曹樹剛，曾芳金，谷 川，沈 娟

(1．江西理工大學建筑與測繪工程學院，江西贛州 341000；2．溫州大學建筑工程學院，浙江溫州 325035；3．浙江省軟弱土地基與海涂圍墾工程技術(shù)重點實驗室，浙江溫州 325035)

雙向動應力耦合狀態(tài)下飽和軟黏土動力特性的影響因素研究

曹樹剛1，曾芳金1，谷 川2,3，沈 娟1

(1．江西理工大學建筑與測繪工程學院，江西贛州 341000；2．溫州大學建筑工程學院，浙江溫州 325035；3．浙江省軟弱土地基與海涂圍墾工程技術(shù)重點實驗室，浙江溫州 325035)

應用GDS動靜真三軸測試系統(tǒng)，對溫州地區(qū)典型的飽和軟黏土進行了一系列循環(huán)大主應力與循環(huán)中主應力耦合的復雜應力路徑下的試驗，通過對試驗過程中排水條件與有效固結(jié)圍壓的控制，研究了有效固結(jié)圍壓和排水條件對飽和軟黏土的永久大主應變、永久中主應變和殘余孔壓的影響，分析了加荷頻率對飽和軟黏土應變特性的影響．試驗結(jié)果表明：無論是不排水條件還是排水條件，有效固結(jié)圍壓越大，試樣的永久大主應變與永久中主應變越小，殘余孔壓越不易產(chǎn)生；加荷頻率越大的試樣，永久大主應變越小，而永久中主應變越大；在有效固結(jié)圍壓相同的條件下，排水條件下的永久應變小于不排水條件下的永久應變．

交通荷載；真三軸；加荷頻率；永久應變；孔壓比

交通荷載是一種長期循環(huán)的荷載，對交通荷載的研究多采用室內(nèi)單元試驗進行模擬，之前研究者由于受到儀器的限制，試驗使用的應力路徑往往只包含單一方向的循環(huán)應力分量，如動單剪儀只能施加單一的循環(huán)剪應力，動三軸儀只能施加單一的循環(huán)偏應力．陳青生等[1-2]用動單剪試驗確定了砂土有限元模型的參數(shù)．隨著巖土工程試驗儀器的發(fā)展與研究深入進行，研究者開始關(guān)注更加復雜應力路徑下飽和土體的動力特性．雙向動單剪試驗可同時施加 2個垂直方向動剪應力．Kammerer等①Kammerer A M,SEED R B,Wu J,et al. Pore water development in liquefiable soils under bi-directional loading conditions [C] // Proceedings of the 13th world conference on earthquake engineering. Vancouver,Canada,2004: 697-704.研究了2個垂直方向的動剪應力組成的應力路徑對飽和砂土孔壓特性的影響，發(fā)現(xiàn)與常規(guī)單向動單剪試驗相比，2個方向動剪應力的耦合會對瞬時動孔壓產(chǎn)生較大影響，體現(xiàn)為瞬時動孔壓的變化幅度更大，且瞬時孔壓的最大值與最小值表現(xiàn)出不同的發(fā)展規(guī)律．施明雄[3]用雙向振動三軸儀進行了砂土動力特性試驗研究，欒茂田等[4]通過雙向耦合循環(huán)剪切試驗研究了飽和海洋黏土孔壓與強度特性．Grabe等[5-9]基于空心圓柱扭剪儀，研究了包括主應力軸旋轉(zhuǎn)的二維應力路徑對飽和土體變形、孔壓等特性的影響．谷川等[10]基于變圍壓動三軸試驗，通過循環(huán)偏應力與循環(huán)圍壓的耦合模擬了真實交通荷載下豎向循環(huán)正應力與水平循環(huán)正應力的耦合，研究了循環(huán)圍壓對飽和軟黏土孔壓、永久變形和回彈特性的影響．

交通荷載引起的動應力場中不但有循環(huán)偏應力，還有較大幅值的水平方向的循環(huán)中主應力σ2ampl、較小幅值的循環(huán)小主應力 σ3ampl，循環(huán)中主應力要比循環(huán)小主應力大得多．關(guān)于交通荷載的模擬以往的大部分學者只考慮了交通荷載引起的循環(huán)偏應力分量[11-14]，即將中主應力σ2與小主應力σ3對土體的影響同等看待，這顯然是不妥的．目前大部分研究中主應力的試驗對象都集中在砂土上，并且施加荷載大部分為靜力荷載，鮮有文獻考慮循環(huán)中主應力對飽和軟黏土的影響．

本文應用GDS動靜真三軸測試系統(tǒng)對飽和軟黏土做了一系列循環(huán)大主應力與循環(huán)中主應力雙向動應力耦合的試驗，研究了不同有效固結(jié)圍壓、排水條件和加荷頻率這些因素對飽和軟黏土動力特性的影響，本研究可為交通荷載下路基的設計提供參考．

1 試驗儀器與試驗土樣

1.1 試驗儀器

試驗所用儀器為溫州大學動靜態(tài)真三軸測試系統(tǒng)．該套測試系統(tǒng)由壓力室、加荷系統(tǒng)和數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)等組成（見圖1）．該真三軸測試系統(tǒng)的加荷方式為剛?cè)釓秃闲图虞d方式，豎向與水平向為剛性加載，側(cè)向為柔性加載．通過氣壓將荷載傳遞給壓力室內(nèi)的無氣水，無氣水對試樣的側(cè)面施加荷載．避免了純氣壓加載情況下氣體進入橡皮膜，保證了側(cè)向受荷均勻．

圖1 GDS動靜真三軸測試系統(tǒng)

1.2 試驗土樣

試驗用巖土試樣為典型的原狀溫州軟黏土，土樣取自溫州市茶山高教園區(qū)某深基坑，深度約7 m左右．試樣尺寸為150 mm×75 mm×75 mm，所用溫州軟黏土的具體物理性質(zhì)指標見表1．

表1 試驗土樣的物理性質(zhì)指標

2 試驗方案與加載過程

表2為本研究的試驗方案，在試驗的過程中同時施加水平方向與軸向雙向動應力來研究飽和軟黏土在這種應力路徑下的動力特性，包括應變特性和孔壓特性．所施加動荷載波形為正弦波，即動荷載以正弦曲線的形式循環(huán)施加，所施加的水平向與軸向動應力分別稱為循環(huán)中主應力σ2ampl與循環(huán)大主應力σ1ampl．圖2中σ10，σ20，σ30分別為試樣固結(jié)完畢后的初始應力狀態(tài)．試驗過程見圖2．

試驗的整個過程包括試樣制作、飽和、固結(jié)、試驗步驟的施加．試樣制作使用切土器切割成一定尺寸的立方體試樣，飽和時所施加反壓300 kPa、圍壓310 kPa．固結(jié)過程中保持反壓不變將圍壓升高至400 kPa，使得每個試樣均在100 kPa有效圍壓下固結(jié)，試驗步驟按照表2方案來施加．本系列試驗所有試樣的荷載循環(huán)周數(shù)均為5 000周，頻率為0.1 Hz．

表2 試驗方案

3 永久應變的定義

圖3為循環(huán)荷載下典型的應變發(fā)展規(guī)律示意圖．在循環(huán)荷載作用下應變波動變化，每個荷載循環(huán)周期，應變的發(fā)展有一個最大值點與最小值點，將所有最大值點與最小值點分別連線，即得到最小應變線 εmin與最大應變線 εmax，分別稱為永久應變與最大應變．永久應變對應了實際交通荷載作用下路基土體的永久沉降，因此對于永久應變的研究有著非常重要的意義，尤其是永久大主應變的研究對路基沉降計算有很大的指導意義．

圖2 試驗過程示意圖

圖3 循環(huán)荷載下典型的應變發(fā)展曲線

4 試驗結(jié)果分析

4.1 永久大主應變

圖4是不排水條件下典型的大主應變時程曲線，試驗結(jié)果中的三條曲線，分別為有效固結(jié)圍壓p0'為50 kPa、100 kPa和150 kPa的情況，從圖4可看出，大主應變隨著時間的增加波動發(fā)展．

圖4 典型的大主應變時程曲線

為了進一步對大主應變進行分析，找出荷載循環(huán)每一周的最小應變，得到永久大主應變隨加載周數(shù)的變化曲線，如圖5所示．圖5中（a）圖為排水條件下的試驗結(jié)果，（b）圖為不排水條件下的試驗結(jié)果．從圖5可以看出，無論是不排水條件還是排水條件，有效固結(jié)圍壓越大，永久大主應變越?。砻鞴探Y(jié)圍壓的增大，增加了土體的密實度，從而提高了土的強度，增加了土體抵抗變形的能力．

需要說明的是p0'=50 kPa時的不排水與排水試樣，由于固結(jié)圍壓較小，在試驗未達到預定循環(huán)周數(shù)的時候，由于大主應變過大，造成真三軸測試系統(tǒng)的水平加載板與豎向加載板相互干擾，導致試驗停止，但這并不影響數(shù)據(jù)的準確性．不排水條件下荷載循環(huán)至 N=229時停止，排水條件下N=1 208時試驗停止，下文的分析中不再贅述．

圖5 固結(jié)圍壓對永久大主應變的影響

圖6 為有效固結(jié)圍壓相同，排水條件不同時的永久大主應變隨加載周數(shù)的變化曲線．可以看出，在有效固結(jié)圍壓相同的條件下，排水條件下的永久大主應變小于不排水條件下的永久大主應變．這是由于排水條件下試驗過程中試樣內(nèi)的孔隙水會逐漸排出，孔壓會逐漸降低，有效應力大于不排水條件下的有效應力，因此有效應力的增加使得土的強度有所增加．

圖6 排水條件對永久大主應變的影響

4.2 永久中主應變

圖7為典型的中主應變時程曲線．從圖中可以發(fā)現(xiàn)中主應變隨時間波動發(fā)展，在初始階段發(fā)展較快，隨后趨于穩(wěn)定．

圖7 典型的中主應變時程曲線

為了對永久中主應變進行分析，找出荷載循環(huán)每一周的最小值，圖8為永久中主應變隨加載周數(shù)的變化曲線，圖 8中（a）圖為排水條件下的試驗結(jié)果，（b）圖為不排水條件下的試驗結(jié)果．分析圖8可以發(fā)現(xiàn)，無論是不排水條件還是排水條件，隨著加載周數(shù)的增加，每個試樣的永久中主應變逐漸發(fā)展，在試驗初始階段發(fā)展速率較快，隨著時間的增加，曲線斜率變得平緩，發(fā)展速率開始減慢．對于不同固結(jié)圍壓下的巖土試樣研究發(fā)現(xiàn)，有效固結(jié)圍壓越大，永久中主應變越?。?/p>

圖8 有效固結(jié)圍壓對永久中主應變的影響

圖9為有效固結(jié)圍壓相同，排水條件不同的永久中主應變隨加載周數(shù)的變化曲線．可以發(fā)現(xiàn)，在同樣的有效固結(jié)圍壓下，排水條件下的永久中主應變小于不排水條件下的永久中主應變，這同樣可以用有效應力原理來解釋．

圖9 排水條件對永久中主應變的影響

圖10為不同加荷頻率f下永久大主應變與永久中主應變的變化曲線．從圖10中（a）圖可知加荷頻率越大，永久大主應變越?。粡膱D10中（b）圖可以發(fā)現(xiàn)，加荷頻率越大，永久中主應變越大．對于永久大主應變，這是由于加荷頻率高時，荷載循環(huán)一周所需時間短，荷載循環(huán)每周期內(nèi)，應變方向改變較快，導致每周的總應變較小，永久應變較小；對于永久中主應變，除了受上述因素的影響之外，還受到軸向應變的約束，軸向應變的產(chǎn)生會阻礙永久中主應變的發(fā)展，由于循環(huán)大主應力大于循環(huán)中主應力，因此這種阻礙就起到主導作用，造成加荷頻率越大，永久大主應變越小，軸向變形對水平變形的阻礙作用就越小，永久中主應變越大．圖10中（c）圖為永久大主應變與永久中主應變關(guān)系圖，可以發(fā)現(xiàn)，加荷頻率越大，相同的永久大主應變對應的永久中主應變越大，曲線會逐漸向中主應變軸靠近．因此可以認為，增大加荷頻率會抑制永久大主應變的發(fā)展，但是會促進永久中主應變的發(fā)展．

圖10 加荷頻率對永久應變的影響

4.3 孔壓分析

在眾多的孔壓發(fā)展模型中，一般用孔壓比rμ表示孔壓的大?。畆μ=Δμ/ p0'，Δμ為循環(huán)荷載引起的孔壓增量，p0'為初始有效固結(jié)圍壓．與動應變發(fā)展規(guī)律相似，孔壓的發(fā)展在動荷載作用下波動發(fā)展，荷載循環(huán)的每一周均會有一個最大孔壓與最小孔壓，一般認為荷載循環(huán)每周的最小孔壓為殘余孔壓，通過最小孔壓比來反映．

圖11 最小孔壓比與加載周數(shù)的關(guān)系曲線

圖11為最小孔壓比隨加載周數(shù)的變化曲線．圖中11中（a）圖為不排水條件、（b）圖為排水條件，可以發(fā)現(xiàn)，不排水條件最小孔壓比隨加載周數(shù)的增加逐漸增加，并逐漸穩(wěn)定．p0'=100 kPa的試樣，由于試驗過程中軟件不穩(wěn)定，多次施加動荷載造成試樣的初始孔壓發(fā)生變化，產(chǎn)生了增量，但并不影響孔壓穩(wěn)定后的值；對于排水條件下的情況，孔壓均先升高后降低，這是由于試驗過程中排水閥是打開的，試驗過程中孔隙水逐漸排出，造成孔壓逐漸下降．另外無論是不排水條件還是排水條件，有效固結(jié)圍壓越大，試驗的最小孔壓比越?。钚】讐罕仍叫?，表明動荷載產(chǎn)生的孔壓增量相對于初始有效固結(jié)圍壓越小，越不易產(chǎn)生孔壓增量．

5 結(jié) 論

在循環(huán)大主應力與循環(huán)中主應力耦合作用條件下，對不同有效固結(jié)圍壓、不同排水條件和加荷頻率下的黏土試樣進行分析，對飽和軟黏土在復雜動應力路徑下的應變特性、動孔壓特性進行研究，得出以下結(jié)論：

（1）無論是不排水條件還是排水條件，有效固結(jié)圍壓越大，永久大主應變與永久中主應變均越小，增大有效固結(jié)圍壓可以增加了土體抵抗變形的能力．

（2）在相同的有效固結(jié)圍壓下，排水條件下的永久大主應變小于不排水條件下的永久大主應變，排水條件下的永久中主應變小于不排水條件下的永久中主應變．

（3）加荷頻率對永久應變有比較明顯的影響，在其他條件相同的條件下，加荷頻率越大永久大主應變越小，而永久中主應變越大，永久大主應變-永久中主應變曲線越靠近中主應變軸．

（4）不排水條件下最小孔壓比隨著加載周數(shù)的增加逐漸發(fā)展并逐漸穩(wěn)定，排水條件下的孔壓發(fā)展先升高后下降；無論是不排水條件還是排水條件，有效固結(jié)圍壓越大，最小孔壓比越小，殘余孔壓的發(fā)展相對于有效固結(jié)圍壓越?。?/p>

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The Study of Influence Factors on Saturated Soft Clay at Couple State of Bidirectional Dynamic Stress

CAO Shugang1,ZENG Fangjin1,GU Chuan2,3,SHEN Juan1
(1. School of Architectural and Surveying & Mapping Engineering,Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou,China 341000; 2. Architecture Engineering College,Wenzhou University,Wenzhou,China 325035; 3. Key Laboratory of Week Soil Foundation and Sea-beach Reclamation Engineering of Zhejiang Province,Wenzhou,China 325035)

This paper introduces the system of GDS dynamic and static true-triaxial apparatus application. A series of experiments of circulation principal stress and circulation intermediate principal stress under the complex stress path towards the typical saturated soft clay in Wenzhou area are made in these experiments. The effective consolidation pressure and drainage conditions on permanent major principal strain of the saturated soft clay as well as the permanent intermediate principal strain and the residual pore pressure are studied through the control of the effective consolidation pressure and drainage conditions in the test process. Meanwhile,the effect on the loading frequency rate to the strain properties of soft clays is analyzed. Test shows that no matter in the undrained condition or in the drained condition,the higher the effective consolidation pressure is,the less the permanent major principal strain and permanent intermediate principal strain will be,the harder the residual pore pressure ratio will produce. The more the sample of loading frequency rate becomes,the less the permanent major principal strain will be,but the permanent intermediate principal strain will increase. Under the condition of the same effective consolidation pressure,the permanent strain in the drained conditions will be less than that in the undrained conditions.

Traffic Loading; True-triaxial Apparatus; Loading Frequency; Permanent Strain; Pore Pressure Ratio

TU442

：A

：1674-3563(2017)01-0055-08

10.3875/j.issn.1674-3563.2017.01.007 本文的PDF文件可以從xuebao.wzu.edu.cn獲得

(編輯：封毅)

2015-09-19

國家自然科學基金項目(51278383；51025827)

曹樹剛(1991- )，男，河南新鄉(xiāng)人，碩士研究生，研究方向：土動力學研究