陳穎平，黃博

（1.武夷學院 土木工程與建筑學院，福建 武夷山 354300；2.浙江大學 建筑工程學院，杭州 310058）

我國東南沿海分布著廣泛的軟土地基，在地震、交通、波浪等循環(huán)荷載作用下，軟粘土中會產(chǎn)生孔隙水壓力，孔壓過高易引起土體強度降低和軟化變形[1-2]。巖土工程施工過程中，土體往往受到擾動，其孔壓發(fā)展規(guī)律將發(fā)生改變[3]；另一方面，為了提高土體的動強度，工程上常采用注漿的方法來改良地基，地基土注漿后的動孔壓累積特性是否發(fā)生明顯變化，也是一個值得關注的問題。前人對軟粘土的動孔壓問題進行了諸多研究[4-11]，但極少涉及上述三種土樣的動孔壓特性比較比較分析。為此，本文筆者利用浙江杭州某原狀與重塑粘土試樣?以及摻了水泥的粘土重塑樣在不同固結壓力下進行了一系列的循環(huán)三軸試驗，比較分析了這三類土在循環(huán)荷載作用下動孔壓發(fā)展的規(guī)律，探討了土結構性對孔壓增長規(guī)律的影響。

1 試驗內(nèi)容和方法

試驗土樣取自杭州某磚窯廠拆遷地塊一定深度處的土體，取樣尺寸為30 cm×30 cm×25 cm。試驗是在HX-100 氣壓伺服式多功能三軸儀上進行的，采用應力控制式加載方式，加載波形采用正弦波。由壓縮固結試驗確定試驗土體的先期固結壓力和結構屈服應力分別為80 kPa 和160 kPa，因此，本文即采用這兩個壓力值作為循環(huán)三軸試驗的固結壓力。土樣的基本物理性質指標見表1。

試驗土樣分為原狀樣、重塑樣及摻質量百分比分別為2%，3%，4%，6%的普通硅酸鹽水泥試樣。重塑樣及摻 水泥試樣的干密度與原狀樣相同。試樣高度為8.0 cm，直徑均為3.91 cm，采用真空抽氣飽和（摻2%水泥的試樣則是在抽真空飽和后在常溫常壓下養(yǎng)護24 h），在80, 160 kPa 壓力下固結24 h，然后在不排水條件下施加頻率為1Hz 的循環(huán)荷載。

2 試驗結果與分析

2.1 原狀樣在不同動應力幅值下動孔壓隨振次變化關系曲線

圖1 為原狀土樣歸一化孔壓隨振次的變化曲線。由該圖可以看出，在兩種固結壓力下，當動應力比較 小時（如1(a)圖中σd/σ0’=0.391 和圖1(b)中σd/σ0’=0.259 的情況），雖然孔壓增長速率相對較慢，但孔壓處于不斷上升的趨勢中，此時孔壓的發(fā)展大致存在著3 個階段：第1 階段，孔壓的發(fā)展速率較慢，孔壓曲線較為平緩，隨著循環(huán)振次的增加大致呈線性增長；進入第2 階段，孔壓的發(fā)展速率開始加快，當進入第3 階段后，孔壓上升的速率進一步加快，在相對較少的循環(huán)振次下就達到較高的值。這是因為原狀土具有較強的結構性，在較小的動應力作用下，土的結構不易較快破壞，土顆粒之間的相對位置變化的較慢，土體的剪縮過程進行的較慢，因此孔壓上升的速率也比較慢；一旦土體結構受到損傷乃至破壞，土顆粒間將較容易產(chǎn)生相對位移，土體強度也不斷降低，土中水承受的壓力就不斷增大，導致孔壓持續(xù)升高。

圖1 原狀粘土在不同動應力幅值下的動孔壓-振次關系曲線

當動應力比較大時，孔壓的發(fā)展速率也較快，此時的動孔壓發(fā)展也可分為3 個階段，前兩個階段與動應力幅值較小時的情形相似，差別在于第3 階段，在該階段土體中孔壓的發(fā)展速率趨于平緩（如圖1(a)中σd/σ0’=0.598 以及圖1(b)中σd/σ0’=0.515, 0.412 的情況），且最終達到的孔壓比也較低，基本不超過0.7。兩種固結壓力下，當動應力比很大時（如圖1(a)中σd/σ0’=0.79 以及圖1(b)中σd/σ0’=0.594 的情況），土體最終的累積孔壓值較低，尤其是固結壓力等于160 kPa 時，動應力幅值較大時的土體孔壓只達到固結壓力的0.2～0.3倍就不再升高了，其最終孔壓值顯著小于應力幅值較小時的情況。本文認為這一方面是因為在較大動應力作用下（尤其是在結構屈服壓力下固結時），土體很快產(chǎn)生破壞，孔壓來不及累積增大；另一方面，在動應力較大的情況下，土樣破壞時往往容易形成貫通的破裂面，土中水能排到土樣外圍，試驗中包圍土樣的橡皮膜具有向外側擴張的彈性，這能夠明顯降低孔隙水壓力。

2.2 粘土重塑樣在不同動應力幅值下動孔壓隨振次變化關系曲線

圖2是粘土重塑樣的動應變-振次關系曲線，可以看出，在小幅值動應力情況下，粘土重塑樣的孔壓發(fā)展變化規(guī)律與原狀樣類似，也存在著3個階段。而且隨著動應力幅值的增大，孔壓的發(fā)展速率也是不斷加快。小應力幅值作用下的土體最終孔壓值也還是比大應力幅作用下的大。與原狀樣有所不同的是，當動應力幅值較大時，雖然土樣也是在較少的循環(huán)振次內(nèi)破壞，但其孔壓發(fā)展仍呈上升趨勢，而不是像原狀土那樣趨于穩(wěn)定。

圖2 蕭山粘土重塑樣在不同動應力幅值下的動孔壓-振次關系曲線

2.3 摻水泥的粘土重塑樣在不同動應力幅值下動孔壓隨振次變化關系曲線

圖3是摻質量百分比為2%水泥的粘土重塑樣在不同動應力幅值下的動孔壓-振次關系曲線。由該圖可以看出，該試樣的孔壓發(fā)展規(guī)律兼具了原狀樣和重塑樣的一些特性，在固結壓力較小的情況下（80 kPa），其孔壓特性較接近于重塑樣，孔壓上升的速率隨著動應力的增大而增大，且大致也分為3個階段；而當固結壓力較大時（160 kPa），其孔壓發(fā)展形態(tài)則更接近于原狀樣，孔壓發(fā)展速率并非完全隨著動應力的增大而增大，當施加的動應力幅值較大時（圖3(b)中σd/σ0’=0.619的情況），孔壓的發(fā)展速率及峰值反而有所降低。究其原因，筆者認為這可能是與土樣本身的結構性強弱有關。由于摻入的水泥量較少，在80 kPa的圍壓下固結后，土樣形成的結構還不是很強，土結構性更接近于重塑樣，所以其孔壓性狀也更接近于重塑樣。而在160 kPa圍壓下固結24 h后，土體的結構性增強了，這樣它表現(xiàn)出來的動孔壓特性也就更接近于強結構性土，因此其孔壓變化規(guī)律與原狀土樣類似。試樣的動強度結果也驗證了筆者的這個推論，在固結壓力為80 kPa時，重塑樣和水泥樣的動強度較接近，均明顯小于原狀樣，表明此時水泥樣的動力特性更接近于重塑樣；而當固結壓力為160 kPa時，水泥樣的動強度高于原狀樣，表明該試樣此時已具有類似于原狀樣的結構強度了。

圖3 摻質量百分比2%水泥的粘土重塑樣在不同動應力幅值下的動孔壓-振次關系曲線

無論在哪個圍壓下固結，摻質量百分比2%水泥的重塑樣在動應力比很大時，孔壓最終都有趨穩(wěn)的特點。為了進一步了解摻水泥重塑樣的這個特性，筆者又采用摻了質量百分比分別為3%, 4%, 6%水泥含量的重塑樣在80 kPa固結壓力作用下進行了循環(huán)荷載試驗，結果如圖4所示。

由圖4可以看出，摻水泥重塑樣的孔壓增長速率隨動應力增大而增大，這點與重塑樣類似。但當動應力比相對較大時，孔壓最終有趨穩(wěn)的特性，這與摻質量百分比為2%水泥的重塑樣及原狀樣相似，表明具有一定結構性的軟土在大動應力幅值作用下的孔壓發(fā)展規(guī)律與重塑樣存在著不同之處。但這些土樣在小幅值動應力作用下都存在著一個共同點，即它們的孔壓隨振次增加呈不斷上升的趨勢，這表明在小振幅循環(huán)荷載的長期作用下，軟基土體無論是否受到擾動或注漿處理，其孔壓均將持續(xù)增長，這將導致土體中的孔壓消散亦將持續(xù)很長時間并可能引起較大的變形，這或許是目前興建在軟基的地鐵和高速公路在通車后發(fā)生長期持續(xù)沉降的原因。

圖4 不同水泥摻量的粘土重塑樣的動孔壓-振次關系曲線

圖5比較了3種土樣在相近動應力作用下的孔壓增長情形。由該圖可以看出，在固結壓力和動應力基本相同的情況下，具有不同結構性的土樣其孔壓發(fā)展規(guī)律也存在著較明顯的差異，已有的孔壓模型均無法反映出這種特性，今后將考慮引入合適的土結構性表征參數(shù)來進一步研究這個問題。

圖5 相近動應力作用下水泥樣、原狀樣及重塑樣的動孔壓比較圖

綜上所述，可以得到循環(huán)荷載作用下軟土結構性影響孔壓發(fā)展的兩點規(guī)律：（1）固結壓力的大小對試樣的結構性存在著影響，進而影響其動孔壓特性；（2）結構性軟土的孔壓變化規(guī)律與循環(huán)應力幅值有關。當動應力較大時，試樣孔壓累積值反而較小并最終趨于一穩(wěn)定值；隨著動應力幅值減小，孔壓增長速率降低，但最終累積孔壓隨振次增加卻呈不斷上升趨勢。

3 結論

本文試驗采用杭州某地塊粘土原狀樣、重塑樣以及摻水泥的粘土重塑樣分別在80 kPa和160 kPa兩種圍壓下固結后進行循環(huán)三軸試驗，得到如下結論：

（1）當動應力較小時，原狀樣孔壓隨振次呈不斷上升趨勢，并且其發(fā)展速率隨著動應力的增大而加快；但當動應力達到一個相對較大的幅值以后，孔壓的上升速率及最終達到的累積孔壓值反而有所減小。

（2）重塑樣在循環(huán)荷載作用下的孔壓上升速率隨著動應力的增大而增大，累積孔壓隨振次增加而不斷升高。

（3）摻2%水泥的重塑樣在較小固結壓力下的孔壓特性較接近于重塑樣，而在大圍壓下的孔壓特性則更接近于原狀樣。

（4）結構性不同的軟土其孔壓特性也有所差異，但在小幅值動應力作用下都存在著一個共同點，即它們的孔壓隨振次增加呈不斷上升的趨勢。