李 玥

（遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，沈陽(yáng) 110006）

縱觀國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于砂土、軟土、粉土等關(guān)于初始剪應(yīng)力對(duì)土的應(yīng)變和強(qiáng)度的影響尚未形成統(tǒng)一結(jié)論， 且尚未見(jiàn)到有關(guān)粉砂土長(zhǎng)期循環(huán)荷載作用下初始剪應(yīng)力影響的報(bào)道。

簡(jiǎn)連貴等［1］通過(guò)共振柱試驗(yàn)研究了初始靜剪應(yīng)力對(duì)外海回填砂土的動(dòng)力特性， 回填土的剪切模量與最大剪切模量均隨初始剪應(yīng)力的增加而增加，初始剪應(yīng)力對(duì)阻尼比的影響不太明顯。 黃茂松［2］基于臨界狀態(tài)土力學(xué)理論，引入了相對(duì)偏應(yīng)力水平參數(shù)，考慮初始靜應(yīng)力、 循環(huán)動(dòng)應(yīng)力和不排水極限強(qiáng)度的相互影響， 研究了飽和軟黏土的不排水循環(huán)累積變形特性。 李校兵等［3］通過(guò)靜、動(dòng)三軸試驗(yàn)研究表明，隨著初始剪應(yīng)力的增大，動(dòng)應(yīng)變和孔壓增大，土體動(dòng)強(qiáng)度減小。王軍等［4］利用GDS雙向循環(huán)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)超固結(jié)軟土進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)， 結(jié)果表明隨著初始剪應(yīng)力增大，動(dòng)應(yīng)變發(fā)生較大幅度增加，初始剪應(yīng)力對(duì)應(yīng)變速率有顯著影響， 應(yīng)變率隨著初始剪應(yīng)力增加而增加。

粉砂土工程性質(zhì)既不同砂土，也不同黏土，因此對(duì)于粉砂土動(dòng)力特性的研究具有重要理論意義和工程意義。

1 試驗(yàn)土樣及方案

1.1 試驗(yàn)土料

試驗(yàn)所用的土料取自河南西郊某取土坑內(nèi)，深度3m，可見(jiàn)少量的植物根系。 由于顆粒粒徑較小，用篩析法可能存在偏差， 因此采用馬爾文粒度分析儀APA2000測(cè)得土的顆粒級(jí)配曲線如圖1， 由圖可知，粒徑小于0.005mm 的黏粒含量為1.42%， 粒徑在0.005～0.075mm 之間粉粒含量32.68%， 粒徑大 于0.075mm的砂粒含量65.90%。根據(jù)GB/T 50145—2007《土的工程分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，將該土定名為粉土質(zhì)砂（簡(jiǎn)稱(chēng)粉砂土）。 試驗(yàn)室內(nèi)測(cè)得粉砂土其他物理性質(zhì)指標(biāo)如表1。

圖1 土的顆粒級(jí)配曲線

表1 粉砂土物理性質(zhì)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)所用儀器為空心圓柱（HCA）扭剪儀DTC-199HVS，該儀器可做圓柱體和空心圓柱體試樣的動(dòng)扭剪試驗(yàn)，要進(jìn)行土體復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下動(dòng)力特性的研究必須要選擇空心圓柱試樣，可以獨(dú)立控制內(nèi)外圍壓， 也可以設(shè)定相位差來(lái)同步控制內(nèi)外圍壓、垂直加載和扭轉(zhuǎn)加載，可以進(jìn)行多向耦合試驗(yàn)，也可單獨(dú)控制其運(yùn)動(dòng)， 可真實(shí)模擬土體所受的動(dòng)荷載，是目前土動(dòng)力學(xué)研究最為先進(jìn)的儀器之一。 儀器由壓力室、加載單元、液壓泵、電子測(cè)量和控制單元等組成，試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)專(zhuān)用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動(dòng)采集保存。

1.3 試樣制備

試驗(yàn)所用試驗(yàn)全部為空心圓柱重塑樣， 外徑7cm，內(nèi)徑3cm，高10cm。 先將取回的土料風(fēng)干，用木碾碾碎，過(guò)2mm篩，測(cè)得過(guò)篩后的含水率備用。 根據(jù)JTG B01—2014《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》高速公路上路床和下路床的壓實(shí)度≥96%，根據(jù)最大干密度確定，試驗(yàn)土樣的干密度統(tǒng)一取1.71g/cm3，含水率取最優(yōu)含水率11.3%。風(fēng)干過(guò)篩后的土料含水率較低，計(jì)算所需的加水量，用噴霧器均勻噴灑到平鋪于不吸水托盤(pán)內(nèi)的土樣上，反復(fù)拌和后裝入保鮮袋內(nèi)，密封靜置一晝夜。 在土料不同位置取樣重新測(cè)得含水率，直至達(dá)到11.3%。 采用壓樣法分4層壓實(shí)土樣，再采用特制工具將其加工為空心圓柱樣，放入保濕缸內(nèi)備用。

1.4 試樣的應(yīng)力狀態(tài)

試樣中的土單元上共有4個(gè)獨(dú)立的應(yīng)力分量，即由軸力W產(chǎn)生的軸向應(yīng)力σz，由扭矩MT 產(chǎn)生的剪應(yīng)力τzθ及有內(nèi)室壓力Pi和外室壓力P0引起的徑向應(yīng)力σr和環(huán)向應(yīng)力σθ。 由于試樣的內(nèi)、外室的壓力總是由水通過(guò)柔軟的橡皮膜施加在試樣的內(nèi)外壁上，故在內(nèi)、外壁面上沒(méi)有剪應(yīng)力， 所以徑向應(yīng)力總是一個(gè)主應(yīng)力，即σr=σ2。試驗(yàn)儀器上所能控制的是軸向荷載W、外室壓力P0、內(nèi)室壓力Pi、繞軸心的扭力矩MT， 這些力的施加可以通過(guò)中主應(yīng)力系數(shù)b、 平均主應(yīng)力p、偏應(yīng)力比η和主應(yīng)力方向角α這幾個(gè)應(yīng)力參數(shù)來(lái)表示［5-6］。 這幾個(gè)參數(shù)定義如下：

試樣所受應(yīng)力分析及試驗(yàn)結(jié)果處理， 通常均按照平均應(yīng)力和平均應(yīng)變進(jìn)行計(jì)算。 為了研究初始靜剪應(yīng)力和循環(huán)動(dòng)應(yīng)力對(duì)粉砂土累積變形的影響，土體初始靜剪應(yīng)力水平可用初始靜剪應(yīng)力比（SSR）表示，如式（5）；受循環(huán)動(dòng)荷載的水平可用循環(huán)應(yīng)力比（CSR）表示。

式中 qs為初始靜偏應(yīng)力；τststic為初始靜剪應(yīng)力；p′0為初始平均有效主應(yīng)力；τcyc為循環(huán)剪應(yīng)力；qcyc為循環(huán)偏應(yīng)力。

所有試樣均在平均主應(yīng)力為100kPa的排水固結(jié)條件下進(jìn)行，τststic=0為各向同性固結(jié)，τststic≠0為各向異性固結(jié)，所有試樣施加的循環(huán)振次N=5000，除非試樣的軸向變形過(guò)大， 超過(guò)破壞標(biāo)準(zhǔn)10%停止或者廣義剪應(yīng)變超過(guò)10%停止。 根據(jù)seed等效應(yīng)力原理，將隨機(jī)性較強(qiáng)的交通荷載統(tǒng)一簡(jiǎn)化為1Hz頻率的正弦波，試驗(yàn)單純的施加動(dòng)剪應(yīng)力τcyc（20，40，60kPa）。 數(shù)據(jù)采集每秒50 次，由于數(shù)據(jù)量較大，前1000次循環(huán)荷載采用連續(xù)式記錄，1000次之后采取間斷式記錄，即每記錄50s間隔10s繼續(xù)記錄。 具體試驗(yàn)方案如下：試樣所受應(yīng)力分析及試驗(yàn)結(jié)果處理， 通常均按照平均應(yīng)力和平均應(yīng)變進(jìn)行計(jì)算。

表2 試驗(yàn)方案

續(xù)表2

2 試驗(yàn)變形分析

2.1 初始靜剪應(yīng)力水平對(duì)粉砂土累積變形的影響

為研究不同初始靜剪應(yīng)力對(duì)粉砂土累積變形的影響， 分別進(jìn)行在動(dòng)應(yīng)力比為0.2，0.4，0.6 的循環(huán)扭剪試驗(yàn)，動(dòng)剪應(yīng)力分別為20，40，60kPa，具體結(jié)果分別如圖2（a）（b）（c）所示。

圖2 不同初始靜剪應(yīng)力的軸向累積變形曲線

由圖2可知，在不同的動(dòng)應(yīng)力水平下，初始靜剪應(yīng)力對(duì)粉砂土的累積變形的影響既有相同的規(guī)律，又有不同的規(guī)律。除了CSR=0.6、τststic=60kPa時(shí)的試樣在振次達(dá)到854次時(shí)軸向變形超過(guò)10%破壞以外，其余所有的曲線均在前200振次內(nèi)，軸向累積變形發(fā)展較快，動(dòng)荷載達(dá)到1000振次時(shí)，軸向變形已基本趨于穩(wěn)定，1000～5000振次范圍內(nèi)的軸向累積變形占總變形量不超過(guò)10%。 在CSR=0.2時(shí)，隨著靜剪應(yīng)力增加，軸向累積變形逐漸減小。 這是由于試樣的壓實(shí)度為0.96，靜剪應(yīng)力能促使試樣更加密實(shí)，顆粒之間的咬合力更強(qiáng)， 較小的動(dòng)應(yīng)力不足以克服土顆粒間的咬合力，土顆粒不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)動(dòng)或位移，所以軸向累積變形隨著靜剪應(yīng)力的增加而減小。 在CSR=0.4 時(shí)，隨著靜剪應(yīng)力的增加，軸向累積變形先減小后增大。在應(yīng)力反轉(zhuǎn)加載模式下， 靜應(yīng)力可在一定程度上抵消動(dòng)荷載的負(fù)向幅值， 因此軸向累積變形隨著靜剪應(yīng)力的增加而減小。 應(yīng)力中間狀態(tài)加載模式和不反轉(zhuǎn)加載模式時(shí)， 靜剪應(yīng)力疊加動(dòng)剪應(yīng)力超過(guò)了土顆粒的咬合力， 使土顆粒發(fā)生錯(cuò)動(dòng)而造成軸向累積變形的加劇， 因此軸向累積變形隨著靜剪應(yīng)力的增加而增大。在CSR=0.6時(shí)，隨著靜剪應(yīng)力的增加，軸向累積變形隨著靜剪應(yīng)力的增大而增大。此時(shí)，由于動(dòng)剪應(yīng)力較大， 即使沒(méi)有靜剪應(yīng)力也能引起較大的軸向累積變形，再疊加靜剪應(yīng)力之后，更加劇了試樣的軸向累積變形，甚至發(fā)生破壞。

2.2 循環(huán)動(dòng)應(yīng)力水平對(duì)粉砂土累積變形的影響

圖3是在相同靜動(dòng)剪應(yīng)力比的情況下，不同循環(huán)動(dòng)應(yīng)力的軸向累積變形隨振次變化的曲線。 由圖可知，無(wú)論是否存在初始靜剪應(yīng)力，或是初始剪應(yīng)力的大小如何，在相同的靜動(dòng)剪應(yīng)力比時(shí)，軸向累積變形均隨著動(dòng)應(yīng)力的增加而增加。 隨著靜動(dòng)應(yīng)力比的增加，60kPa動(dòng)應(yīng)力條件下的軸向累計(jì)變形增加迅速，20kPa和40kPa動(dòng)應(yīng)力條件下的軸向累計(jì)變形增加較小，且趨于穩(wěn)定。

圖3 不同動(dòng)應(yīng)力的軸向累積變形曲線

2.3 不同靜剪應(yīng)力作用下滯回曲線的變化情況

圖4 （a）（b）（c）（d） 是在CSR=0.4時(shí)，τststic分別為0，20，40，60kPa 的 情 況 下， 振 次 分 別 為N=1，100，1000，5000次時(shí)的滯回曲線。所有滯回曲線都比較接近橢圓形，這也為較準(zhǔn)確的計(jì)算阻尼比提供保障。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，滯回曲線可通過(guò)傾斜程度k、中心偏移量d、飽滿程度度S等參數(shù)定義［14］。 由圖4可知，前100振次內(nèi)， 橢圓斜率k值增加較為明顯； 振次為100到5000次的滯回曲線基本重合，斜率相近。表明土體剛度在振動(dòng)初期有一定增長(zhǎng)， 土體在較小動(dòng)荷載作用下更加密實(shí)。 對(duì)比相同振次不同初始靜剪應(yīng)力的滯回曲線可知，隨著靜剪應(yīng)力的增加，滯回曲線傾斜程度有一定的增加， 說(shuō)明靜剪應(yīng)力的存在增加了土體的剛度和彈性模量；但振次超過(guò)100次以后，不同靜剪應(yīng)力滯回圈的斜率幾乎相等， 說(shuō)明初始靜剪應(yīng)力對(duì)土體剛度和彈性模量的增加是有限的。 滯回圈的中心偏移量都較小， 說(shuō)明初始靜剪應(yīng)力和振次的增加對(duì)剪切殘余塑性變形幾乎沒(méi)有影響。 滯回圈的面積隨著振次的增加而減小， 從較為飽滿的橢圓變?yōu)楸馄降乃鬆睿?說(shuō)明土體第1 個(gè)循環(huán)加載中消耗的能量最大，之后逐漸變小。

圖4 不同初始靜剪應(yīng)力下的滯回曲線

3 結(jié)語(yǔ)

（1）在較小動(dòng)應(yīng)力作用下（CSR=0.2），初始靜剪應(yīng)力能起到加固土體的作用，隨著靜剪應(yīng)力增加，軸向累積變形逐漸減小。 在較大動(dòng)應(yīng)力作用下（CSR=0.6），軸向累積變形隨著靜剪應(yīng)力的增大而增大。 在CSR=0.4 時(shí)，隨著靜剪應(yīng)力的增加，軸向累積變形先減小后增大。

（2）無(wú)論是否存在初始靜剪應(yīng)力，或初始剪應(yīng)力大小如何，在相同的靜動(dòng)剪應(yīng)力比時(shí)，軸向累積變形均隨著動(dòng)應(yīng)力的增加而增加。

（3）隨著靜剪應(yīng)力的增加，滯回曲線傾斜程度有一定增加， 說(shuō)明靜剪應(yīng)力的存在增加了土體的剛度和彈性模量，但振次達(dá)5000次時(shí)，不同靜剪應(yīng)力滯回圈的斜率幾乎相等，說(shuō)明隨著振次的增加，初始靜剪應(yīng)力對(duì)滯回圈斜率的影響逐漸減弱。 隨著初始靜剪應(yīng)力的增加，滯回圈中心有向負(fù)方向偏移的趨勢(shì)，但偏移量較小。滯回圈的面積隨著振次增加而減小，從較為飽滿變?yōu)楸馄降乃鬆睢?/p>