不同应力路径下饱和粉土动强度特性试验研究

张健 ，翟剑峰 ，王仙美 ，陈捷 ，陈景雅

（1.江苏省交通规划设计院股份有限公司，江苏 南京 210005；2.江苏省水运工程技术研究中心，江苏 南京 211100；3.河海大学道路与铁道工程研究所，江苏 南京 210098）

0 引言

在海洋工程中最主要的荷载是波浪荷载。波浪荷载以循环压力波的形式作用于海床上，引起海床中孔隙水压力和有效应力的变化，使海床出现变形、剪切破坏、液化等现象，导致海床的失稳，乃至坐落于海床上结构物的破坏[1-2]。

土的动力变形与强度特性及其工程参数是分析和评价建筑物及地基动力响应及其稳定性的关键。国内外学者进行了一系列关于砂土和黏土在主应力轴旋转条件下的试验研究，但针对粉土在考虑主应力方向旋转条件下的研究很少。而对于循环圆扭剪、循环三轴及循环纯扭剪之间强度差异目前尚没有较为合理的解释。本文利用空心圆柱仪（HCA），对饱和粉土进行了一系列循环三轴-扭剪耦合试验，实现主应力轴旋转这一特殊应力路径，探讨波浪荷载作用饱和粉土强度特性，并进行了循环动三轴及循环纯扭剪对比试验，对其强度差异进行了较为合理的解释。

1 试验简介

1.1 试验仪器

试验采用空心圆柱扭剪仪（HCA），该仪器能够对试样施加设定的轴力、扭矩以及内外围压，从而实现试样主应力轴方向的旋转。这种旋转方式可以保证试样径向主应力为中主应力，大小主应力以径向为轴进行平面主应力轴旋转，其所具备的应力坐标系包含大、中、小主应力以及大小主应力旋转角度4个独立变量恰与上述所能提供的轴力等4个加载参数相对应，从而达到完全模拟平面主应力轴旋转应力路径的要求[3-4]。

1.2 试验方案

试验采用长江入海口处粉土作为研究对象，其中粉粒含量为86%，砂粒含量为8.38%，黏粒含量为5.62%。粉土基本物理性质指标如表1。

表1 粉土基本物理性质指标Table 1 Basic physical property index of the silt

试验采用粉土重塑空心圆柱试样，试样外径D=100 mm、内径d=60 mm、高度H=200 mm。制样采取干土分层击实控制干密度的方法，根据原状土的干密度确定每层土样的重量，共分8层击实，击实到相应高度后，各层接触面刮毛，以保证上下层接触良好。试样饱和采用抽真空下吸无气水的方法，并施加一定的反压，确保试样固结前孔隙水压力系数B≥0.98。试验采取孔隙水压力达到有效围压时的“初始液化”状态作为破坏标准，其相对应的振次为破坏振次Nl。试验方案见表2。

表2 试验方案Table 2 Test program

在循环剪切试验阶段，在不排水条件下采用应力控制方式同时施加循环竖向荷载W和循环扭矩MT，循环竖向荷载和循环扭矩均为简谐荷载，试验中控制循环扭矩比循环竖向荷载的相位滞后90°，且使得循环轴向应力幅值之半σd/2与循环扭转剪应力幅值τd相等，从而保证循环耦合试验中的应力路径始终为圆形，以期模拟海洋波浪荷载在海床中所形成的主应力轴连续旋转的应力条件[5-7]。在循环三轴试验和循环纯扭剪试验中，仅分别施加循环竖向荷载W和循环扭矩MT，没有二者之间的组合效应。

2 波浪荷载作用下饱和粉土动强度

2.1 动强度曲线

在分析液化现象时，一个重要的参数是引起液化所需的液化循环周数Nl，由试验获得波浪荷载作用下饱和粉土在均压固结下的液化循环周数Nl与无因次剪切应力τ/σ0′如图1所示。

图1 循环周数与无因次剪应力比之间关系Fig.1 Relationship between liquefaction cyclic numbers and dimensionless shear stressratio

图1 中的曲线可以用下列经验公式进行拟合，

式中：α，β为经验常数。

2.2 不同循环应力路径的试验对比

在均等固结条件下进行了循环圆扭剪试验、循环三轴试验及循环扭剪试验，不同循环应力路径下液化循环周数Nl与无因次剪切应力τ/σ0′之间关系如图2所示。

图2 不同循环应力路径下循环周数与无因次剪应力比之间关系Fig.2 Relationship between liquefaction cyclic numbers and dimensionlessshear stressratio under different cyclic stresspaths

3种不同循环应力路径下液化循环周数Nl与无因次剪切应力τ/σ0′之间关系均符合式（1）。不同循环应力路径下试验参数取值如表3。

表3 试验参数Table 3 Experimental parameter

由图2可以看出：在相同的剪切应力比下，循环圆扭剪的破坏振次最少，循环纯扭剪最多，循环三轴介于二者之间。在振次较少的情况下，循环圆扭剪比循环纯扭剪动强度降低约35%，比循环动三轴降低25%。在振次较高的情况下，循环圆扭剪比循环纯扭剪动强度降低约48%，比循环动三轴降低41%。

2.3 不同循环应力路径强度差异的解释

不同应力路径下饱和粉土动强度的差异可以通过剪应力q时程曲线在一个周期T内的积分计算得到的加载效率来合理的解释。

不同的应力路径下，剪应力q的表达形式如下：

循环圆扭剪与循环纯扭剪、循环三轴之间的强度差异可以从剪应力q的时程曲线来解释，不同应力路径下剪应力q在一个周期T内的时程曲线如图3所示，则不同应力路径下的加载效率可以用曲线在一个周期T内的积分来计算。

图3 不同应力路径下剪应力时程曲线Fig.3 Time-history curve of shear stressunder different stress paths

循环圆扭剪试验中加载效率Ec=q

循环纯扭剪与循环三轴试验中加载效率

加载效率越大，则试样在相同振次内累积产生的孔隙水压力与变形越大，动强度则越低，由加载效率计算可以得出循环圆扭剪试验动强度比循环纯扭剪与循环三轴试验降低36%，与试验得出的结论非常符合。

3 结语

1）不同应力路径下液化循环周数与无因次剪切应力比之间关系可用幂函数曲线来较好的拟合。

2） 循环三轴-扭剪耦合、循环三轴和循环纯扭剪对比试验结果表明：在相同的剪切应力比下，循环三轴-扭剪耦合试验的破坏振次最少，循环纯扭剪最多，循环三轴介于二者之间。循环三轴-扭剪耦合试验比循环纯扭剪试验动强度降低约35%，比循环动三轴试验降低25%。

3）当破坏循环振次较少时，循环三轴动强度与循环纯扭剪动强度差异较大；当破坏循环振次较多时，循环三轴动强度与循环纯扭剪动强度差别较小。

4）不同应力路径下的强度差异可以通过剪应力q时程曲线在一个周期T内的积分计算得到的加载效率来合理的解释。

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