双向动应力耦合状态下饱和软黏土动力特性的影响因素研究

曹树刚，曾芳金，谷 川，沈 娟

(1．江西理工大学建筑与测绘工程学院，江西赣州 341000；2．温州大学建筑工程学院，浙江温州 325035；3．浙江省软弱土地基与海涂围垦工程技术重点实验室，浙江温州 325035)

双向动应力耦合状态下饱和软黏土动力特性的影响因素研究

曹树刚1，曾芳金1，谷 川2,3，沈 娟1

(1．江西理工大学建筑与测绘工程学院，江西赣州 341000；2．温州大学建筑工程学院，浙江温州 325035；3．浙江省软弱土地基与海涂围垦工程技术重点实验室，浙江温州 325035)

应用GDS动静真三轴测试系统，对温州地区典型的饱和软黏土进行了一系列循环大主应力与循环中主应力耦合的复杂应力路径下的试验，通过对试验过程中排水条件与有效固结围压的控制，研究了有效固结围压和排水条件对饱和软黏土的永久大主应变、永久中主应变和残余孔压的影响，分析了加荷频率对饱和软黏土应变特性的影响．试验结果表明：无论是不排水条件还是排水条件，有效固结围压越大，试样的永久大主应变与永久中主应变越小，残余孔压越不易产生；加荷频率越大的试样，永久大主应变越小，而永久中主应变越大；在有效固结围压相同的条件下，排水条件下的永久应变小于不排水条件下的永久应变．

交通荷载；真三轴；加荷频率；永久应变；孔压比

交通荷载是一种长期循环的荷载，对交通荷载的研究多采用室内单元试验进行模拟，之前研究者由于受到仪器的限制，试验使用的应力路径往往只包含单一方向的循环应力分量，如动单剪仪只能施加单一的循环剪应力，动三轴仪只能施加单一的循环偏应力．陈青生等[1-2]用动单剪试验确定了砂土有限元模型的参数．随着岩土工程试验仪器的发展与研究深入进行，研究者开始关注更加复杂应力路径下饱和土体的动力特性．双向动单剪试验可同时施加 2个垂直方向动剪应力．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个垂直方向的动剪应力组成的应力路径对饱和砂土孔压特性的影响，发现与常规单向动单剪试验相比，2个方向动剪应力的耦合会对瞬时动孔压产生较大影响，体现为瞬时动孔压的变化幅度更大，且瞬时孔压的最大值与最小值表现出不同的发展规律．施明雄[3]用双向振动三轴仪进行了砂土动力特性试验研究，栾茂田等[4]通过双向耦合循环剪切试验研究了饱和海洋黏土孔压与强度特性．Grabe等[5-9]基于空心圆柱扭剪仪，研究了包括主应力轴旋转的二维应力路径对饱和土体变形、孔压等特性的影响．谷川等[10]基于变围压动三轴试验，通过循环偏应力与循环围压的耦合模拟了真实交通荷载下竖向循环正应力与水平循环正应力的耦合，研究了循环围压对饱和软黏土孔压、永久变形和回弹特性的影响．

交通荷载引起的动应力场中不但有循环偏应力，还有较大幅值的水平方向的循环中主应力σ2ampl、较小幅值的循环小主应力 σ3ampl，循环中主应力要比循环小主应力大得多．关于交通荷载的模拟以往的大部分学者只考虑了交通荷载引起的循环偏应力分量[11-14]，即将中主应力σ2与小主应力σ3对土体的影响同等看待，这显然是不妥的．目前大部分研究中主应力的试验对象都集中在砂土上，并且施加荷载大部分为静力荷载，鲜有文献考虑循环中主应力对饱和软黏土的影响．

本文应用GDS动静真三轴测试系统对饱和软黏土做了一系列循环大主应力与循环中主应力双向动应力耦合的试验，研究了不同有效固结围压、排水条件和加荷频率这些因素对饱和软黏土动力特性的影响，本研究可为交通荷载下路基的设计提供参考．

1 试验仪器与试验土样

1.1 试验仪器

试验所用仪器为温州大学动静态真三轴测试系统．该套测试系统由压力室、加荷系统和数据收集系统等组成（见图1）．该真三轴测试系统的加荷方式为刚柔复合型加载方式，竖向与水平向为刚性加载，侧向为柔性加载．通过气压将荷载传递给压力室内的无气水，无气水对试样的侧面施加荷载．避免了纯气压加载情况下气体进入橡皮膜，保证了侧向受荷均匀．

图1 GDS动静真三轴测试系统

1.2 试验土样

试验用岩土试样为典型的原状温州软黏土，土样取自温州市茶山高教园区某深基坑，深度约7 m左右．试样尺寸为150 mm×75 mm×75 mm，所用温州软黏土的具体物理性质指标见表1．

表1 试验土样的物理性质指标

2 试验方案与加载过程

表2为本研究的试验方案，在试验的过程中同时施加水平方向与轴向双向动应力来研究饱和软黏土在这种应力路径下的动力特性，包括应变特性和孔压特性．所施加动荷载波形为正弦波，即动荷载以正弦曲线的形式循环施加，所施加的水平向与轴向动应力分别称为循环中主应力σ2ampl与循环大主应力σ1ampl．图2中σ10，σ20，σ30分别为试样固结完毕后的初始应力状态．试验过程见图2．

试验的整个过程包括试样制作、饱和、固结、试验步骤的施加．试样制作使用切土器切割成一定尺寸的立方体试样，饱和时所施加反压300 kPa、围压310 kPa．固结过程中保持反压不变将围压升高至400 kPa，使得每个试样均在100 kPa有效围压下固结，试验步骤按照表2方案来施加．本系列试验所有试样的荷载循环周数均为5 000周，频率为0.1 Hz．

表2 试验方案

3 永久应变的定义

图3为循环荷载下典型的应变发展规律示意图．在循环荷载作用下应变波动变化，每个荷载循环周期，应变的发展有一个最大值点与最小值点，将所有最大值点与最小值点分别连线，即得到最小应变线 εmin与最大应变线 εmax，分别称为永久应变与最大应变．永久应变对应了实际交通荷载作用下路基土体的永久沉降，因此对于永久应变的研究有着非常重要的意义，尤其是永久大主应变的研究对路基沉降计算有很大的指导意义．

图2 试验过程示意图

图3 循环荷载下典型的应变发展曲线

4 试验结果分析

4.1 永久大主应变

图4是不排水条件下典型的大主应变时程曲线，试验结果中的三条曲线，分别为有效固结围压p0'为50 kPa、100 kPa和150 kPa的情况，从图4可看出，大主应变随着时间的增加波动发展．

图4 典型的大主应变时程曲线

为了进一步对大主应变进行分析，找出荷载循环每一周的最小应变，得到永久大主应变随加载周数的变化曲线，如图5所示．图5中（a）图为排水条件下的试验结果，（b）图为不排水条件下的试验结果．从图5可以看出，无论是不排水条件还是排水条件，有效固结围压越大，永久大主应变越小．表明固结围压的增大，增加了土体的密实度，从而提高了土的强度，增加了土体抵抗变形的能力．

需要说明的是p0'=50 kPa时的不排水与排水试样，由于固结围压较小，在试验未达到预定循环周数的时候，由于大主应变过大，造成真三轴测试系统的水平加载板与竖向加载板相互干扰，导致试验停止，但这并不影响数据的准确性．不排水条件下荷载循环至 N=229时停止，排水条件下N=1 208时试验停止，下文的分析中不再赘述．

图5 固结围压对永久大主应变的影响

图6 为有效固结围压相同，排水条件不同时的永久大主应变随加载周数的变化曲线．可以看出，在有效固结围压相同的条件下，排水条件下的永久大主应变小于不排水条件下的永久大主应变．这是由于排水条件下试验过程中试样内的孔隙水会逐渐排出，孔压会逐渐降低，有效应力大于不排水条件下的有效应力，因此有效应力的增加使得土的强度有所增加．

图6 排水条件对永久大主应变的影响

4.2 永久中主应变

图7为典型的中主应变时程曲线．从图中可以发现中主应变随时间波动发展，在初始阶段发展较快，随后趋于稳定．

图7 典型的中主应变时程曲线

为了对永久中主应变进行分析，找出荷载循环每一周的最小值，图8为永久中主应变随加载周数的变化曲线，图 8中（a）图为排水条件下的试验结果，（b）图为不排水条件下的试验结果．分析图8可以发现，无论是不排水条件还是排水条件，随着加载周数的增加，每个试样的永久中主应变逐渐发展，在试验初始阶段发展速率较快，随着时间的增加，曲线斜率变得平缓，发展速率开始减慢．对于不同固结围压下的岩土试样研究发现，有效固结围压越大，永久中主应变越小．

图8 有效固结围压对永久中主应变的影响

图9为有效固结围压相同，排水条件不同的永久中主应变随加载周数的变化曲线．可以发现，在同样的有效固结围压下，排水条件下的永久中主应变小于不排水条件下的永久中主应变，这同样可以用有效应力原理来解释．

图9 排水条件对永久中主应变的影响

图10为不同加荷频率f下永久大主应变与永久中主应变的变化曲线．从图10中（a）图可知加荷频率越大，永久大主应变越小；从图10中（b）图可以发现，加荷频率越大，永久中主应变越大．对于永久大主应变，这是由于加荷频率高时，荷载循环一周所需时间短，荷载循环每周期内，应变方向改变较快，导致每周的总应变较小，永久应变较小；对于永久中主应变，除了受上述因素的影响之外，还受到轴向应变的约束，轴向应变的产生会阻碍永久中主应变的发展，由于循环大主应力大于循环中主应力，因此这种阻碍就起到主导作用，造成加荷频率越大，永久大主应变越小，轴向变形对水平变形的阻碍作用就越小，永久中主应变越大．图10中（c）图为永久大主应变与永久中主应变关系图，可以发现，加荷频率越大，相同的永久大主应变对应的永久中主应变越大，曲线会逐渐向中主应变轴靠近．因此可以认为，增大加荷频率会抑制永久大主应变的发展，但是会促进永久中主应变的发展．

图10 加荷频率对永久应变的影响

4.3 孔压分析

在众多的孔压发展模型中，一般用孔压比rμ表示孔压的大小．rμ=Δμ/ p0'，Δμ为循环荷载引起的孔压增量，p0'为初始有效固结围压．与动应变发展规律相似，孔压的发展在动荷载作用下波动发展，荷载循环的每一周均会有一个最大孔压与最小孔压，一般认为荷载循环每周的最小孔压为残余孔压，通过最小孔压比来反映．

图11 最小孔压比与加载周数的关系曲线

图11为最小孔压比随加载周数的变化曲线．图中11中（a）图为不排水条件、（b）图为排水条件，可以发现，不排水条件最小孔压比随加载周数的增加逐渐增加，并逐渐稳定．p0'=100 kPa的试样，由于试验过程中软件不稳定，多次施加动荷载造成试样的初始孔压发生变化，产生了增量，但并不影响孔压稳定后的值；对于排水条件下的情况，孔压均先升高后降低，这是由于试验过程中排水阀是打开的，试验过程中孔隙水逐渐排出，造成孔压逐渐下降．另外无论是不排水条件还是排水条件，有效固结围压越大，试验的最小孔压比越小．最小孔压比越小，表明动荷载产生的孔压增量相对于初始有效固结围压越小，越不易产生孔压增量．

5 结 论

在循环大主应力与循环中主应力耦合作用条件下，对不同有效固结围压、不同排水条件和加荷频率下的黏土试样进行分析，对饱和软黏土在复杂动应力路径下的应变特性、动孔压特性进行研究，得出以下结论：

（1）无论是不排水条件还是排水条件，有效固结围压越大，永久大主应变与永久中主应变均越小，增大有效固结围压可以增加了土体抵抗变形的能力．

（2）在相同的有效固结围压下，排水条件下的永久大主应变小于不排水条件下的永久大主应变，排水条件下的永久中主应变小于不排水条件下的永久中主应变．

（3）加荷频率对永久应变有比较明显的影响，在其他条件相同的条件下，加荷频率越大永久大主应变越小，而永久中主应变越大，永久大主应变-永久中主应变曲线越靠近中主应变轴．

（4）不排水条件下最小孔压比随着加载周数的增加逐渐发展并逐渐稳定，排水条件下的孔压发展先升高后下降；无论是不排水条件还是排水条件，有效固结围压越大，最小孔压比越小，残余孔压的发展相对于有效固结围压越小．

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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文件可以从xuebao.wzu.edu.cn获得

(编辑：封毅)

2015-09-19

国家自然科学基金项目(51278383；51025827)

曹树刚(1991- )，男，河南新乡人，硕士研究生，研究方向：土动力学研究