变围压循环荷载下饱和软黏土的变形特性

王朝辉,李向辉,陈晓波

(1.中广核风电有限公司,浙江 杭州 311122;2.浙江工业大学 土木工程学院,浙江 杭州 310023)

真实的交通荷载或地震荷载作用下土单元包含了循环正应力与循环水平应力的变化,即伴随着地基土单元受到连续的循环围压变化的作用,从而影响土的动力特性[1-2]。目前,关于砂土、岩石材料在变围压下的研究已存在不少[3-4]。施明雄[5]通过单、双振动对比得出了循环围压会影响砂土的孔压变化及应变发展。Rondón等[6]采用具有相同平均应力状态的常围压与变围压应力路径,实现了基层松散颗粒材料在循环荷载下的应变表现。也有许多学者针对黏土进行变围压循环三轴试验,如Wang等[7]、Sun[8]采用动三轴设备对饱和软黏土进行了变围压动三轴试验,研究了循环平均主应力与循环偏应力的耦合对孔压和累积轴向应变的影响。Cai等[9]开展了部分排水下饱和软黏土的变围压循环试验,发现其轴向累积应变增量与体应变增量均与循环平均主应力幅值的增量成正比。黄珏皓等[10]对不同超固结比的软黏土进行变围压不排水循环三轴试验,得出了超固结比和循环围压对累积轴向应变存在较为显著的抑制作用的结论。

上述研究结果充分肯定了变围压对土在加载期间的动力特性有较大影响。考虑到软黏土的渗透性很低,目前针对软黏土的循环特性的研究多是基于不排水条件,在实际工程中循环荷载的长期作用下势必会导致孔隙水的排出,因此可认为软黏土处于部分排水状态。在已有相关研究中,虽然变围压的变化方向往往与竖向应力相同,但在地震荷载等特殊循环荷载条件下二者的变化方向可能并不一致,因此有必要研究考虑卸载变围压的循环荷载下的土体动力特性。基于此,笔者利用GDS变围压动三轴系统,对源自温州洞头地区的重塑软黏土分别开展了正向变围压(Positive variable confining pressure,PVCP)、卸载变围压(Negative variable confining pressure,NVCP)和常围压(Constant confining pressure,CCP)循环三轴试验,并研究了在这3种围压条件下不同应力路径及不同循环偏应力幅值下的土体变形情况。

1 试验仪器及试验方案

试验采用英国GDS公司的双向动三轴试验系统(图1),该设备可通过电机伺服液压系统施加动态循环轴向应力,同时通过油压系统独立施加动态循环围压,不但能够单独控制动偏应力与动围压的幅值,而且能够通过输入自定义波形改变动偏应力与动围压的相位差,从而实现不同幅值及相位差条件下循环偏应力与循环围压的耦合,其循环荷载频率为0.000 01～10.000 00 Hz。

图1 GDS双向动三轴试验设备

本次试验的轴向力加载波形和循环外围加载波形均为纯压缩波,平均有效主应力和偏应力的振幅计算式为

(1)

(2)

变围压动三轴实验应力路径如图2所示。图2中:p,q分别为土体所受偏应力与平均主应力;p′0为初始有效围压;不同的变围压条件可以由循环平均有效主应力振幅和偏应力振幅之比η(图2中应力路径斜率之倒数)来表示,η的计算式为

图2 变围压动三轴实验应力路径

η=pampl/qampl

(3)

当两者的相位差为0°时,pampl与qampl的比值η为

(4)

当两者的相位差为180°时,pampl与qampl的比值η为

(5)

试验共分A,B两组,A组偏应力幅值qampl均为20 kPa;B组偏应力幅值均为40 kPa。两组分别开展了不同变围压条件η下的循环三轴试验,具体试验方案如表1所示。表1中:CSR(Cyclic stress ratio)为循环应力比,定义CSR=qampl/(2p′0),试验中p′0均为100 kPa,频率为0.1 Hz,循环周次为10 000。

表1 变围压动三轴试验方案

试验中使用重塑黏土试样,原土为典型的温州地区软黏土,土体的基本物理参数:天然密度ρ=1.63～1.65 g/cm3;土粒相对密度GS=2.66～2.68;天然质量分数w=63.7%～64.6%;液限质量分数wL=66%;塑性指数IP=42;初始孔隙比e0=1.64～1.71;黏聚力c=6.7 kPa;内摩擦角φ=21°。重塑土样制备方法:首先将原土烘干后粉碎并过筛;然后加入无气水充分搅拌制成含水率为土体1.5倍液限的泥浆,使用大型固结仪在100 kPa的竖向压力下对泥浆进行约2周的固结;最后用切土器从固结后的土块中制得尺寸为50 mm×100 mm的圆柱形单元体试样,并在三轴设备中使用300 kPa的高反压进行饱和,测得孔压系数B值达到0.97之后进行固结[11]。

2 试验结果

图3 轴向应变随循环周次的发展

在部分排水条件下,饱和软黏土由于排水导致的体应变发展情况如图4所示。由图4可知:加载初期体应变迅速增长,这是由于加载初期孔隙水压力迅速上升,而较高的孔隙水压力会产生更大的体积应变。随着加载的继续进行,孔隙水继续排出以及试样刚度逐渐增大,到达一定循环周次后,其体应变增长逐渐变缓,最终接近稳定值并基本保持不变。通过对比同一CSR在相同的循环周次下的体应变,可以明显看到体应变随着η的增大而增大,说明正向变围压更能促进试样孔隙水的排出,这与在不排水条件下正向变围压的存在将限制土体的变形有所区别[16]。此外,CSR也能较大程度地影响体应变的发展,可以看出较高的CSR加速了孔隙水的排出而使体应变累积。

图4 体应变随循环周次的发展

由图3,4可知:随着循环周次的增加,累积轴向应变和体应变曲线发展趋势相似,η越大的应力路径产生的累积轴向应变越大。为了解不同变围压条件对累积轴向应变的影响,选取了在不同特定循环周次(N=1 000,4 000,7 000,10 000)下,变围压与常围压在不同CSR下的累积轴向应变关系,结果如图5所示。由图5可知:当η=-2/3和η=2/3时,所测得的累积轴向应变与常围压(η=1/3)下所对应的成正比,且与CSR和循环周次N无关,这与Gu等[17]在正向变围压下所得到的结论一致。本次试验在η=-2/3和η=2/3时的对应的累积轴向应变分别是在η=1/3下的0.58倍和1.32倍。

图5 变围压与常围压累积轴向应变的关系

图6 变围压与常围压累积轴向应变的比值分析

3 结 论

在不同循环偏应力和循环变围压耦合条件下,对温州洞头地区软黏土进行部分排水循环三轴试验,分析了循环偏应力幅值CSR、变围压条件η和循环周次N等因素对饱和软黏土变形发展的影响,得出如下结论:1) 软黏土在循环加载期间的轴向应变和体应变发展不仅与加载周次有关,还与偏应力幅值和变围压条件η有关,较高的偏应力幅值与较大的变围压条件η能促进轴向应变和体应变的发展;2) 在排水条件下进行变围压循环试验,软黏土累积轴向应变发展的规律事实上与正向变围压和卸载变围压均无关,而与循环平均有效主应力与初始平均有效主应力的大小有关。