循环荷载作用下昆明泥炭质土累积变形试验研究

黄娟，宋银涛，袁铁映，丁祖德，雷明锋，肖国庆

(1.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙，410083；2.湖南省交通规划勘察设计院有限公司，湖南 长沙，410083；3.昆明理工大学 建筑工程学院，云南 昆明，650500)

泥炭质土是一种工程性质极差的特殊软土，在云南昆明地区分布较为广泛。由于昆明城市建设发展的需求，越来越多的高铁、地铁线路将不可避免地穿越泥炭质土层，如昆明地铁2 号线、3号线部分区间以及5号线全线区间隧道，穿越泥炭质土层的隧线比高达69%。因泥炭质土具有强度低、孔隙率大、压缩性高的特点，其在动荷载长期作用下的累积变形问题尤为突出。

近十几年来，国内外学者在土体累积变形方面进行了大量研究。SHI 等[1]针对富水泥岩进行试验研究，提出了富水泥岩累积变形临界应力范围。XIAO 等[2-4]对饱和重塑黄土、冻土以及富水泥岩进行动三轴试验，研究了动应力幅值、频率、围压等因素对地基土累积变形特性的影响。闫春岭等[5-12]对红黏土、饱和黏性土和粉土进行了相似研究，分析了其累积变形曲线的变化特性。除此之外，MONISMITH等[13]针对铁路路基，提出了关于软黏土的累积变形幂函数模型。庄心善等[14]通过GDS 对弱膨胀土进行室内动荷载加载，提出了弱膨胀土的累积变形预测模型。

以上研究主要集中于冻土、红黏土和弱膨胀土的累积变形特性，关于炭质泥土的研究较少。虽然泥炭质土对地基、地下工程的不利影响已引起人们的重视，但目前国内外对泥炭质土的研究仍侧重于其物理力学性质、地基处理和动强度等方面[15-18]，关于泥炭质土层隧道的列车运营沉降分析也主要是基于常规的数值模拟[19-20]。CHEN等[21]对泥炭有机土进行不排水循环三轴压缩试验，简要论述了永久轴向变形与循环次数、静偏应力和围压的相关性。陈成等[22]结合土体累积变形经验公式模型，提出了累积变形简化计算方法。但现有的研究成果还远不能反映泥炭质土地铁隧道的发展趋势，有必要对循环荷载下泥炭质的累积变形规律进行试验研究。

以昆明泥炭质土为研究对象，采用动三轴试验探究其在不同动应力幅值、固结比、围压、加载频率下的累积变形发展规律，基于试验结果提出相应累积变形预测模型，并比较分析泥炭质土与其他土的累积变形特性，以期为今后泥炭质土地下工程的建设和运营维护提供参考。

1 试验方案

1.1 试验样品

试验用土取自云南省昆明市西山区草海片区工程场地。参照GB/T 50123—2019《土工试验标准》[23]，在该区域6.0～6.2 m深度处采用原状土法现场取样。其基本物理力学指标为：土体密度ρ=1.199 g/cm3，土粒密度ρs=2.68 g/cm3，含水率ω=176.26%，有机质质量分数wu=40%。试验采用原状土切削制样，样品是直径为39 mm、高为80 mm的圆柱体。切削完成后将土体进行真空负压饱和，确保土体饱和度大于98%，制样完成后使土体保持浸没状态。

1.2 试验设备及加载条件

试验采用DDS-70型微机控制电磁式振动三轴试验系统，由空气压缩机提供静压力，通过电磁激振系统施加动荷载。首先将饱和完成的试样放入压力室，对其施加设定的围压和轴压进行排水固结，固结时间至少24 h，直至超孔隙水压完全消散。然后，在不排水条件下施加设定的循环动荷载，动荷载波形为正弦波。当试验循环加载次数达到设定的2 000 次或样品累积应变达到10%时，试验终止。

1.3 试验工况

试验主要研究动应力幅值、固结比、围压和加载频率4个影响因素。根据现场地质、加载条件和即有研究成果，试验时动应力幅值取为20、30、40、50 和60 kPa，围压取为50、80、100 和200 kPa，固结比取为1.0、1.25、1.5和1.75，加载频率取1、2、3 和5 Hz。试验工况及相关参数见表1。

表1 试验方案及相关参数Table 1 Test plans and related parameters

2 试验结果及分析

2.1 动应力幅值对累积变形的影响

不同动应力条件下(Kc=1.25)，泥炭质土的累积变形曲线如图1所示。由图1可知：动应力幅值越大，泥炭质土的累积变形越大，且发展越快；动力应幅对泥岩质土的累积变形发展模式影响极为显著。在低动应力幅值下(动应力σd=20～40 kPa)，泥炭质土的累积变形在前200 振次就基本趋于稳定，总的累积应变很小(累积应变为0.4%～1.2%)，累积变形曲线近似为平直线；在中动应力幅值下(σd=50 kPa)，泥炭质土的初期累积变形随振次增长明显，后期累积变形增长速率逐渐减小，累积变形量以极小的增量保持缓慢增长，最终趋于稳定(累积应变为5.40%)，累积变形曲线表现为收敛的对数函数曲线；在高动应力幅值下(σd=60 kPa)，泥炭质土的累积变形随振次持续呈非线性增大，当振次到达1 000次时，累积变形速率急剧增大，试样中部逐渐鼓出，最终失去承载能力，累积变形曲线近似为三次幂函数发散曲线。泥炭质土的初期变形主是因土体孔隙被压缩而产生的塑性变形，由于泥炭质土的高压缩性，此阶段的累积变形增长速率较一般软黏土的增长速率快；当动应力幅值较低时，土体的后期变形以弹性变形为主，累积变形增速减缓，甚至当动应力幅值极低时，累积变形基本不增长；当动应力幅值较大时，土体的后期变形仍以塑性变形为主，累积变形不断增长；在高动应力往复作用下，土体孔隙体积在被完全压缩之后，土体颗粒发生破坏并重新排列。

图1 不同动应力σd下的累积变形曲线Fig.1 Cumulative deformation curves with different dynamic stress conditions

2.2 固结比对累积变形的影响

不同固结比下(σd=60 kPa)泥炭质土的累积变形曲线如图2所示。由图2可知：在相同动应力幅值作用下，不同固结比的泥炭质土累积变形曲线呈现出2 种差异化的发展变化模式。当固结比Kc≤1.50时，泥炭质土的累积变形呈发散型，且固结比越大，土体累积变形发展越快。因为当围压一定时，固结比越大意味着轴向静偏应力越大，岩土体内部损伤会加剧[24]，所以土体的塑性变形更容易发展、累积。当固结比Kc＞1.50时，泥炭质土的累积变形呈收敛型。黄娟等[18]的研究表明，当固结比增大到一定程度(Kc＞1.50)时，泥炭质土的动强度显著提高。图2 中Kc=1.75 的累积变形曲线转变为收敛型，可能是在较高固结比条件下土样临界动强度提升所致。

图2 不同固结比Kc下的累积变形曲线Fig.2 Cumulative deformation curves with different consolidation ratios

事实上，固结比对土体累积变形的影响相当复杂。闫春岭等[7]的动三轴试验表明，砂质粉土的累积变形随固结比Kc的增大而增大；庄心善等[12]的动三轴试验表明，当1＜Kc≤1.5 时，弱膨胀土的累积变形随固结比增大而减小，当Kc＞1.5 后，累积变形却大幅增大。固结比对土体的累积变形既要考虑静偏应力对土体内部结构有损伤作用，也要考虑静偏应力有压密土体提升其强度的作用。

2.3 围压对累积变形的影响

在不同围压下(σd=30 kPa，Kc=1.25)，泥炭质土的累积变形曲线如图3所示。由图3可知：围压越大，泥炭质土的累积变形越小。土样总累积变形的57%～79%都是在加载初期完成的，不同围压下土样累积变形的差异也基本在加载初期产生。在后续加载过程中，各围压的土样累积变形增幅接近。这主要是因为当固结比一定时，围压越大，轴向压力越大，土样压密程度越高，动强度越大，土体弹性性能则越强，土体产生的可恢复弹性变形相应越小。当经历一定次数的循环加载后，各围压下土体的密实差异逐渐减小，围压对试样后期累积变形的影响随之减小。

图3 不同围压σ3下泥炭质土的累积变形曲线Fig.3 Cumulative deformation curves of peaty soil with different confining pressures

2.4 加载频率对累积变形的影响

在不同加载频率下(σd=30 kPa，Kc=1.25)，泥炭质土的累积变形曲线如图4 所示。由图4 可知：在不同加载频率下(σd=30 kPa，Kc=1.25)，泥炭质土的累积变形呈现的总体变化规律与上述不同围压下的变化规律类似。加载频率越低，荷载变化速度越慢，在相同振次下土样受荷时间越长，因此，土样变形发展越充分，相应的累积变形就越大。这与许多学者在其他岩、土样试验中得到的规律一致。加载频率对泥炭质土累积变形的影响程度是分频段的，1～2 Hz 和3～5 Hz 各为一个影响频段。在同一影响频段内，各加载频率下泥炭质土的累积变形曲线发展规律趋势一致。

图4 不同加载频率f下的累积变形曲线Fig.4 Cumulative deformation curves with different frequency conditions

综上分析可知：动应力幅值和固结比对泥炭质土累积变形发展形态影响最为显著；围压对其影响程度次之；加载频率对其影响较小。

2.5 泥炭质土累积变形发展模式的判定条件

如前所述，不同动应力幅值下泥炭质土的累积变形发展规律总体上与一般软黏土的累积变形发展规律类似，可分为破坏型累积变形和稳定型累积变形。破坏型累积变形曲线如图5(a)所示。累积变形曲线表现为以三次幂函数形式发散增大，对应的加载条件如下：Kc≤1.50，且σd≥60 kPa。稳定型累积变形曲线如图5(b)所示，累积变形曲线表现为对数函数形式收敛或近似平直线收敛，对应的加载条件分别为Kc=1.75，且σd=60 kPa 或σd≤40 kPa。由图5可知：泥炭质土的累积变形发展模式由动应力幅值和固结比共同决定，是外部动荷载和地基土静偏应力水平的综合反映。对于下卧土层为泥炭质土的地铁工程，为保证其长期服役性能，应避免使下卧泥炭质土处于不利的受力状态，即Kc≤1.50，且σd≥60 kPa。

图5 泥炭质土累积变形曲线类型Fig.5 Type of cumulative deformation curves of peat soil

3 与其他土累积变形曲线特征的对比

为进一步深入分析泥炭质土与其他土累积变形特性曲线的差异性，将文献中上海砂质粉土[7]、贵阳红黏土[8]以及合肥弱膨胀土[12]的累积变形曲线与本试验相关曲线绘制于同一横坐标系下，如图6所示。

图6 不同土累积变形εp-N变化曲线对比Fig.6 Comparisons of cumulative deformation εp-N variation curves of different soil samples

由图6(a)和(b)可知：动应力幅值无论是对泥炭质土还是其他土，影响都很显著。但同样在等压固结条件下，当动应力幅值σd从40 kPa 增大到60 kPa时，泥炭质土的累积变形趋势由稳定型发展为破坏型。当动应力幅值σd分别为70.8 kPa 和150 kPa 时，红黏土和弱膨胀土累积变形依旧处于稳定收敛状态。这表明泥炭质土达到累积变形破坏时的临界动应力远比弱膨胀土和红黏土的临界应力小，更具易发性和突发性。

由图6(c)和(d)可知：围压对泥炭质土和弱膨胀土累积变形的影响规律相近，均随围压增大而减小。当围压σ3从50 kPa增大到100 kPa时，泥炭质土累积变形降低约24%，弱膨胀土降低了约45%。相比而言，围压对泥炭质土累积变形的影响程度要低于对弱膨胀土累积变形的影响程度。而且围压对泥炭质土的影响主要表现在加载初期阶段，这主要与泥炭质土高压缩性有关。值得一提的是，对于下穿泥炭质土的地铁工程，应更加注重控制中浅层泥炭质土的累积变形。

由图6(e)和(f)可知：加载频率对泥炭质土和砂质粉土累积变形的影响规律总体一致，即加载频率越小，土样累积变形越大。但两者对加载频率的敏感频域不同，泥炭质土受加载频率变化波动较大的频率为2～3 Hz，砂质粉土相应的频率为0.5～1.5 Hz。当加载频率从3 Hz降低到2 Hz时，泥炭质土的累积变形增大了50%，当加载频率从1.5 Hz降低到0.5 Hz时，砂质粉土的累积变形增大了1 倍多。从加载频率对累积变形的影响幅度来看，泥炭质土受加载频率的影响要小于砂质粉土受加载频率的影响。对于下穿泥炭质土的地铁工程，要密切关注低频(f≤2 Hz)振动下的长期变形发展。

4 结论

1) 随着动应力的增大，泥炭质土累积变形不断增大，累积变形曲线最终由收敛稳定型转为发散破坏型。在高动应力(σd=60 kPa)条件下，当Kc≤1.50 时，累积变形曲线为发散型，且固结比越大，累积变形发展越快；当Kc＞1.50时，累积变形曲线转为收敛型。泥炭质土累积变形发展模式主要由动应力幅值和固结比决定，是外部动荷载和静偏应力的综合反映。

2) 随着围压和加载频率的增大，泥炭质土累积变形减小。不同围压下土样累积变形的差异主要形成于加载初期。当经历一定次数的循环加载后，各围压下土体的密实差异逐渐减小，围压对累积变形的影响随之下降。加载频率对泥炭质土累积变形的影响程度是分频段的，1～2 Hz 和3～5 Hz各为一个影响频段。

3) 当Kc≤1.50，且σd≥60 kPa时，泥炭质土发生累积变形破坏，累积变形随振次近似呈三次幂函数关系发散增长。对于下穿泥炭质土的地铁工程，要密切关注低频(f≤2 Hz)振动下、中浅层泥炭质土的长期变形发展，避免累积变形破坏条件的形成。

4) 与弱膨胀土、红黏土等相比，泥炭质土的初期累积变形增长速度更快，且达到累积变形破坏时的临界动应力小得多，泥炭质土的累积变形破坏更具易发性和突发性。