循環(huán)荷載作用下淤泥質(zhì)黏土軟化試驗(yàn)研究

陳甦 ，李武 ，，蔡正銀

（1.中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200032；2.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029）

0 引言

我國沿海從北到南廣泛分布著淤泥質(zhì)海岸帶，如連云港、上海、天津、寧波舟山、溫州等，軟土深厚、物理力學(xué)指標(biāo)差、靈敏度高，容易發(fā)生軟化。如何確定土體軟化程度已經(jīng)發(fā)展為一個(gè)新課題，它關(guān)系到軟土地基與結(jié)構(gòu)相互作用的動(dòng)力特性，已成為迫在眉睫的關(guān)鍵課題。因此，許多學(xué)者開始深入探索軟黏土動(dòng)力特性。影響動(dòng)力特性的因素有很多，最主要的有動(dòng)應(yīng)力幅值的大小、靜偏應(yīng)力、循環(huán)周次、振動(dòng)頻率、固結(jié)比以及土體本身的結(jié)構(gòu)性等[1]。在這方面，主要是地震荷載作用下土動(dòng)力特性研究，而對循環(huán)荷載所引起的土體動(dòng)力特性研究則相對較少。Matsui等[2]和Yasuhara等[3]對循環(huán)荷載作用后土的強(qiáng)度與剛度衰減等問題進(jìn)行了研究，指出了循環(huán)周次的影響。周建等[4]對循環(huán)荷載作用下正常固結(jié)飽和軟黏土的剛度軟化現(xiàn)象進(jìn)行了研究，建立了含動(dòng)應(yīng)力幅值和循環(huán)周次的土體軟化模型。Hicher等人[5]對循環(huán)荷載作用下黏土的研究成果表明，主應(yīng)力方向的改變可以引起黏土結(jié)構(gòu)重塑，導(dǎo)致黏土強(qiáng)度的降低。Lefebvre等人[6]研究了循環(huán)荷載作用下應(yīng)變速率對土體軟化的影響。Idriss等人[7]提出了軟化指數(shù)概念，并建立了軟化指數(shù)與循環(huán)次數(shù)之間的表達(dá)式。蔡袁強(qiáng)等人[8-14]研究循環(huán)荷載下引起軟土軟化因素，通過試驗(yàn)研究軟土剛度軟化及應(yīng)變軟化模型?？琢顐サ热薣15]通過飽和軟黏土室內(nèi)不排水動(dòng)三軸試驗(yàn)，研究了循環(huán)周次和動(dòng)應(yīng)力幅值對土體動(dòng)力特性的影響。目前對軟土研究成果雖然比較深入，但是對海洋淤泥質(zhì)軟土的研究還比較少，特別是低圍壓下淤泥質(zhì)土體軟化特性研究?；诖?，本文通過三軸試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)，研究淤泥質(zhì)土的軟化特性，提出土體軟化的判別參數(shù)，并結(jié)合連云港地區(qū)土體特點(diǎn)，確定土體強(qiáng)度和剛度折減系數(shù)，為工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 試驗(yàn)內(nèi)容和方法

1.1 試樣制備

本試驗(yàn)過程中的土樣均為原狀土樣，其試樣制備方法嚴(yán)格按照《土工試驗(yàn)規(guī)程》的要求進(jìn)行。試樣直徑和高度分別為39.1 mm和80 mm。

通過循環(huán)荷載試驗(yàn)研究了波浪荷載作用下原狀淤泥質(zhì)黏土的動(dòng)力性質(zhì)。循環(huán)荷載試驗(yàn)的步驟包括：

1）土體固結(jié)：首先對土樣施加豎向固結(jié)應(yīng)力σ1c和側(cè)向固結(jié)應(yīng)力σ3c并進(jìn)行固結(jié)。分別模擬初始等壓固結(jié)狀態(tài)和K0（K0為土體自然固結(jié)系數(shù)）固結(jié)狀態(tài)，其中K0固結(jié)狀態(tài)取σ3c/σ1c=0.667。豎向固結(jié)應(yīng)力和側(cè)向固結(jié)應(yīng)力的加載速率相同，約為10~20 kPa/h，固結(jié)時(shí)間約20 h。

2）不排水條件下施加軸向循環(huán)荷載，以模擬波浪風(fēng)暴荷載的作用：當(dāng)固結(jié)應(yīng)力作用下的靜應(yīng)變穩(wěn)定后，沿土樣軸向施加正弦波形式的循環(huán)應(yīng)力σd。循環(huán)應(yīng)力相當(dāng)于波浪循環(huán)荷載作用下在地基土內(nèi)引起的附加動(dòng)應(yīng)力。由于軟黏土的滲透系數(shù)非常小，且風(fēng)暴波浪荷載持續(xù)時(shí)間通常在數(shù)10 h左右，在此過程中可近似認(rèn)為飽和軟黏土地基處于不排水狀態(tài)，通過對土樣施加不同的固結(jié)應(yīng)力、循環(huán)應(yīng)力幅值，研究土體在不同風(fēng)暴荷載作用下的動(dòng)力性質(zhì)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

循環(huán)三軸試驗(yàn)和靜三軸試驗(yàn)均在GDS動(dòng)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)（DYNTTS）上進(jìn)行，試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。該系統(tǒng)將三軸壓力室和動(dòng)力驅(qū)動(dòng)器合為一體，從壓力室底座施加軸向力和軸向變形。采用兩個(gè)壓力控制器連接到計(jì)算機(jī)和壓力室，一個(gè)用來控制圍壓，一個(gè)用來設(shè)置反壓和測量體積變化。通過內(nèi)置水下荷重傳感器來測量軸向力。通過獨(dú)立閉環(huán)控制軸向應(yīng)力和圍壓，可施加正弦波、半正弦波、三角波、方波和自定義波等波形。位移精度為0.07%，軸向力精度小于荷重傳感器量程的0.1%，孔壓通過連接在底座上的孔壓傳感器測量。

圖1 GDS動(dòng)靜三軸試驗(yàn)系統(tǒng)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 累積軸向動(dòng)應(yīng)變發(fā)展模式

在循環(huán)荷載作用下土體的累積軸向應(yīng)變εp與循環(huán)周數(shù)N的關(guān)系如圖2所示，等壓固結(jié)土樣在不同幅值循環(huán)應(yīng)力作用后的軸向應(yīng)變?nèi)鐖D3。

圖2 K0固結(jié)土樣累積應(yīng)變隨循環(huán)周數(shù)的變化關(guān)系

由圖2、3可知，K0固結(jié)和等壓固結(jié)土樣在循環(huán)荷載作用后表現(xiàn)出相同的變形特性，即循環(huán)應(yīng)力幅值比σcy/σ1c越大，累積軸向應(yīng)變εp越大。循環(huán)應(yīng)力幅值比越大，累積軸向應(yīng)變達(dá)到穩(wěn)定所需的循環(huán)周數(shù)越大，當(dāng)σcy/σ1c為0.3時(shí)，動(dòng)應(yīng)力循環(huán)1 500周后累積軸向應(yīng)變?nèi)晕催_(dá)到穩(wěn)定。

圖3 等向固結(jié)土樣累積軸向應(yīng)變隨循環(huán)周數(shù)的變化關(guān)系

圖4 是循環(huán)應(yīng)力幅值比為0.2，不同固結(jié)應(yīng)力下的K0固結(jié)飽和土樣受循環(huán)荷載作用后的累積應(yīng)變增長情況。

圖4 不同固結(jié)壓力下累積軸向應(yīng)變與循環(huán)周數(shù)關(guān)系

在循環(huán)應(yīng)力幅值比相同的情況下，固結(jié)壓力越大，累積軸向應(yīng)變越大，且累積軸向應(yīng)變達(dá)到穩(wěn)定所需的循環(huán)周數(shù)也越大。

2.2 軸向循環(huán)應(yīng)變幅值的發(fā)展模式

軸向循環(huán)應(yīng)變幅值εcy與循環(huán)周數(shù)N的關(guān)系如圖5、圖6所示。其中圖5為相同初始固結(jié)狀態(tài)的土樣在不同循環(huán)應(yīng)力幅值比作用下的應(yīng)變幅值；圖6為相同循環(huán)應(yīng)力幅值比，不同初始固結(jié)應(yīng)力的土樣循環(huán)荷載試驗(yàn)結(jié)果。

圖5 軸向循環(huán)應(yīng)變幅值與循環(huán)周數(shù)關(guān)系

圖6 軸向循環(huán)應(yīng)變幅值與循環(huán)周數(shù)關(guān)系

由圖5、圖6可知，固結(jié)壓力和循環(huán)應(yīng)力幅值比σcy/σ1c越大，軸向循環(huán)應(yīng)變幅值εcy越大，且軸向循環(huán)應(yīng)變幅值達(dá)到穩(wěn)定所需的循環(huán)周數(shù)也越大。在循環(huán)周數(shù)N大于約1 000周后軸向循環(huán)應(yīng)變幅值會達(dá)到穩(wěn)定。

2.3 動(dòng)孔壓增長模式

黏性土在循環(huán)三軸試驗(yàn)中孔壓的變化往往具有滯后性，同時(shí)在循環(huán)荷載作用下試樣在軸向和徑向上會形成孔壓梯度，為使孔壓測量結(jié)果具有一定的代表性，孔壓值取每個(gè)循環(huán)周期內(nèi)的平均值uavg。

圖7為不同循環(huán)應(yīng)力幅值下平均孔壓比值uavg/σ1c與循環(huán)周數(shù)N的關(guān)系，可以看出，循環(huán)周期越大平均孔壓比值會越大。循環(huán)周數(shù)趨于1 000周時(shí)，平均孔壓比值逐漸趨于穩(wěn)定值。

圖7 平均孔壓比值與循環(huán)周數(shù)N的關(guān)系曲線

2.4 循環(huán)周期的影響

為了分析循環(huán)荷載周期對軟土動(dòng)力性質(zhì)的影響，在豎向固結(jié)應(yīng)力σ1c=150 kPa，側(cè)向固結(jié)應(yīng)力σ3c=100 kPa，循環(huán)應(yīng)力幅值比 σcy/σ1c=0.2的條件下分別進(jìn)行了循環(huán)周期為3 s、6 s、9 s的試驗(yàn)，循環(huán)周數(shù)均為1 500周。圖8、圖9分別為不同循環(huán)周期試驗(yàn)的累積軸向應(yīng)變和孔壓絕對值與循環(huán)周數(shù)的關(guān)系。

圖8 不同循環(huán)周期下累積軸向應(yīng)變與循環(huán)周數(shù)關(guān)系

圖9 不同周期下平均孔壓值與循環(huán)周數(shù)關(guān)系

循環(huán)周期越大累積軸向應(yīng)變和平均孔壓值會越大。根據(jù)圖8、9中的累積軸向應(yīng)變和動(dòng)孔壓的變化曲線，本次試驗(yàn)取循環(huán)周期T=9 s為工程最不利情況，據(jù)此得出的土體動(dòng)力和靜力軟化特征能滿足工程設(shè)計(jì)需要。

2.5 動(dòng)模量的弱化指數(shù)

定義土體弱化指數(shù)δ為第N周動(dòng)模量Ecy，N與第1周動(dòng)模量Ecy，1的比值。弱化指數(shù)反映了土體在循環(huán)動(dòng)力荷載作用期間抵抗變形能力的下降，數(shù)值上小于1。

循環(huán)荷載作用下弱化指數(shù)δ與循環(huán)周數(shù)N的關(guān)系如圖10、圖11所示。其中圖10為不同循環(huán)應(yīng)力幅值比試驗(yàn)的結(jié)果，圖11為不同固結(jié)應(yīng)力試驗(yàn)的結(jié)果。

從試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，隨著固結(jié)壓力和循環(huán)應(yīng)力幅值比的增大，弱化指數(shù)δ逐漸減小，即地基土在波浪荷載循環(huán)作用過程中的動(dòng)力軟化越明顯。循環(huán)周數(shù)小于150周時(shí)，弱化指數(shù)降低較快，超過150周后，基本趨于穩(wěn)定值。

圖10 不同循環(huán)應(yīng)力幅值下土體弱化指數(shù)與循環(huán)周數(shù)的關(guān)系

圖11 不同固結(jié)壓力下土體弱化指數(shù)與循環(huán)周數(shù)的關(guān)系

2.6 循環(huán)荷載作用期間土體軟化機(jī)理分析

在波浪荷載循環(huán)作用下，隨著動(dòng)孔壓的不斷上升，有效應(yīng)力降低，土體動(dòng)強(qiáng)度產(chǎn)生了一定幅度的降低，即循環(huán)荷載使飽和軟黏土產(chǎn)生了動(dòng)力弱化。

循環(huán)荷載作用下軟黏土的強(qiáng)度弱化效應(yīng)可從兩方面來分析，就宏觀方面而言，土體強(qiáng)度的減小是孔隙水壓力增加，有效應(yīng)力減小的結(jié)果；就微觀方面而言，土體內(nèi)部骨架長期受振動(dòng)荷載往復(fù)作用后結(jié)構(gòu)受到破壞，土顆粒重新排列，引起強(qiáng)度的衰減，衰減的程度往往受加載速率、荷載有無反向的影響。

土的抗剪強(qiáng)度通常由摩擦分量和黏聚分量組成，前者在動(dòng)應(yīng)力的往復(fù)作用下，顆粒之間常發(fā)生相對錯(cuò)動(dòng)或滑動(dòng)而形成剪切面，造成摩阻力減小；后者是由膠結(jié)力和黏著水膜組成，一般的軟土在受長期振動(dòng)后，結(jié)合水逐漸變成自由水，從而使土顆粒之間通過黏著水膜形成的這部分黏聚力減小。但由于本次試驗(yàn)的土樣為現(xiàn)場原狀樣，土體內(nèi)部水分中含大量的鹽類陽離子，結(jié)合水較難轉(zhuǎn)變?yōu)樽杂伤?，因此土體強(qiáng)度衰減程度低于一般軟黏土。

循環(huán)荷載作用下軟黏土抵抗變形的能力即模量產(chǎn)生了不同程度的弱化，這是由于淤泥質(zhì)黏土顆粒粒徑非常小，對水的滲透性能弱，振動(dòng)累積孔隙水壓力不容易消散，所以體積變形很小，土骨架破壞程度輕，不可恢復(fù)的累積變形主要表現(xiàn)為動(dòng)荷載作用引起的剪切變形，因此引起的剛度軟化程度相對較輕。

典型風(fēng)暴潮對應(yīng)的循環(huán)應(yīng)力幅值在0.1~0.2之間，周期約為9 s，則地基土在循環(huán)荷載作用下的土體弱化指數(shù)為0.75~0.80，即土體強(qiáng)度和模量衰減了20%~25%。

3 結(jié)語

通過三軸循環(huán)荷載試驗(yàn)，研究了淤泥質(zhì)地基土在循環(huán)荷載作用下動(dòng)力特性。

1）淤泥質(zhì)地基軟黏土層在波浪循環(huán)荷載作用期間，穩(wěn)定軸向循環(huán)應(yīng)變幅值和累積軸向應(yīng)變值均隨著循環(huán)應(yīng)力幅值和固結(jié)壓力的增大而增大，在循環(huán)周期超過500周后趨于穩(wěn)定。

2）在循環(huán)荷載作用下土樣中平均孔壓比隨著循環(huán)應(yīng)力幅值的增大而增大。土體內(nèi)動(dòng)孔壓的上升引起有效應(yīng)力和動(dòng)強(qiáng)度下降，土體動(dòng)模量也會產(chǎn)生一定幅度的軟化。在循環(huán)荷載的初期，動(dòng)模量的弱化隨著循環(huán)應(yīng)力幅值和循環(huán)周數(shù)的增大而更加顯著；當(dāng)循環(huán)周數(shù)超過500周時(shí)，動(dòng)模量的變化較緩慢。

3）淤泥質(zhì)黏土穩(wěn)定弱化指數(shù)隨著循環(huán)應(yīng)力幅值的增大而降低。但對風(fēng)暴潮的波浪循環(huán)荷載幅值，淤泥質(zhì)黏土表層的模量弱化指數(shù)宜乘以0.20~0.25的折減系數(shù)，在工程設(shè)計(jì)與計(jì)算中適當(dāng)考慮風(fēng)暴潮期間的動(dòng)強(qiáng)度和動(dòng)模量的軟化影響。

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