循環(huán)荷載下結(jié)構(gòu)性黏土的動力特性試驗研究

臧 濛， 太 俊， 汪為巍

(1.武漢輕工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院, 武漢 430023； 2.中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司, 武漢 430010)

天然沉積黏土大多具有結(jié)構(gòu)性,世界各國各地均有結(jié)構(gòu)性土的存在,中國沿海地區(qū)廣泛也分布著深厚的軟黏土層,這些軟黏土的含水率大、透水性差、孔隙比大、具有一定的流變性和觸變性,而沿海地區(qū)的機(jī)場、高速公路、地鐵等大型交通工程都建在軟黏土地基上,投入運(yùn)營之后必然會受到循環(huán)荷載作用,對工程造成了較大的安全隱患。如溫州機(jī)場跑道由于飛機(jī)起降造成地基沉降,建成4年后工后沉降達(dá)16.6 cm,遠(yuǎn)高于機(jī)場跑道的容許沉降值,嚴(yán)重影響了機(jī)場跑道正常使用,增加了維修成本[1]。日本Saga機(jī)場道路開放通車后,3年運(yùn)營期內(nèi)交通荷載產(chǎn)生的附加沉降達(dá)到15 cm左右[2]。

軟黏土地基在動荷載下失穩(wěn)或工后沉降過大,通常與軟黏土的結(jié)構(gòu)性及動力學(xué)特性有關(guān),當(dāng)軟黏土所受動荷載在其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能承受的范圍內(nèi),土體結(jié)構(gòu)不會發(fā)生明顯變化,土體變形也較小；而一旦動荷載作用導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強(qiáng)度喪失,土體會產(chǎn)生較大變形。對于結(jié)構(gòu)性黏土,尤其是強(qiáng)結(jié)構(gòu)性土,結(jié)構(gòu)破壞前土體的軸向應(yīng)變均較小且沒有明顯先兆,呈突然破壞特征, Seed等[3]、陳穎平等[4]、臧濛等[5]在對黏土進(jìn)行的不排水循環(huán)荷載試驗中都觀察到這種現(xiàn)象。結(jié)構(gòu)性黏土在長期循環(huán)荷載作用下可能會經(jīng)歷結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的喪失,這將會導(dǎo)致地基土產(chǎn)生大變形而失穩(wěn),引發(fā)土體的災(zāi)難性破壞,故需要特別考慮結(jié)構(gòu)性對土體動力響應(yīng)特征的影響。

軟黏土由于結(jié)構(gòu)性表現(xiàn)出與重塑土不同的工程性狀,目前針對結(jié)構(gòu)性土的動力響應(yīng)研究較多,黃玨皓等[6]對循環(huán)軸向偏應(yīng)力和循環(huán)圍壓耦合作用下寧波飽和重塑軟黏土的孔壓試驗研究表明,孔壓隨循環(huán)應(yīng)力比、循環(huán)圍壓的增加而增大,隨振動頻率的增加而減小。何紹衡等[7]通過不排水連續(xù)-停振循環(huán)三軸試驗,發(fā)現(xiàn)荷載間歇對原狀淤泥質(zhì)軟土的長期動力特性有顯著影響。王家全等[8]探究了相同動應(yīng)力比和相同動應(yīng)力幅值下圍壓對加筋礫性土應(yīng)變、模量和動孔壓的影響,表明了加筋礫性土具有良好的抗液化性能。綜上所述,以往開展的土體循環(huán)荷載作用下的動力變形特性研究一般以砂礫土、重塑土或中等、弱結(jié)構(gòu)性黏土為主。然而,重塑土和原狀土之間在結(jié)構(gòu)上存在著很大的差別,即使人工制備結(jié)構(gòu)性土也難以反映天然結(jié)構(gòu)性黏土的工程特性[9-10]。原狀結(jié)構(gòu)性黏土能夠反映地質(zhì)歷史時期的沉積過程和天然環(huán)境與土體的相互作用,臧濛等[5]研究表明結(jié)構(gòu)性黏土的臨界動應(yīng)力和動強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)損傷密切相關(guān),而固結(jié)壓力增長造成的土體結(jié)構(gòu)破壞程度對天然黏土動力特性的影響,以及當(dāng)結(jié)構(gòu)性黏土的結(jié)構(gòu)破壞后,原狀黏土尤其是強(qiáng)結(jié)構(gòu)性黏土的動力變形特性是否逐漸趨于重塑土則鮮有比較研究。

因此,為了保證越來越多大型建、構(gòu)筑物的安全與穩(wěn)定,減少工程事故的發(fā)生,研究循環(huán)荷載作用下土結(jié)構(gòu)性改變對結(jié)構(gòu)性黏土動力特性影響具有重要意義?，F(xiàn)開展一系列不同固結(jié)壓力下湛江原狀土與重塑土的不排水循環(huán)加載三軸試驗,對結(jié)構(gòu)性黏土在動荷載下的變形、強(qiáng)度及孔壓特性進(jìn)行系統(tǒng)性的試驗研究。

1 試驗土樣及方案

試驗儀器為英國GDS公司的飽和-非飽和動三軸試驗系統(tǒng)DYNTTS,動三軸試驗系統(tǒng)由GDSLAB軟件來控制,通過不同的加載路徑,可開展一系列循環(huán)加載三軸試驗。土樣取自廣東省湛江市,物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表1所示,該黏土具有含水率高、孔隙比大、液塑限高和豎直方向上滲透系數(shù)低的物理特性,同時,由無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗及十字板剪切試驗可知,湛江原狀黏土具有較高的力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)。天然狀態(tài)下,湛江黏土的壓縮變形性狀具有結(jié)構(gòu)性土分段式的壓縮曲線特征,存在明顯屈服點(diǎn),是一種典型的結(jié)構(gòu)性黏土。

表1 湛江黏土基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)平均值

土的動力特性試驗的影響因素很多,包括固結(jié)應(yīng)力水平、動應(yīng)力幅值、靜偏應(yīng)力、振動頻率、振動次數(shù)、土體飽和度等,此外,土的結(jié)構(gòu)性、應(yīng)力歷史等也會影響土的動力特性。主要考慮結(jié)構(gòu)性對土體動力響應(yīng)的影響,為了體現(xiàn)固結(jié)應(yīng)力水平造成的土體結(jié)構(gòu)損傷對天然黏土動力特性的影響,試驗方案中最大圍壓應(yīng)大于土的結(jié)構(gòu)屈服強(qiáng)度,故選取100、200、400 kPa 3種圍壓,與之對應(yīng)有相同固結(jié)壓力的重塑土動三軸試驗,實現(xiàn)與原狀土對照。試驗方案如表2所示,圍壓為σ3,循環(huán)動應(yīng)力比ηd=σd/σ3,其中σd為循環(huán)動應(yīng)力,振動頻率f=1 Hz。原狀樣由固定活塞的薄壁取土器鉆取,室內(nèi)推土器緩緩?fù)瞥龊蠼?jīng)切土器切成圓柱形試樣,尺寸為φ38 mm×76 mm,重塑土采用揉搓法備樣,試樣先等壓固結(jié),再進(jìn)行不排水循環(huán)三軸試驗,試驗終止條件為軸向應(yīng)變ε達(dá)10%。

表2 湛江土在不同動應(yīng)力下的循環(huán)三軸試驗

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 湛江原狀土和重塑土的動變形特征

循環(huán)荷載作用下土體會產(chǎn)生累積塑性變形,動應(yīng)力幅值的大小對累積塑性應(yīng)變的增長規(guī)律有重要影響,由圖1、圖2中原狀土和重塑土在不同圍壓不同動應(yīng)力幅值下的應(yīng)變與振次曲線可知,飽和軟黏土的應(yīng)變發(fā)展形態(tài)主要有“穩(wěn)定型”和“破壞型”。當(dāng)動應(yīng)力幅值小于臨界動應(yīng)力時,試樣應(yīng)變曲線為“穩(wěn)定型”,振動過程初始階段,試樣的應(yīng)變有所增加,但隨著振動次數(shù)的增大,應(yīng)變增長速率逐漸衰減,應(yīng)變趨于穩(wěn)定,整個過程土樣應(yīng)變一直較小。而當(dāng)動應(yīng)力幅值大于臨界動應(yīng)力,應(yīng)變曲線則為“破壞型”,與穩(wěn)定型曲線的差別在于,當(dāng)循環(huán)荷載作用到一定次數(shù)后,應(yīng)變出現(xiàn)轉(zhuǎn)折,土樣變形開始急劇增大,隨后在很少的循環(huán)振次范圍內(nèi)就產(chǎn)生大變形而破壞。

圖1 原狀土在不同圍壓下的應(yīng)變與振次曲線

圖2 重塑土在不同圍壓下的應(yīng)變與振次曲線

對比圍壓σ3=100 kPa下原狀土和重塑土的應(yīng)變與振次曲線[圖1(a)、圖2(a)]，其應(yīng)變曲線形態(tài)具有明顯差異性,原狀結(jié)構(gòu)性黏土在循環(huán)荷載作用下的破壞突然,具有脆性破壞特征,原狀土的應(yīng)變-振次曲線達(dá)到一定的應(yīng)變后呈快速增長型,應(yīng)變曲線存在明顯的轉(zhuǎn)折,而重塑土的應(yīng)變發(fā)展則呈現(xiàn)逐漸增長至破壞。為了觀察湛江原狀土應(yīng)變-振次曲線的拐點(diǎn),試驗結(jié)果僅示意了軸向應(yīng)變ε≤6%的應(yīng)變-振次曲線。某一動應(yīng)力下,土的變形介于 “穩(wěn)定”與“破壞”的中間狀態(tài)-“臨界”狀態(tài),此時對應(yīng)的動應(yīng)力定義為臨界動應(yīng)力,σ3=100 kPa時原狀土的臨界循環(huán)應(yīng)力比明顯大于重塑土的臨界循環(huán)應(yīng)力比,隨著循環(huán)動應(yīng)力比ηd的增加,原狀和重塑土樣發(fā)生破壞所需的循環(huán)振次均不斷減少。隨著固結(jié)應(yīng)力水平的增大,原狀土的臨界循環(huán)應(yīng)力顯著降低,而重塑土的臨界循環(huán)應(yīng)力變化則相對較緩慢,不同固結(jié)壓力下重塑土的應(yīng)變曲線形態(tài)以及臨界循環(huán)應(yīng)力基本一致。

然而當(dāng)σ3=400 kPa時,如圖1(c)所示,原狀土脆性破壞特征逐漸變得不那么明顯,隨圍壓增大,原狀土在不同動應(yīng)力幅值下的軸向應(yīng)變-振次關(guān)系曲線逐漸向重塑土的逐步增長型應(yīng)變曲線發(fā)展,且原狀土的臨界循環(huán)應(yīng)力比仍在顯著下降,當(dāng)固結(jié)壓力超過結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力時,即使動應(yīng)力比ηd小,軟黏土的變形發(fā)展也很快。

從土體微觀結(jié)構(gòu)分析,原狀黏土在結(jié)構(gòu)破壞前為大孔隙空間結(jié)構(gòu),是構(gòu)成土結(jié)構(gòu)的基本形態(tài),亞穩(wěn)定的凝絮結(jié)構(gòu)和顆粒間的強(qiáng)膠結(jié)作用[11],使土體結(jié)構(gòu)在外力作用下不易破損。當(dāng)隨著固結(jié)壓力的增大,原狀土的結(jié)構(gòu)逐漸破壞,土性逐漸趨于重塑土。重塑樣制備方法是揉搓法將較大的結(jié)構(gòu)單元破碎,土體內(nèi)部大多為排列無序的較小土顆粒單元,顆粒間聯(lián)結(jié)力較低,容易發(fā)生錯動和移動,在較小的動應(yīng)力下土體也會迅速發(fā)生塑性變形直至破壞。

2.2 破壞標(biāo)準(zhǔn)和動強(qiáng)度

土在循環(huán)荷載作用下的動強(qiáng)度一般理解為一定動荷載振動次數(shù)下滿足某一破壞標(biāo)準(zhǔn)所需的動應(yīng)力[12]。對于循環(huán)荷載作用下的結(jié)構(gòu)性飽和軟黏土,一般采用動荷載作用過程中變形達(dá)到某一破壞應(yīng)變作為破壞標(biāo)準(zhǔn),以便在土體破壞之前就能采取相應(yīng)的防治措施。

不同的學(xué)者根據(jù)不同的研究對象和工程控制標(biāo)準(zhǔn)提出了不同的破壞應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)。Seed等[3]對壓實黏土在交通荷載作用下土體的變形特性研究中,提出將軸向應(yīng)變達(dá)到5%作為應(yīng)變破壞標(biāo)準(zhǔn),Lee[13]利用兩種靈敏性原狀黏土進(jìn)行循環(huán)三軸試驗,發(fā)現(xiàn)靈敏性黏土在動荷載下會形成剪切破壞面,之后土體將發(fā)生非常大的變形,并提出以3%單幅應(yīng)變作為判定靈敏性黏土破壞的一個應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn),陳穎平等[4]將動荷載作用過程中變形開始急速陡轉(zhuǎn)時的轉(zhuǎn)折點(diǎn)作為破壞標(biāo)準(zhǔn),將破壞應(yīng)變與破壞振次之間進(jìn)行曲線擬合。圖3繪出σ3=400 kPa的重塑土在不同破壞應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)(2%、3%、5%)下的動強(qiáng)度曲線,可見在同一圍壓相同振次條件下,隨著破壞應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)的增大,動強(qiáng)度增加。

圖3 重塑土在不同破壞應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)的動強(qiáng)度曲線(σ3=400 kPa)

根據(jù)湛江重塑土的變形特征,采取Seed等[3]提出將軸向應(yīng)變達(dá)到5%作為應(yīng)變破壞標(biāo)準(zhǔn),而對具有突然脆性破壞特征的天然結(jié)構(gòu)性黏土,將應(yīng)變急劇增加時的轉(zhuǎn)折點(diǎn)作為破壞標(biāo)準(zhǔn),如圖4所示為不同固結(jié)壓力下原狀土的轉(zhuǎn)折應(yīng)變。采取ε-lgN曲線,不同固結(jié)壓力下原狀土的轉(zhuǎn)折應(yīng)變均在3%左右,與Lee[13]提出的以3%的應(yīng)變作為判定靈敏性黏土破壞標(biāo)準(zhǔn)基本一致,但隨著圍壓的增加,轉(zhuǎn)折應(yīng)變略有增長,說明隨著圍壓的增加,土體的脆性破壞特征會逐漸趨于不顯著。對于結(jié)構(gòu)性黏土來說,為防止土體結(jié)構(gòu)的坍塌性破壞,需謹(jǐn)慎選擇合理的特征點(diǎn)作為應(yīng)變破壞標(biāo)準(zhǔn),重塑土則一般可以結(jié)合實際工況對變形的要求來確定合適的強(qiáng)度破壞標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 不同固結(jié)壓力下原狀土的轉(zhuǎn)折應(yīng)變

在應(yīng)變破壞標(biāo)準(zhǔn)下得到土的動強(qiáng)度規(guī)律,均可以表示為達(dá)到上述破壞標(biāo)準(zhǔn)時的振次N與動應(yīng)力幅值σd之間的關(guān)系,表示為循環(huán)動應(yīng)力比與循環(huán)次數(shù)即σd/σ3-N曲線,稱為土的動強(qiáng)度曲線。采用轉(zhuǎn)折應(yīng)變作為破壞標(biāo)準(zhǔn)的原狀土的動強(qiáng)度曲線如圖5(a)所示,與圖5(b)中重塑土在不同圍壓下的動強(qiáng)度曲線差異性十分明顯,隨圍壓的增大,原狀土的動強(qiáng)度曲線迅速下降,而重塑土的動強(qiáng)度曲線下降趨勢則較為緩慢。

圖5 湛江黏土的動強(qiáng)度曲線

從湛江黏土的應(yīng)變與振次曲線可以看出,在不同的固結(jié)壓力下,當(dāng)循環(huán)動應(yīng)力比σd/σ3很小時,即使荷載的循環(huán)次數(shù)很大時,土樣也不會發(fā)生強(qiáng)度破壞,土體的累積變形很小并趨于一個穩(wěn)定值,因此,能使土體發(fā)生破壞的最小動應(yīng)力比即為土體的最小動強(qiáng)度,土體的動強(qiáng)度曲線隨著振次的無限增大最終將趨于一條穩(wěn)定曲線,低于最小動強(qiáng)度的動應(yīng)力比不會對土體產(chǎn)生弱化效應(yīng),土樣不會產(chǎn)生過大變形而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損傷破壞。湛江黏土不同圍壓下最小動強(qiáng)度如圖6所示,原狀土的最小動強(qiáng)度隨有效固結(jié)壓力降低,衰減趨勢很快,在圍壓大于結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力時最小動強(qiáng)度趨近但仍略高于重塑土,重塑樣的最小動強(qiáng)度隨圍壓的增加衰減緩慢。最小動強(qiáng)度對循環(huán)荷載作用下結(jié)構(gòu)性黏土的變形發(fā)展和強(qiáng)度破壞有重要意義,工程中將外部動荷載設(shè)計低于土體的最小動強(qiáng)度,地基土就不會發(fā)生破壞。

圖6 湛江黏土在不同圍壓下最小動強(qiáng)度

選取指定的破壞應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)和破壞振次,確定不同圍壓下的動強(qiáng)度,通過莫爾圓求得土體的動強(qiáng)度參數(shù)-動黏聚力和動摩擦角。表3分別列出了原狀土和重塑土在不同破壞振次(N=10、100、1 000)下的動黏聚力和動摩擦角。

表3可以看出,不同破壞振次N對原狀土的動黏聚力cd影響不大,動內(nèi)摩擦角φd隨著破壞振次的減小而增大,重塑土的φd在不同破壞振次下差別不大,cd變化明顯,隨著破壞振次的增大動黏聚力cd減小。比較固結(jié)不排水的靜三軸試驗結(jié)果可知,原狀土的內(nèi)摩擦角φ和黏聚力cu分別為5°、75.6 kPa,重塑土的φ和cu為11.9°、14.3 kPa,結(jié)果表明,湛江結(jié)構(gòu)性黏土的動強(qiáng)度參數(shù)中動黏聚力cd小于靜強(qiáng)度參數(shù)之黏聚力cu,而動內(nèi)摩擦角φd與靜內(nèi)摩擦角φ是接近的。但原狀土的cd仍遠(yuǎn)大于重塑土cd,動內(nèi)摩擦角則小于重塑土的φd,與靜力學(xué)參數(shù)規(guī)律一致。

表3 原狀土和重塑土的動強(qiáng)度參數(shù)

2.3 結(jié)構(gòu)性對湛江黏土動孔壓特性的影響

動荷載作用下飽和黏土動孔壓的發(fā)展規(guī)律頗為復(fù)雜,由于孔壓滯后性及測試手段有限性,主要討論結(jié)構(gòu)性對黏土的動孔壓影響規(guī)律。

由圖7、圖8(a)中原狀土在不同圍壓下的孔壓與振次關(guān)系曲線可知,隨著循環(huán)次數(shù)的增加,孔壓增長規(guī)律可分為兩種：①當(dāng)動應(yīng)力比ηd較小時,土體應(yīng)變曲線為“穩(wěn)定型”,土顆粒間的相互錯動和位移較小,孔壓上升的速率較慢,但由于振動次數(shù)較大,孔壓測量的滯后效應(yīng)越不顯著,且累積效應(yīng)導(dǎo)致孔壓隨振次不斷增長,故最終的累積孔壓也能達(dá)到較大值；②當(dāng)動應(yīng)力比ηd較大時,土體結(jié)構(gòu)在振動荷載作用下處于亞穩(wěn)態(tài)狀態(tài)并最終會破壞失穩(wěn),故孔壓增長速率快于穩(wěn)定型試樣的孔壓曲線,但對于同為“破壞型”應(yīng)變曲線的孔壓-振次曲線[如圖7(a)中ηd=0.9、0.95、0.98三條曲線],孔壓發(fā)展速率隨動應(yīng)力比的增加并未明顯提高,即“破壞型”應(yīng)變曲線對應(yīng)的孔壓-振次曲線基本一致,破壞振次越大,孔壓滯后效應(yīng)就越小,測得土體破壞時的最終累積孔壓越大。

圖7 原狀土在不同圍壓下的孔壓與振次曲線

圖8 原狀土和重塑土的孔壓與振次對比曲線(σ3=400 kPa)

由原狀土的孔壓-振次曲線發(fā)現(xiàn),無論土體變形狀態(tài)是“穩(wěn)定型”還是“破壞型”,孔壓隨振次都呈增長勢,即孔壓不具有在土結(jié)構(gòu)破壞時突然變化的特征,與破壞應(yīng)變也沒有明確的對應(yīng)關(guān)系。因此,等壓固結(jié)狀態(tài)的動孔壓-振次曲線無法反映天然土體結(jié)構(gòu)的破壞特性。

對比圖8的原狀土和重塑土在圍壓σ3=400 kPa下孔壓與振次關(guān)系曲線,重塑土的動應(yīng)力比ηd遠(yuǎn)小于原狀土的ηd,孔壓卻明顯高于原狀土,即重塑土在動荷載作用下的孔壓累積效應(yīng)更顯著。重塑土在低于臨界動應(yīng)力比的小幅值循環(huán)荷載作用下,累積應(yīng)變較小,孔壓也會大幅增長,如圖8(b)中動應(yīng)力比ηd=0.325的動孔壓-振次曲線,累積應(yīng)變在2%左右,累積孔壓高達(dá)140 kPa；同樣的,當(dāng)重塑土的ηd較大時,如圖8(b)中動應(yīng)力比ηd=0.4的孔壓發(fā)展曲線,重塑土經(jīng)歷N>1 000次的循環(huán)荷載并振動破壞,孔壓增長顯著,孔壓可達(dá)180 kPa。

由孔壓的發(fā)展規(guī)律可知,隨著循環(huán)次數(shù)的增加,原狀土和重塑土的孔壓均增加,但結(jié)構(gòu)性對黏土的孔壓特性影響較為顯著,原狀土顆粒之間的膠結(jié)作用阻礙了顆粒間的錯動及變形,故循環(huán)荷載作用下結(jié)構(gòu)性黏土的動孔壓上升速率較慢。而重塑土的結(jié)構(gòu)被破壞,顆粒間的聯(lián)結(jié)作用基本喪失,土顆粒就容易發(fā)生較大錯動,土孔壓發(fā)展加快,結(jié)構(gòu)性某種程度上抑制了原狀土的孔壓發(fā)展。

3 結(jié)論

(1)結(jié)構(gòu)性黏土在循環(huán)荷載作用下呈脆性破壞特征,隨固結(jié)壓力增大,原狀土的臨界循環(huán)應(yīng)力比顯著下降,土體的脆性破壞特征逐漸趨于不顯著,原狀土的快速增長型應(yīng)變曲線逐漸向重塑土的逐步增長型應(yīng)變曲線發(fā)展。

(2)對于結(jié)構(gòu)性黏土來說,為防止土體結(jié)構(gòu)的坍塌性破壞,需謹(jǐn)慎選擇合理的特征點(diǎn)作為應(yīng)變破壞標(biāo)準(zhǔn),重塑土則一般可以結(jié)合實際工況對變形的要求來確定合適的強(qiáng)度破壞標(biāo)準(zhǔn)。

(3)原狀土和重塑土在不同圍壓下的動強(qiáng)度曲線差異性十分明顯,隨圍壓的增大,原狀土的動強(qiáng)度曲線迅速下降,而重塑土的動強(qiáng)度曲線下降趨勢較緩。

(4)結(jié)構(gòu)性對循環(huán)荷載作用下黏土的孔壓特性有一定程度的影響,原狀土在動荷載作用下動孔壓上升速率較慢,而重塑土在動荷載作用下的孔壓累積效應(yīng)更顯著,結(jié)構(gòu)性某種程度上抑制了原狀土的孔壓發(fā)展。