅值较小时的情况。本文认为这一方面是因为在较大动应力作用下（尤其是在结构屈服压力下固结时），土体很快产生破坏，孔压来不及累积增大；另一方面，在动应力较大的情况下，土样破坏时往往容易形成贯通的破裂面，土中水能排到土样外围，试验中包围土样的橡皮膜具有向外侧扩张的弹性，这能够明显降低孔隙水压力。

2.2 粘土重塑样在不同动应力幅值下动孔压随振次变化关系曲线

图2是粘土重塑样的动应变-振次关系曲线，可以看出，在小幅值动应力情况下，粘土重塑样的孔压发展变化规律与原状样类似，也存在着3个阶段。而且随着动应力幅值的增大，孔压的发展速率也是不断加快。小应力幅值作用下的土体最终孔压值也还是比大应力幅作用下的大。与原状样有所不同的是，当动应力幅值较大时，虽然土样也是在较少的循环振次内破坏，但其孔压发展仍呈上升趋势，而不是像原状土那样趋于稳定。

图2 萧山粘土重塑样在不同动应力幅值下的动孔压-振次关系曲线

2.3 掺水泥的粘土重塑样在不同动应力幅值下动孔压随振次变化关系曲线

图3是掺质量百分比为2%水泥的粘土重塑样在不同动应力幅值下的动孔压-振次关系曲线。由该图可以看出，该试样的孔压发展规律兼具了原状样和重塑样的一些特性，在固结压力较小的情况下（80 kPa），其孔压特性较接近于重塑样，孔压上升的速率随着动应力的增大而增大，且大致也分为3个阶段；而当固结压力较大时（160 kPa），其孔压发展形态则更接近于原状样，孔压发展速率并非完全随着动应力的增大而增大，当施加的动应力幅值较大时（图3(b)中σd/σ0’=0.619的情况），孔压的发展速率及峰值反而有所降低。究其原因，笔者认为这可能是与土样本身的结构性强弱有关。由于掺入的水泥量较少，在80 kPa的围压下固结后，土样形成的结构还不是很强，土结构性更接近于重塑样，所以其孔压性状也更接近于重塑样。而在160 kPa围压下固结24 h后，土体的结构性增强了，这样它表现出来的动孔压特性也就更接近于强结构性土，因此其孔压变化规律与原状土样类似。试样的动强度结果也验证了笔者的这个推论，在固结压力为80 kPa时，重塑样和水泥样的动强度较接近，均明显小于原状样，表明此时水泥样的动力特性更接近于重塑样；而当固结压力为160 kPa时，水泥样的动强度高于原状样，表明该试样此时已具有类似于原状样的结构强度了。

图3 掺质量百分比2%水泥的粘土重塑样在不同动应力幅值下的动孔压-振次关系曲线

无论在哪个围压下固结，掺质量百分比2%水泥的重塑样在动应力比很大时，孔压最终都有趋稳的特点。为了进一步了解掺水泥重塑样的这个特性，笔者又采用掺了质量百分比分别为3%, 4%, 6%水泥含量的重塑样在80 kPa固结压力作用下进行了循环荷载试验，结果如图4所示。

由图4可以看出，掺水泥重塑样的孔压增长速率随动应力增大而增大，这点与重塑样类似。但当动应力比相对较大时，孔压最终有趋稳的特性，这与掺质量百分比为2%水泥的重塑样及原状样相似，表明具有一定结构性的软土在大动应力幅值作用下的孔压发展规律与重塑样存在着不同之处。但这些土样在小幅值动应力作用下都存在着一个共同点，即它们的孔压随振次增加呈不断上升的趋势，这表明在小振幅循环荷载的长期作用下，软基土体无论是否受到扰动或注浆处理，其孔压均将持续增长，这将导致土体中的孔压消散亦将持续很长时间并可能引起较大的变形，这或许是目前兴建在软基的地铁和高速公路在通车后发生长期持续沉降的原因。

图4 不同水泥掺量的粘土重塑样的动孔压-振次关系曲线

图5比较了3种土样在相近动应力作用下的孔压增长情形。由该图可以看出，在固结压力和动应力基本相同的情况下，具有不同结构性的土样其孔压发展规律也存在着较明显的差异，已有的孔压模型均无法反映出这种特性，今后将考虑引入合适的土结构性表征参数来进一步研究这个问题。

图5 相近动应力作用下水泥样、原状样及重塑样的动孔压比较图

综上所述，可以得到循环荷载作用下软土结构性影响孔压发展的两点规律：（1）固结压力的大小对试样的结构性存在着影响，进而影响其动孔压特性；（2）结构性软土的孔压变化规律与循环应力幅值有关。当动应力较大时，试样孔压累积值反而较小并最终趋于一稳定值；随着动应力幅值减小，孔压增长速率降低，但最终累积孔压随振次增加却呈不断上升趋势。

3 结论

本文试验采用杭州某地块粘土原状样、重塑样以及掺水泥的粘土重塑样分别在80 kPa和160 kPa两种围压下固结后进行循环三轴试验，得到如下结论：

（1）当动应力较小时，原状样孔压随振次呈不断上升趋势，并且其发展速率随着动应力的增大而加快；但当动应力达到一个相对较大的幅值以后，孔压的上升速率及最终达到的累积孔压值反而有所减小。

（2）重塑样在循环荷载作用下的孔压上升速率随着动应力的增大而增大，累积孔压随振次增加而不断升高。

（3）掺2%水泥的重塑样在较小固结压力下的孔压特性较接近于重塑样，而在大围压下的孔压特性则更接近于原状样。

（4）结构性不同的软土其孔压特性也有所差异，但在小幅值动应力作用下都存在着一个共同点，即它们的孔压随振次增加呈不断上升的趋势。