交通荷载下软土的变形及微结构演化特征

马剑飞，龚淑云，李向全，卢薇艳

1)中国地质科学院水文地质环境地质研究所，河北石家庄 050061；2)深圳市地质局，广东深圳 518023

深圳前海自贸区位于中国深圳蛇口半岛西侧，被誉为“特区中的特区”. 然而该区多位于滨海潮间带[1]，经人工填海造地，表层一般为素填土，下部普遍分布厚度0.3～12 m的软弱淤泥层，含水率较高，灵敏性高，稳定性和适宜性较差[2]，极大地影响着前海自贸区的建设和发展.

前海地区在进行地上构筑物建设的同时，地铁5号线南延线也在建设当中. 地铁运行过程中会产生作用时间长、有一定作用周期的循环荷载[3]. 循环荷载会使土体发生应力变化[4]，孔隙水压力发生变化[5]，从而导致软黏土沉降变形，且随着地铁的运行，沉降趋势会加速[6]. 结合工程建设，唐益群等[3]对南京地铁三山街站附近淤泥质粉质黏土进行了循环三轴试验，得到了动应变随振动次数、频率等条件的变化规律；丁智[7]认为采用偏压和正弦波来进行室内动三轴试验，可以较好地模拟地铁交通载荷的作用效果. 对于上海地区长江入海口、天津、南京、杭州及温州等地的黏土结构性土来说，循环应力比是循环荷载作用试验的重要参数[3,8-11]. 因此，在进行相关研究时，循环应力比是进行动荷载试验的主要标准化量，并得到广泛应用. 然而，尽管具有可以标准化各地软黏土动载荷试验的参数，但在已有工作的基础上，针对特定场地黏土的力学性质进行研究仍非常有必要，因为仅对于深圳一地的软土来说，其工程性质差异仍较大[12]，如压缩系数、变形模量等参数的变异系数较大，无法直接用于工程计算[13]. 同时，宏观力学性质是微观结构变化的表征. 宏观上可以通过动三轴试验进行土体的动力特征研究，微观上则可以通过扫描电子显微镜对土体的微观结构进行定性和定量分析[14]，从而建立起宏观和微观之间的关系. 本研究通过动三轴试验研究循环荷载作用下深圳前海地区的黏土体动力特征，而后利用扫描电子显微镜对试验前后的土体进行观察和定量分析，研究其动力特征的微观机理.

1 材料与方法

1.1 试样基本物理性质

试验用土样取自深圳前海自贸区填海造陆区，前期该场地经过预压地基处理. 试验样品使用薄壁取土器进行采集，均为原状样品. 样品为淤泥质粉质黏土，采样深度10～12 m，灰黑色. 含水率(质量分数)为52.7%，干密度为1.11 g/cm3，孔隙比为1.485，液限为48.2%，塑限为28.4%. 黏聚力C和内摩擦角φ分别为12 kPa和1.3°(直剪快剪).

1.2 实验方案

每根薄壁取土器上部和下部5 cm的土样剔除，余下的土使用薄壁取土器配套的液压装置，将土样取出，用于土的基本物理指标的测定. 根据仪器的规格，将土样制作成直径约50 mm、长约100 mm的圆柱体样品，放入仪器待检.

采用意大利Controls公司的WF动三轴仪进行固结和多振次循环荷载试验. 样品确定压力下进行等压固结，而后进行循环荷载试验. 选取正弦波形. 加载频率选择以下方式进行计算：设地铁车辆运行速度为60 km/h，单节车辆长度约为20 m，计算频率为0.835 Hz，故而选择0.5 Hz和1.0 Hz作为实验用加载频率.

为了统一衡量循环应力水平，定义循环应力比(cyclic stress ratio，CSR)[15]为

CSR=qampl/(2p0)

其中，qampl为循环偏应力幅值；p0为有效固结围压.

为模拟采样点的压力情况，设计2种不同的有效围压状态，分别为150 kPa和200 kPa，每种围压再考虑不同的循环应力级别. 共做了14组循环应力试验(表1).

表1 试验方案

对土样进行循环动荷载试验，并对试验前后的土样进行微观结构样品制作. 为避免风干或烘干过程使土样结构遭到破坏，采用真空冷冻干燥法制备试样. 对试验前后的样品分别切取1 cm3左右的土块，放置于沸点为-196 ℃的液氮中冷冻1 h，使土中孔隙水快速冻结，成为不具备膨胀性的非结晶态冰. 而后迅速将土样放入真空干燥机，使非结晶态冰能够在-50 ℃的状态下升华，从而达到干燥的目的. 在冻干完成后，将土块掰断. 利用扫描电镜(JSM-6390LV，日本)对掰断后土样的新鲜面进行观察，放大倍数为2 000倍.

选取有代表性的区域拍摄微观结构图像. 采用Image-pro plus软件对微观结构图像进行二值化处理，而后通过标记和自动识别获取微观结构参数.

2 结果与讨论

2.1 三轴循环荷载试验

将实验结果绘制成累积轴向应变和振动次数的关系曲线(图1)，可以发现曲线的整体趋势较为相似，但局部有区别.

图1 累积应变随振次发展情况Fig.1 (Color online) Development of accumulative strain with vibration times

图1(a)为围压150 kPa、振动频率1.0 Hz及不同CSR值条件下，累积轴向应变(ε)随振动次数发展的情况. 当CSR<0.31时，循环作用初期，累积轴向应变随着振动次数迅速增加，而后逐渐减小，直至趋于稳定. 当CSR分别为0.06、0.10、0.15和0.20时，趋于平衡时的ε分别为1.2%、3.3%、7.9%和10.2%. 当CSR=0.31时，在振次2 000次以内，累积轴向应变迅速上升并突破20%. 根据相关研究[3,11]，这说明深圳前海饱和黏土的临界循环应力比在0.20～0.31.

图1(b)为围压150 kPa、振动频率0.5 Hz及不同CSR值条件下，累积轴向应变随振动次数发展的情况. 其特点与频率为1.0 Hz时类似，随着振动次数的增加，ε的增速减小，并趋于稳定. 同样，随着CSR值的增大，趋于平衡时的ε越大. 当CSR值分别为0.05、0.10、0.15和0.20时，趋于平衡时的ε分别为1.5%、8.0%、10.0%和12.3%. 此条件下，黏土的临界动应力比为0.20～0.22.

图1(c)为围压200 kPa、振动频率1.0 Hz及不同CSR值条件下，累积轴向应变随振动次数发展的情况. 该实验条件下，黏土的临界动应力比有所减小，为0.15～0.20.

图2是有效固结围压对形变的影响. 由图2可见，在达到临界动应力比之前，围压为200 kPa时的累积轴向应变小于围压为150 kPa时. 且随着动应力比的增加，两者的差距逐渐扩大. 这是由于随着围压的增加，土样被压密的程度也增加，从而使得土体颗粒更加致密，抵抗剪切变形的能力增强[16-17].

图2 围压对轴向累积应变的影响Fig.2 (Color online) Effect of cell pressure on accumulative strain

图3是在围压为150 kPa条件下，振动频率对累积应变的影响. 由图3可以看出，相同CSR值的条件下，加载频率为0.5 Hz时，相同振动次数的条件下，累积轴向应变的值均大于频率为1.0 Hz时. 这是由于振动频率较高时，土体产生的孔压来不及消散，故表现出弹性特性；频率较小时，孔压消散愈充分，土体表现出更多的塑性和黏滞性[3].

图3 围压150 kPa时振动频率对累积应变的影响Fig.3 (Color online) Effect of vibration frequency on accumulative strain under the condition of 150 kPa confining pressure

2.2 微结构实验数据定性分析

限于篇幅，本研究仅选取围压为150 kPa、振动频率为1.0 Hz及不同CSR值条件下，5×104次循环荷载前后的典型微观结构照片，如图4. 从图4可见，在试验前，土体颗粒排列较为混乱，土体颗粒集合体多呈现絮凝状，定向性较差，单元体多以面-边及边-边方式接触. 颗粒间的孔隙较大，大、小孔隙互相贯通，存在较多的架空结构. 经过5×104次加载后，土体颗粒明显排列更加紧凑，相邻土体颗粒聚集、压密，土体更加致密，孔隙相对减少. 单元体以面-面方式接触更加明显(见图4中用椭圆形标记的较具代表性的部位). 由图4还可见，在达到临界动应力比之前(CSR≤0.20)，随着CSR值的增加，颗粒排列愈加致密，单元体接触方式愈加稳定，颗粒间孔隙所占视野范围渐减. 但当CSR超过临界之后，图4中显示的土体结构发生较大变化. 颗粒排列又趋于不稳定，单元体接触关系中，面-边接触现象明显增多，颗粒排列较为混乱. 孔隙数量增多，孔隙增大，同时孔隙形态更趋向扁平化发展.

2.3 微结构实验数据定量分析

为考察施加循环荷载后土样的微观结构变化，选取孔隙的等效直径和孔隙的形态比两个参数，从不同方面反映循环荷载作用下土体孔隙结构形态与排列的变化. 孔隙等效直径是指与孔隙面积相等的圆形的直径. 孔隙的形态比是颗粒长轴与短轴之间的比值，利用该参数表征孔隙的形态，形态比越接近1，孔隙越接近于圆形.

将完成实验的土样的SEM照片进行二值化，对图片孔隙进行识别、标记和跟踪，计算出每张图片所显示的微结构参数值. 每个样品均拍摄3张照片进行定量分析，选取除去异常点的数据的平均值，结果如图5.

图5(a)为动应力比与孔隙的等效直径之间的关系. 从图5(a)可见，当CSR值小于临界动应力比时，随着动应力比的增加，孔隙的等效直径均有所减小；当CSR值大于临界动应力比时，等效直径会明显增加. 即在相同围压条件下，随着偏应力幅值的增加，孔隙所占空间不断减小. 围压相同的条件下， 振动频率由0.5 Hz上升到1.0 Hz， 孔隙等效直径略有降低. 同时，当有效围压由150 kPa升高到200 kPa后，孔隙等效直径有较大幅度的增加.

图4 不同循环应力比条件下样品微观结构Fig.4 (Color online) Micro structures of samples under different cyclic stress ratios

图5 微结构参数与动应力比关系图Fig.5 (Color online) Relationships between microscopic parameter and values of CSR

图5(b)表现的是循环动应力比与孔隙形态比之间的关系. 由图5(b)可以看出，样品孔隙的形态比处于2.0～3.5. 当动应力比小于0.2时，其形态比变化不大，只是略有减小. 当动应力比大于0.2，形态比开始有较大幅度的增加. 在动应力比小于0.2时，孔隙的形态比受围压和振动频率的影响不大. 动应力比急剧增长阶段，围压为150 kPa、频率为0.5 Hz时增长最快；其次围压为150 kPa、频率为1.0 Hz；最后围压为200 kPa、频率为1.0 Hz. 即孔隙的形态比的敏感程度对围压的变化最不敏感.

这些现象的发生是由于持续对土样施加循环荷载，导致土体结构发生了变化. 在循环剪应力的作用下，土体的颗粒一方面发生位移，即土体颗粒逐渐向更加稳定的排列状态发展；另一方面部分较大的团粒会受到外力作用而分裂为小颗粒. 大颗粒变为小颗粒，使得土体颗粒的分选性不断增强，一些小颗粒甚至有可能会填充部分孔隙. 土体颗粒逐渐向稳定的排列状态发展，使得孔隙分布更加均匀. 这些作用都会使得孔隙所占空间减小，同时孔隙形态越来越趋于均匀，表现为孔隙的等效直径减小，以及形态比的小幅改变. 随着CSR值的增加，这种作用会逐渐增强. 但当CSR值超过临界动应力比后，土体结构发生破坏，微结构参数发生较大变化. 循环载荷作用于土体，使得土体内部结构重新调整. 土体颗粒原本达到的较为稳定的排列状态被破坏，向不均匀状态发展，从而使得等效直径变大，孔隙形状也变得更加细长，即形态比增加.

表2 实验前后样品孔隙比

3 结 论

1)本试验条件下，深圳前海软土具有临界动应力比. 试验条件不同，临界动应力比不同. 当围压为150 kPa，频率分别为0.5 Hz和1.0 Hz，及围压为200 kPa，频率为0.5 Hz时，临界动应力比分别为0.20～0.22、0.20～0.31和0.15～0.20.

2)相同试验条件下，累积轴向应变随动应力比增加而增加，相同动应力比条件下，轴向应变随振动频率增加而减小，随有效固结围压增加而降低. 表现在微观层面则是当动应力比小于临界动应力比时，孔隙受到压缩，随动应力比增加而减少，形态趋于扁平化. 超过临界动应力比后，由于土体颗粒重新排列导致孔隙普遍加大，形态扁平化加剧.