循環(huán)作用下粘土應(yīng)變軟化研究

蔣小權(quán)

(廣西壯族自治區(qū)第四地質(zhì)隊，南寧　530007)

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循環(huán)作用下粘土應(yīng)變軟化研究

蔣小權(quán)

(廣西壯族自治區(qū)第四地質(zhì)隊，南寧530007)

摘要：循環(huán)荷載作用下，飽和軟粘土將發(fā)生應(yīng)變軟化現(xiàn)象。通過對杭州飽和軟黏土進行應(yīng)力控制的循環(huán)三軸試驗，研究循環(huán)次數(shù)、循環(huán)應(yīng)力比、固結(jié)比、頻率、超固結(jié)比對土體應(yīng)變軟化的影響。試驗結(jié)果表明，循環(huán)次數(shù)的增加，循環(huán)應(yīng)力比的提高，都將加快土體軟化；循環(huán)荷載作用下，軟黏土存在臨界循環(huán)應(yīng)力比，當(dāng)循環(huán)應(yīng)力比較小或較大時，軟化指數(shù)與lgN近似為線性關(guān)系，而當(dāng)循環(huán)應(yīng)力比在臨界循環(huán)應(yīng)力比左右時，兩者表現(xiàn)為明顯的曲線關(guān)系。

關(guān)鍵詞：應(yīng)變軟化;循環(huán)荷載;動應(yīng)力-應(yīng)變

1引言

軟粘土一般是指含水量高、孔隙比大、抗剪強度低、壓縮性高、滲透性低、靈敏度高的粘性土的泛稱。國內(nèi)外學(xué)者對砂土和飽和軟粘土在循環(huán)荷載作用下的動力特性已經(jīng)做了許多研究。結(jié)構(gòu)性軟粘土在循環(huán)荷載作用下的破壞往往比較突然，具有脆性破壞特征，且土體結(jié)構(gòu)破壞后將產(chǎn)生很大的變形，可能導(dǎo)致嚴(yán)重的工程事故。另一方面，近年來對結(jié)構(gòu)性粘土的研究發(fā)現(xiàn)土體結(jié)構(gòu)性對強度有很大影響。對土體的固結(jié)和靜力試驗表明，當(dāng)土體承受的附加應(yīng)力大于其結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力時，土體結(jié)構(gòu)將發(fā)生破壞，從而引起強度變化規(guī)律的改變[1-3]。

2軟化模型

2.1軟化模型的建立及參數(shù)確定

目前國內(nèi)外學(xué)者對土體軟化特性的表達大多基于以下兩種經(jīng)驗?zāi)Ｐ图捌湫拚篒.M.Idriss等提出的指數(shù)表達式δ=N-d及K.Yasuhara等的半對數(shù)表達式δ=1-DlgN，其中d，D均為軟化參數(shù)[4]。采用以上兩種表達式難以描述軟化指數(shù)與lgN之間的非線性關(guān)系。本文研究認(rèn)為：可以采用δ=1 -αlgN-β(lgN)2來描述軟化指數(shù)與循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系。通過對紫金港飽和軟黏土的試驗研究，建立如下數(shù)學(xué)模型反映土體軟化情況：

(1)

式中，α1，β2均為反映循環(huán)應(yīng)力比影響的參數(shù)；α2，β2均為反映固結(jié)比影響的參數(shù)；α3，β3均為反映振動頻率影響的參數(shù)；α4，β4均為反映超固結(jié)比影響的參數(shù)。本文初步建立模型的過程中認(rèn)為各因素是相互獨立的，先不考慮各因素的耦合作用。這樣可以初步確定固結(jié)比、超固結(jié)比、頻率與軟化系數(shù)間的函數(shù)表達式。對于不同因素的耦合作用下對軟化系數(shù)的影響，本文只是作為參數(shù)的驗證與修正來實現(xiàn)的。除了所列出的定性分析試驗內(nèi)容外，該部分內(nèi)容也做了大量的耦合試驗對本模型進行了驗證。本文所采用的模型系數(shù)確定方法簡單易行，避免了采用正交試驗法所需要進行大量試驗的麻煩。

通過對試驗數(shù)據(jù)進行研究分析可得:

α1=[A1+B1(τc-τ1)+C1(τc-rt)2]

ln(τc-τt)

(2)

β1=a1(τc-τt)b1

(3)

α2=A2(K-1)b2

(4)

β2=ln(1+a2K-a2)

(5)

α3=1+(A3+B3f+C3f2)lnf

(6)

β3=a3fb3

(7)

α4=A4+B4(OCR)+C4(OCR)2

(8)

β4=a4-b4ln(OCR+c4)

(9)

式中,A1，B1，C1，A2，B2，A3，B3，C3，A4，B4，C4，a1，b1，a2，a3，b3，c3，a4，b4，c4均為試驗參數(shù)；τt為門檻循環(huán)應(yīng)力比，當(dāng)循環(huán)應(yīng)力比低于該值時，土體中不產(chǎn)生孔壓，它的確定詳見周建的研究。通過回歸分析可得：A1=-0.409 5，B1=1.859 7，C1=-1.999 11，A2=0.192 54，B2=0.452 31，A3=25.720 85，B3=-5.717 2，C3=0.381 03，A4=0.002 43，B4=-0.001 52，C4=0.000 28，a1=0.053 19，b1=3.184 61，a2=-0.008 69，a3=1.184 67，b3=-0.425 51，a4=0.604 24，b4=0.325 78，c4=-0.707 93。

2.2模型比較

目前，對描述土體動應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的本構(gòu)模型層出不窮，但這些模型有的過于簡單，難以準(zhǔn)確描述土體的特殊性質(zhì)；有的又過于復(fù)雜，參數(shù)過多，且難以確定，從而不能在實際工程中得以應(yīng)用[5-6]。本文采用R.S.Narasimha和A.PPanda的修正Iwan模型，分別結(jié)合Idriss軟化模型以及本文的軟化模型對杭州紫金港軟黏土的動應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系進行了計算。

圖1為基于修正的Iwan模型計算所得的滯回圈，實線與虛線分別為采用本文軟化模型與Idriss軟化模型所計算的結(jié)果。從圖中可以看出，對于各向同性固結(jié)土體，當(dāng)循環(huán)次數(shù)較少時，采用兩種模型的計算結(jié)果相差不大；但當(dāng)循環(huán)次數(shù)較多時，采用本文軟化模型取得了更好的結(jié)果，從而也證明了本文軟化模型的準(zhǔn)確性。

圖1　考慮軟化影響的軟黏土動應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系(K=1.00，τc=0.416，OCR=1)

3實驗方案

3.1試驗儀器

試驗在GDS雙向振動三軸儀上進行。該設(shè)備是由英國GDS公司研制，既可以用來研究低頻、高頻鐵路荷載作用下軟土地基的長期沉降問題，也可以模擬強烈地震作用的高頻振動問題，其振動頻率為0.01～20 Hz。

3.2試樣準(zhǔn)備

本試驗采用原狀土試樣，試樣為典型的杭州飽和軟粘土。為了保證土樣的均勻性，鉆孔取樣時取土器位于同一土層處。本試驗取土器標(biāo)高為5～15 m，土樣取出后存放于專門的土樣室中。試驗所用試樣按《土工試驗規(guī)程》進行制備，試樣直徑39.1 mm，高80 mm。試樣的各項物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

3.3試驗內(nèi)容

試驗內(nèi)容包括有:①飽和。本試驗采用真空飽和，飽和時間為6 h，飽和度均>95 %。②固結(jié)。首先加圍壓到300 kPa，排水固結(jié)24 h后，此時孔壓趨于穩(wěn)定，再按超固結(jié)比OCR分別為1、2、4、8時進行卸載，得到正常固結(jié)土和超固結(jié)土樣。③不排水循環(huán)三軸試驗。采用應(yīng)力控制式循環(huán)三軸試驗，加荷波形取為等幅正弦波，研究不同循環(huán)應(yīng)力比、循環(huán)次數(shù)、超固結(jié)比及振動頻率等因素對飽和軟粘土孔隙水壓力變化規(guī)律的影響。

4實驗結(jié)果分析

圖2為未經(jīng)過循環(huán)荷載作用，軟粘土的靜力試驗所得到的偏應(yīng)力-軸應(yīng)變關(guān)系曲線。從中可以看出，最終強度與應(yīng)力歷史無關(guān)，在同一先期固結(jié)應(yīng)力下，其超固結(jié)比越大，強度越低，這說明現(xiàn)存的應(yīng)力狀態(tài)大于應(yīng)力歷史的影響。

表1　軟粘土土工試驗參數(shù)表

圖2　(σ1-σ3)—εa關(guān)系曲線(未經(jīng)過循環(huán))

循環(huán)荷載作用下，飽和軟粘土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)為一系列滯回圈，并且隨著循環(huán)次數(shù)的增加，滯回圈向右移動的同時，逐漸向應(yīng)變方向傾斜，即發(fā)生應(yīng)變軟化現(xiàn)象，從而導(dǎo)致土體不排水抗剪強度的降低(圖3)。圖4～7所得到的試驗結(jié)果也證明了這個結(jié)論。

圖3　(σ1-σ3)—εa關(guān)系曲線

圖4　(σ1-σ3)—εa關(guān)系曲線(OCR=1)

圖4～7為循環(huán)荷載作用后，不同循環(huán)應(yīng)力比η(即為循環(huán)應(yīng)力幅值與靜力試驗中不排水抗剪強度的比值)和超固結(jié)比時，飽和軟粘土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。由圖4可以看出，當(dāng)OCR=1時，經(jīng)過不排水循環(huán)后，土體的抗剪強度發(fā)生了降低，并且隨著循環(huán)應(yīng)力比的增加，降低的幅度越大。究其原因筆者認(rèn)為在循環(huán)次數(shù)一定的情況下，隨著循環(huán)應(yīng)力比的增加，土樣中的累計孔壓增加，有效應(yīng)力減少，從而導(dǎo)致土體強度的降低。再有，隨著循環(huán)應(yīng)力比的增加，初始曲線的斜率也就是土體的初始剛度逐漸減少，臨界應(yīng)變逐漸增大，最大約達5%，這說明，較大的循環(huán)應(yīng)力比雖然使累計孔壓增大，但卻減緩了靜力試驗中孔壓上升的速度，從而使土樣的破壞模式向漸進破壞方向發(fā)展。

圖5　(σ1-σ3)—εa關(guān)系曲線(OCR=2)

圖6　(σ1-σ3)—εa關(guān)系曲線(OCR=4)

圖7　(σ1-σ3)—εa關(guān)系曲線(OCR=8)

圖5～7為超固結(jié)土樣試驗結(jié)果。與圖3相比較可以發(fā)現(xiàn):隨著超固結(jié)比的增加，經(jīng)過循環(huán)荷載后，相同的循環(huán)應(yīng)力比的情況下，土樣的抗剪強度逐漸減少。對于OCR=2的土樣，當(dāng)循環(huán)應(yīng)力比為0.5時，土樣的抗剪強度卻與OCR=1時的循環(huán)應(yīng)力比為0.3時的情況大體相當(dāng)，這說明正常固結(jié)土在循環(huán)荷載后排水抗剪強度受循環(huán)荷載的大小影響較大，甚至超了現(xiàn)有應(yīng)力狀態(tài)的影響;不排水抗剪強度下降幅度達50 kPa，而對于超固結(jié)土樣，雖然也存在相同的規(guī)但循環(huán)應(yīng)力比對不排水抗剪強度影響卻小得多，最大≯20 kPa，這說明超固結(jié)土的性質(zhì)與正常固結(jié)土有較大的不同。對于超固結(jié)土樣也存在臨界應(yīng)變，但該應(yīng)變同樣受循環(huán)應(yīng)力比影響不大，并且隨著超固結(jié)比的增加，臨界應(yīng)變略有增大，曲線變得更加平緩，土樣的破壞模式朝漸進式破壞方向發(fā)展。

綜上所述，影響正常固結(jié)土與超固結(jié)土不排水剪強度的因素很多，但對于正常固結(jié)土受循環(huán)應(yīng)力大小影響較大，而對于超固結(jié)土而已受超固結(jié)比的影響較大，即受當(dāng)前應(yīng)力狀態(tài)影響更大。這些都說明正常固結(jié)土與超固結(jié)土工程性質(zhì)上存在著較大的不同，而從目前的研究來看，對正常固結(jié)土動力特性的研究較多，而對超固結(jié)土特性的研究往往被忽略，這給實際工程應(yīng)用帶來了較大的困難。而眾所周知的是，自然界中的土體或多或少都處于超固結(jié)狀態(tài)，真正意義上的正常固結(jié)土幾乎是不存在的。

圖8是正常固結(jié)土在循環(huán)荷載作用后，改變排水條件，在排水24 h后，再進行三軸不排水壓縮試驗得到的試驗結(jié)果。排水條件的改變，使循環(huán)荷載作用后，土樣中的孔隙水壓力逐漸消散，土樣的強度與不排水時相比，有所增加，但仍小于不施加動荷載的情況這與砂土完全不同，對于砂土而言，在排水的條件下，其抗剪強度比不施加動荷載的情況會有較大的增加，主要是因為砂土被振密、振實的緣故。對于軟粘土，循環(huán)荷載使土樣內(nèi)部產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性的破壞，導(dǎo)致土樣的內(nèi)聚力降低，而這些破壞是不可恢復(fù)的，所以無論采用什么樣的排水條件，經(jīng)過循環(huán)荷載作用后土樣的不排水抗剪強度都會發(fā)生衰減。

圖8　(σ1-σ3)—εa關(guān)系曲線(OCR=1)

5結(jié)論

(1) 對于正常固結(jié)土，經(jīng)過不排水循環(huán)后，土體的抗剪強度發(fā)生了降低，并且隨著循環(huán)應(yīng)力比的增加，降低的幅度越大;隨著循環(huán)應(yīng)力比的增加，初始曲線的斜率也就是土體的初始剛度逐漸減少，臨界應(yīng)變逐漸增大，從而使土樣的破壞模式向漸進破壞方向發(fā)展。

(2) 對于超固結(jié)土，隨著超固結(jié)比的增加，經(jīng)過循環(huán)荷載后，相同的循環(huán)應(yīng)力比的情況下，土樣的抗剪強度逐漸減少。與正常固結(jié)土相比，循環(huán)應(yīng)力比對超固結(jié)土的不排水抗剪強度影響小得多。

(3) 對于軟粘土而言，排水條件的改變，使循環(huán)荷載作用后，土樣中的孔隙水壓力逐漸消散，土樣的強度與排水時相比，有所增加，但仍小于不施加動荷載的情況。

參考文獻

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E-mail：727644547@qq.com

CLAY STRAIN-SOFTENING RESEARCH

JIANG Xiao-quan

(Fourth Geological Team in Guangxi， Nanning530007，China)

Abstract:Degradations of stiffness and strength will occur in soft clay under cyclic loading because of the generation of pore pressure. The strain degradation characteristics of saturated soft clay subjected to undrained cyclic triaxial loading is investigated at different cyclic numbers， cyclic stress ratios， consolidation ratios， overconsolidation ratios and frequencies of cyclic loading . It is observed that the degradation index reduces with the progressive cyclic numbers and the increase of cyclic stress ratio. There is a critical cyclic stress ratio in clay subjected to cyclic loading. When the cyclic stress ratio is much higher or lower than the critical cyclic stress ratio， the relationship between degradation index and lgN is linear. However， when the cyclic stress ratio is around critical cyclic stress ratio， a nonlinear relationship is observed.

Key words：strain softening; cyclic loading; dynamic stress-strain

作者簡介：蔣小權(quán)(1987-)，男，漢族，廣西桂林人，助理工程師，本科，主要從事地質(zhì)災(zāi)害評估、地質(zhì)災(zāi)害治理、基坑設(shè)計、基坑支護等工作。

中圖分類號：TU443

文獻標(biāo)識碼：A

收稿日期：2015-09-16改回日期：2015-12-17

文章編號：1006-4362(2016)01-0065-05