車高鳳, 鐘秀梅, 馬金蓮, 柴少峰, 王 平

(1. 中國(guó)地震局(甘肅省)黃土地震工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 甘肅 蘭州 730000;2. 河北省地震災(zāi)害防御與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河北 廊坊 065201;3. 甘肅省巖土防災(zāi)工程技術(shù)研究中心, 甘肅 蘭州 730000)

0 引言

我國(guó)已成為世界上高速鐵路系統(tǒng)技術(shù)最全、集成能力最強(qiáng)、運(yùn)營(yíng)里程最長(zhǎng)、運(yùn)行速度最高、在建規(guī)模最大的國(guó)家,引領(lǐng)著世界高鐵發(fā)展的新潮流。我國(guó)高鐵事業(yè)發(fā)展無(wú)疑是巨大的,高速鐵路網(wǎng)密集建成,列車時(shí)速不斷提高,隨之振動(dòng)頻率和振幅也大幅增加,路基在高頻大振幅作用下將產(chǎn)生更大變形,由此引起地基的振動(dòng)問(wèn)題頗多并得到廣泛關(guān)注?，F(xiàn)有交通荷載研究中多以豎向動(dòng)應(yīng)力為主,而對(duì)于高鐵荷載來(lái)說(shuō),由于列車運(yùn)行中的蛇形運(yùn)動(dòng)、曲線軌道運(yùn)行以及急剎車等因素,都會(huì)造成土體的實(shí)際受力狀態(tài)是雙向的,用現(xiàn)有單向循環(huán)荷載加載方式代替高鐵荷載開(kāi)展路基土體動(dòng)力特性研究顯然是不安全的。

土體動(dòng)力特性主要與土體的受力狀態(tài)、土體加載類型、試驗(yàn)控制方式以及荷載等參數(shù)有關(guān)。關(guān)于土體動(dòng)力特性的研究,國(guó)內(nèi)外學(xué)者[1-2]開(kāi)展的研究眾多,由于前期儀器設(shè)備的局限性,現(xiàn)多采用Seed[3]提出的單向循環(huán)荷載加載代替雙向振動(dòng)進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)研究模擬土體受力情況,此加載方式及理論研究方法,雖很大程度上簡(jiǎn)化了土體受力計(jì)算,試驗(yàn)操作方法簡(jiǎn)便可行,但此加載方式并不能真實(shí)的反映土體的真實(shí)受力狀態(tài),隨著土體動(dòng)力特性研究的不斷深入,室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)備精度及功能進(jìn)一步更新完善,使得開(kāi)展雙向循環(huán)荷載作用下的土體動(dòng)力特性研究成為可能。目前針對(duì)雙向循環(huán)荷載作用下土體的動(dòng)力特性研究甚少,土體應(yīng)力路徑的不同,直接影響其變形發(fā)展趨勢(shì)。蔡袁強(qiáng)等[4-9]通過(guò)雙向循環(huán)荷載作用下飽和軟黏土動(dòng)力特性試驗(yàn)研究得到影響土體動(dòng)強(qiáng)度衰減的門檻徑向循環(huán)應(yīng)力比;胡秀琴等[10]發(fā)現(xiàn)水平雙向荷載作用下,循環(huán)剪應(yīng)力比和相位差在臨界循環(huán)應(yīng)力比附近時(shí)會(huì)加快飽和軟黏土總應(yīng)變和孔壓發(fā)展;黃玨皓等[11]研究給出水平雙向荷載作用下,飽和軟黏土孔壓隨循環(huán)應(yīng)力比、循環(huán)圍壓的增加而增大,隨振動(dòng)頻率增加而減小;黃博等[12-13]就飽和砂土在較大循環(huán)振次作用下單、雙向振動(dòng)方式使試樣動(dòng)力響應(yīng)產(chǎn)生差異的原因進(jìn)行了相關(guān)研究,周小生等[14-15]較為系統(tǒng)地研究了重塑膨脹土在單向與雙向循環(huán)荷載作用下的動(dòng)強(qiáng)度和變形特性,王敉鵬等[16]就重塑紅黏土進(jìn)行了雙向動(dòng)荷載下的動(dòng)變形特性研究,學(xué)者針對(duì)不同的土體開(kāi)展了雙向循環(huán)荷載的動(dòng)力特性研究,但對(duì)于我國(guó)西北地區(qū)廣泛存在的黃土,張希棟等[17]僅對(duì)雙向循環(huán)荷載耦合下黃土動(dòng)模量和動(dòng)剪切變形特性進(jìn)行了相關(guān)研究,現(xiàn)有雙向循環(huán)荷載作用下非飽和黃土試驗(yàn)研究?jī)H停留在彈性階段的動(dòng)強(qiáng)度特性研究方面,然而在雙向循環(huán)動(dòng)應(yīng)力加載方式下,非飽和黃土累積塑性變形發(fā)展趨勢(shì)與軸向荷載作用下的變形趨勢(shì)是否一致不得而知,因此有必要以雙向循環(huán)荷載加載方式的循環(huán)三軸試驗(yàn)為手段,探討不同動(dòng)應(yīng)力加載方式下的黃土累積變形發(fā)展特征。

基于此,本文運(yùn)用WF-12440型動(dòng)三軸-扭剪試驗(yàn)儀器,通過(guò)單向荷載和雙向荷載兩種不同的動(dòng)應(yīng)力加載方式進(jìn)行黃土循環(huán)載荷試驗(yàn),對(duì)比不同動(dòng)應(yīng)力加載方式對(duì)黃土累積變形發(fā)展特征的影響。開(kāi)展路基土體在真實(shí)的受力狀態(tài)的動(dòng)力變形特性研究,可更為準(zhǔn)確的進(jìn)行不同荷載耦合變化下,我國(guó)西北地區(qū)黃土場(chǎng)地震陷評(píng)估或路基土體變形計(jì)算,實(shí)現(xiàn)有效控制路基的整體穩(wěn)定和工后沉降量,以期根據(jù)路基土參數(shù)預(yù)測(cè)后期沉降。深入開(kāi)展不同動(dòng)應(yīng)力加載方式下黃土累積變形特征研究極具重要的科研和工程意義。

1 試驗(yàn)土樣和試驗(yàn)內(nèi)容

1.1 試樣和試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)所用儀器為英國(guó)WF公司生產(chǎn)的WF-12440型動(dòng)三軸-空心圓柱扭剪試驗(yàn)系統(tǒng),采用應(yīng)力控制加載方式。試驗(yàn)所需土樣取自甘肅省臨夏縣北塬鄉(xiāng)前石某磚廠,取土深度為13 m,黃褐色,土質(zhì)均勻,屬Q(mào)3黃土。原狀試樣的基本物理性質(zhì)指標(biāo)詳見(jiàn)表1。

表1 土樣的基本物理性質(zhì)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方法和試驗(yàn)條件

試驗(yàn)以甘肅省臨夏縣北塬鄉(xiāng)黃土為試樣,試樣尺寸統(tǒng)一為Φ50 mm×100 mm,循環(huán)加載前對(duì)試樣進(jìn)行偏壓固結(jié),固結(jié)比Kc選取為1.69。待試樣固結(jié)完成后,分別施加不同的動(dòng)應(yīng)力幅值,進(jìn)行單向荷載和雙向荷載作用下的黃土累積變形試驗(yàn),加載波型為等效正弦波,f=1,加載振次為1 000次,試驗(yàn)條件見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)條件

1.3 試樣應(yīng)力分析

不同動(dòng)荷載作用下土體的應(yīng)力示意圖如圖1所示。

土體待固結(jié)完成后,采用單向循環(huán)荷載的加載方式模擬交通荷載進(jìn)行黃土累積變形試驗(yàn)時(shí),在試樣上施加單向動(dòng)荷載,其45°面上會(huì)有剪應(yīng)力產(chǎn)生,土體在該剪應(yīng)力的作用下發(fā)生剪切變形,在該加載狀態(tài)下的應(yīng)力示意圖如圖1(a)所示。當(dāng)通過(guò)雙向荷載加載方式模擬高鐵荷載時(shí),試樣在軸向動(dòng)應(yīng)力加載的基礎(chǔ)上,還存在著徑向荷載的施加,本試驗(yàn)軸向荷載與徑向荷載相位差為0,即軸向荷載和徑向荷載加載時(shí)同時(shí)達(dá)到應(yīng)力峰值,該試樣45°剪切面上存在剪應(yīng)力和法向正應(yīng)力,此加載條件下的土體應(yīng)力示意圖如圖1(b)所示。

圖1 不同動(dòng)荷載作用下土體應(yīng)力示意圖Fig.1 The stress diagram of specimen under different dynamic loads

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理及結(jié)果分析

本文采用應(yīng)力加載方式進(jìn)行循環(huán)荷載下的黃土累積變形試驗(yàn),根據(jù)Idriss[18]研究提出的軟化指數(shù)來(lái)定量分析不同加載方式下的土體累積變形發(fā)展趨勢(shì)。其中,軟化指數(shù)δ的定義如下:

(1)

式中:GN,max,G1,min分別為第N次和第1次循環(huán)次數(shù)土體的最大和最小割線剪切模量;ε1,max,ε1,min分別為第1次循環(huán)次數(shù)土體的最大和最小軸向應(yīng)變;εN,max,εN,min分別為第N次循環(huán)次數(shù)土體的最大和最小軸向應(yīng)變。

2.1 不同動(dòng)應(yīng)力加載方式下黃土的累積變形特征

根據(jù)選取的軟化指數(shù)定義式得到單向荷載和雙向荷載作用下的黃土軟化指數(shù),繪制出不同動(dòng)應(yīng)力加載方式下黃土軟化指數(shù)與循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線,如圖1所示。

由圖2不同動(dòng)應(yīng)力加載方式下軟化指數(shù)與循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線可以看出,無(wú)論是單向荷載還是雙向荷載的動(dòng)應(yīng)力加載方式,土體在不同的動(dòng)應(yīng)力幅值下,其軟化指數(shù)均隨著循環(huán)次數(shù)的增加,呈非線性減小的趨勢(shì),土體軟化程度增大。當(dāng)循環(huán)次數(shù)在100振次以內(nèi)時(shí),其軟化指數(shù)數(shù)值減小速率較后期循環(huán)振次下軟化指數(shù)減小速率更大;在相同循環(huán)振次時(shí),土體軟化指數(shù)隨著動(dòng)應(yīng)力幅值的增大而減小,動(dòng)應(yīng)力幅值越大,其軟化指數(shù)衰減越快,單向荷載作用下,動(dòng)應(yīng)力幅值對(duì)土體軟化指數(shù)影響更為明顯。土體軟化指數(shù)的減小,說(shuō)明土體發(fā)生軟化現(xiàn)象。

圖2 不同動(dòng)應(yīng)力加載方式下軟化指數(shù)與循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線Fig.2 The relationship curves between softening index and cycle number under different dynamic stress loading modes

土體軟化指數(shù)變化的規(guī)律表明:土體在單向荷載或雙向荷載動(dòng)應(yīng)力加載作用下,前期軟化速率較快,土體發(fā)生了較大變形,即剪切模量衰減較快;隨著后期循環(huán)振次的增加,土體剪切模量趨于穩(wěn)定,黃土逐漸密實(shí),土體變形量較小進(jìn)一步達(dá)到穩(wěn)定,其軟化速率也逐漸減小。徑向荷載的動(dòng)應(yīng)力加載對(duì)動(dòng)剪切模量與振次關(guān)系有明顯影響,隨著循環(huán)振次的不斷增大,徑向動(dòng)循環(huán)荷載幅值越大,其對(duì)應(yīng)振次的動(dòng)剪切模量越小,根據(jù)Idriss[18]計(jì)算所得軟化指數(shù)也越小。該黃土剪切模量的發(fā)展規(guī)律與張希棟等人[17]開(kāi)展雙向循環(huán)荷載耦合下黃土動(dòng)模量和動(dòng)剪切變形特性研究成果得到很好的印證。

2.2 不同徑向荷載作用下黃土的累積變形特征

由圖3中圖(a)和圖(b)軟化指數(shù)曲線可以看出,當(dāng)軸向動(dòng)荷載分別為10 kPa和20 kPa時(shí),對(duì)比黃土施加徑向荷載前后軟化指數(shù)曲線,其存在雙向荷載作用時(shí),軟化指數(shù)較單向荷載作用下的土體軟化指數(shù)整體偏小且衰減速率較快,說(shuō)明雙向荷載的加載加速了黃土的軟化。

隨著軸向荷載的繼續(xù)增加,由圖3中(c)和(d)所示軟化指數(shù)曲線可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)循環(huán)振次小于100次時(shí),單向荷載與雙向荷載作用下的軟化指數(shù)相近,徑向荷載的施加對(duì)土體軟化指數(shù)的影響較弱;當(dāng)循環(huán)振次大于100次時(shí),隨著徑向荷載的不斷施加,其土體軟化指數(shù)減小速率明顯大于未施加徑向荷載的土體。由此看出,徑向荷載的施加,在循環(huán)振次相對(duì)較大時(shí),與單向荷載加載作用相比,對(duì)黃土軟化影響更為顯著。

軟化指數(shù)曲線圖3(e)表明,當(dāng)軸向動(dòng)荷載增加至90 kPa時(shí),同時(shí)施加徑向荷載作用的土體軟化指數(shù),與僅加載軸向振動(dòng)荷載且值分別為10 kPa、20 kPa、30 kPa和50 kPa時(shí)所對(duì)應(yīng)的土體軟化指數(shù)相比,其軟化指數(shù)雖進(jìn)一步減小,但明顯大于該軸向振動(dòng)荷載作用下的土體軟化指數(shù),即出現(xiàn)了單向荷載作用下土體軟化程度大于雙向荷載土體的現(xiàn)象。該現(xiàn)象表明,當(dāng)黃土軸向振動(dòng)荷載超過(guò)一定動(dòng)應(yīng)力幅值時(shí),徑向荷載的施加,對(duì)黃土累積變形影響不大,雙向激振循環(huán)荷載并不能隨著循環(huán)振次的增加而加速土體的軟化。

圖3 不同徑向荷載作用下黃土軟化指數(shù)曲線Fig.3 The relationship curves between softening index and cycle number of loess under different radial loading modes

試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明:隨著軸向荷載的不斷增加,徑向荷載對(duì)加速黃土軟化的影響隨之減弱,當(dāng)軸向荷載增加到一定動(dòng)應(yīng)力幅值時(shí),其徑向荷載的加載對(duì)黃土加速變形影響消失,徑向荷載對(duì)于黃土累積變形的影響存在一臨界軸向循環(huán)動(dòng)應(yīng)力,就該試驗(yàn)條件下,其臨界軸向循環(huán)動(dòng)應(yīng)力幅值介于50～90 kPa之間。

由該黃土在不同動(dòng)應(yīng)力加載方式下的累積變形發(fā)展特征產(chǎn)生的機(jī)理初步分析可知,土體加載較小軸向荷載時(shí),無(wú)論是單向荷載還是雙向荷載,試樣45°面上剪應(yīng)力值相近,而雙向荷載作用下試樣存在法向應(yīng)力,土體受法向應(yīng)力的影響主要表現(xiàn)為拉壓動(dòng)荷載下的土體變形。因此,相應(yīng)變形也較單向荷載作用下土體的變形更大;隨著軸向荷載的不斷增大,單向荷載作用下試樣的剪應(yīng)力與雙向荷載時(shí)的剪應(yīng)力差值逐漸拉大,且遠(yuǎn)大于雙向荷載作用下的剪應(yīng)力,黃土在剪切動(dòng)荷載的影響下發(fā)生了剪切變形,雖雙向荷載作用下試樣有法向應(yīng)力的存在,但隨著軸向荷載的增大,其在不同荷載耦合作用下,對(duì)于土樣的變形影響隨之減弱,說(shuō)明土體在軸向循環(huán)動(dòng)應(yīng)力超過(guò)某一臨界值時(shí),雙向激振循環(huán)荷載不能加速土體的軟化,也不能加速土體累積變形的發(fā)展。

3 結(jié)論與探討

根據(jù)對(duì)非飽和黃土單向循環(huán)荷載和雙向循環(huán)荷載兩種不同的動(dòng)應(yīng)力加載方式進(jìn)行黃土累積變形特征試驗(yàn)研究,對(duì)比得出不同動(dòng)應(yīng)力加載方式對(duì)黃土變形特征的影響:

(1) 黃土在單向荷載或雙向荷載作用下,其軟化指數(shù)均隨著循環(huán)次數(shù)的增加,呈非線性減小的趨勢(shì),在相同循環(huán)振次時(shí),土體軟化指數(shù)隨著動(dòng)應(yīng)力幅值的增大而減小。

(2) 黃土在不同加載方式作用下,軟化指數(shù)減小速率在循環(huán)振次100次以內(nèi)較快,后期隨循環(huán)振次增加,黃土逐漸趨于密實(shí),土體軟化速率逐漸趨于平穩(wěn)。

(3) 黃土在雙向荷載作用下,當(dāng)軸向動(dòng)荷載較小時(shí),徑向荷載的施加,將加速黃土的軟化程度,隨著軸向動(dòng)荷載的增加,徑向荷載對(duì)土體軟化的影響逐漸減弱,其對(duì)于黃土變形的影響存在一臨界軸向循環(huán)動(dòng)應(yīng)力。

(4) 軸向荷載較小時(shí),雙向荷載的加載方式對(duì)于黃土動(dòng)變形影響顯著。如實(shí)際地震發(fā)生過(guò)程時(shí),現(xiàn)有單向荷載加載方式模擬地震作用進(jìn)行黃土場(chǎng)地震陷評(píng)估顯然不安全,深入開(kāi)展不同動(dòng)應(yīng)力加載方式下黃土累積變形特征研究極具重要的科研和工程意義,可實(shí)現(xiàn)我國(guó)西北地區(qū)黃土場(chǎng)地震陷評(píng)估或路基土體變形計(jì)算,有效控制路基的整體穩(wěn)定和工后沉降量,以期根據(jù)路基土參數(shù)預(yù)測(cè)后期沉降。