循環(huán)應(yīng)力比對飽和軟黏土應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響

循環(huán)應(yīng)力比對飽和軟黏土應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響

中國東南沿海廣泛分布著深層軟粘土層。經(jīng)過長期的運(yùn)營和使用，修建的交通基礎(chǔ)設(shè)施（機(jī)場跑道、高速鐵路、公路等）發(fā)生了重大沉降。例如，溫州永強(qiáng)機(jī)場在項(xiàng)目建成三年后的沉降量為149mm，建設(shè)期為166mm。現(xiàn)在的沉降量超過500毫米，超過了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的10倍。這些沉降部分是由于路堤的靜載和緩慢固定造成的，其中大部分是由于長期交通負(fù)荷造成的。目前有關(guān)飽和黏土在循環(huán)荷載作用下的動強(qiáng)度和循環(huán)軟化等問題已經(jīng)取得了較為一致的結(jié)論;然而這些研究主要針對地震荷載,應(yīng)力幅值高,循環(huán)次數(shù)少(<1000次),與交通荷載小幅值、大周數(shù)的實(shí)際情況不符.近年來,國內(nèi)針對交通荷載低應(yīng)力幅值的特點(diǎn)進(jìn)行的室內(nèi)動三軸試驗(yàn)研究逐漸增多,陳穎平等在原狀樣與重塑樣循環(huán)三軸試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,研究了軟黏土在無靜偏應(yīng)力和有靜偏應(yīng)力循環(huán)荷載作用下的不排水瞬態(tài)累積變形特性,提出了考慮循環(huán)應(yīng)力、循環(huán)振次、超固結(jié)比及靜偏應(yīng)力影響因素的土體應(yīng)變本構(gòu)模型.張勇等通過以交通荷載為背景的飽和重塑軟黏土室內(nèi)不排水動三軸試驗(yàn),研究了循環(huán)荷載作用下飽和重塑軟黏土的累積塑性應(yīng)變發(fā)展形態(tài).魏星等則基于以往試驗(yàn)規(guī)律的分析,提出了一個(gè)較為合理地描述軟土在長期重復(fù)荷載作用下殘余變形發(fā)展過程的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?但是在這些研究中循環(huán)次數(shù)大都僅有幾千次,而且主要針對的是累積塑性應(yīng)變特性,往往忽略了飽和軟黏土在循環(huán)荷載作用下的回彈應(yīng)變特性,因此,有必要開展更大循環(huán)次數(shù)下的室內(nèi)試驗(yàn),來系統(tǒng)分析長期循環(huán)荷載作用下飽和軟黏土的回彈和應(yīng)變累積特性.此外,在已有的研究中針對循環(huán)荷載作用下飽和軟黏土動力特性,提出了2個(gè)重要的臨界應(yīng)力水平:門檻循環(huán)應(yīng)力比和臨界循環(huán)應(yīng)力比.門檻循環(huán)應(yīng)力比是累積孔壓產(chǎn)生與發(fā)展的界限值,當(dāng)循環(huán)應(yīng)力比小于該值時(shí),不論荷載作用多少次都不會產(chǎn)生超孔隙水壓力.臨界循環(huán)應(yīng)力比則是判定土體是否產(chǎn)生循環(huán)破壞的界限值.然而,門檻循環(huán)應(yīng)力比由于取值過低,幾乎不允許塑性變形的累積,采用該值作為路面設(shè)計(jì)控制標(biāo)準(zhǔn)顯然是過于保守的.臨界循環(huán)應(yīng)力比是土樣破壞與否的分界點(diǎn),采用該值作為路面設(shè)計(jì)控制標(biāo)準(zhǔn),又往往會導(dǎo)致過大的累積應(yīng)變,因此,不論是門檻循環(huán)應(yīng)力比還是臨界循環(huán)應(yīng)力比,均不能直接用作路面設(shè)計(jì)的控制標(biāo)準(zhǔn).Brown曾建議采用土體不排水抗剪強(qiáng)度的50%作為路基土的臨界動應(yīng)力水平.Frost等采用動三軸對黏土試樣進(jìn)行循環(huán)加載,從回彈模量和累積變形的角度,進(jìn)一步驗(yàn)證了上述觀點(diǎn).然而,Frost的試驗(yàn)中循環(huán)次數(shù)僅有1000次,難以反映交通荷載大循環(huán)數(shù)目的特點(diǎn).基于此,本文利用英國GDS公司生產(chǎn)的振動三軸儀對溫州飽和軟黏土進(jìn)行了不同循環(huán)應(yīng)力水平下的大周數(shù)(50000次)循環(huán)三軸試驗(yàn),分析了不同循環(huán)應(yīng)力比下飽和軟黏土試樣的回彈和累積應(yīng)變特性,在此基礎(chǔ)上提出了一個(gè)新的適用于飽和軟黏土的臨界應(yīng)力水平.1試驗(yàn)土壤樣品和方案1.1整平過基礎(chǔ)的整平試驗(yàn)所用土樣取自溫州茶山高教園區(qū)開挖至一定深度的基坑內(nèi),為保證原狀土樣的質(zhì)量,將特制的薄壁管(直徑150mm,長250mm)緩緩地插入經(jīng)人工整平過的基坑底部;然后將薄壁管小心地取出,將兩端密封后運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室,存儲在恒溫恒濕箱內(nèi)以備試驗(yàn)使用.試驗(yàn)用土的基本物理力學(xué)參數(shù)如下:密度ρ=1.58~1.62g/cm3,比重Gs=2.66~2.69,天然含水量(水質(zhì)量分?jǐn)?shù))wn(水)=59%~62%,液限wL=69,塑性指數(shù)Ip=38,初始孔隙比e0=1.70,前期固結(jié)壓力pc=85kPa,靈敏度St=5.8.1.2試樣固結(jié)和加載試驗(yàn)試驗(yàn)儀器采用GDS公司的雙向振動三軸儀.試驗(yàn)前,利用推土器將薄壁鋼管中的土樣緩緩?fù)瞥?將土樣切成直徑為50mm,高100mm的試樣.將切好的土樣裝入GDS三軸壓力室,首先進(jìn)行反壓飽和,利用B檢測檢驗(yàn)土樣的飽和程度;然后將土樣在一定的圍壓下進(jìn)行各向同性固結(jié),當(dāng)孔隙水壓力完全消散到等于反壓時(shí),即認(rèn)為土樣固結(jié)完成;最后對試樣進(jìn)行不同循環(huán)應(yīng)力水平下的不排水循環(huán)加載試驗(yàn),波形為半正弦波,頻率為1Hz.本研究共進(jìn)行了18組循環(huán)三軸試驗(yàn)(方案見表1),圍壓采用50、100、200kPa.為衡量循環(huán)應(yīng)力水平,定義循環(huán)應(yīng)力比(rc)為循環(huán)動應(yīng)力與土體不排水抗剪強(qiáng)度的比值,即式中:σcyc為循環(huán)動應(yīng)力;τf為對應(yīng)圍壓下土體的不排水抗剪強(qiáng)度,在50、100、200kPa圍壓下分別為43、83、119kPa.循環(huán)應(yīng)力比較低時(shí),試樣未達(dá)到破壞,當(dāng)加載次數(shù)N達(dá)到50000次時(shí)終止試驗(yàn);循環(huán)應(yīng)力比較高時(shí),試樣在較少的循環(huán)次數(shù)下即達(dá)到破壞,當(dāng)累積應(yīng)變達(dá)到20%時(shí)終止試驗(yàn).試驗(yàn)數(shù)據(jù)每隔10個(gè)循環(huán)記錄一次,每次記錄50個(gè)點(diǎn)(即每0.02s記錄一組數(shù)據(jù)).2試驗(yàn)結(jié)果及分析2.1循環(huán)次數(shù)對應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的影響以一個(gè)典型試樣(圍壓為100kPa,循環(huán)應(yīng)力比為0.544)的試驗(yàn)結(jié)果為例,引入一些分析方式和定義,為下文分析不同循環(huán)應(yīng)力比下的應(yīng)變發(fā)展規(guī)律提供基礎(chǔ).圖1為典型的在長期循環(huán)荷載作用下軸向應(yīng)變的發(fā)展規(guī)律.由圖1(a)可以看出,循環(huán)加載產(chǎn)生的總應(yīng)變εt可以分為回彈應(yīng)變εr和累積應(yīng)變εp兩個(gè)部分,即隨著循環(huán)次數(shù)的增加,累積應(yīng)變逐漸增加,但累積速率逐漸減小,大部分累積應(yīng)變產(chǎn)生在最初的10000次循環(huán)內(nèi).經(jīng)過較大循環(huán)次數(shù)后,圖1(a)中軸向應(yīng)變的最大值與最小值之差(回彈應(yīng)變)逐漸達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值.圖1(b)為對應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線圖,其中第50、500、5000、40000和50000次循環(huán)下的應(yīng)力-應(yīng)變滯回圈用粗線條予以突出顯示.隨著循環(huán)次數(shù)的增加,應(yīng)力-應(yīng)變滯回圈逐漸向應(yīng)變增大的方向移動,從圖1(b)可以看出,最初的5000次循環(huán)產(chǎn)生了0.98%的累積應(yīng)變,而在40000到50000次的循環(huán)內(nèi)則僅僅產(chǎn)生了0.1%的累積應(yīng)變,這也從另一個(gè)角度顯示了累積應(yīng)變速率隨循環(huán)次數(shù)的增加逐漸減小.為了分析試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線隨循環(huán)次數(shù)的變化,把圖1(b)中第50、500、5000、40000和50000次循環(huán)下的累積變形省略,使應(yīng)力-應(yīng)變滯回圈統(tǒng)一從原點(diǎn)出發(fā)(圖2(a)).可以看出,隨著循環(huán)次數(shù)的增加,滯回圈逐漸向橫軸傾斜,表明在同樣的動應(yīng)力下產(chǎn)生了更大的回彈變形值,這是由于飽和軟黏土隨循環(huán)次數(shù)的增加發(fā)生軟化.為定量分析這種循環(huán)軟化,定義回彈模量為循環(huán)動應(yīng)力與回彈變形之比,即圖2(b)為回彈模量隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線.可以看出,由于循環(huán)軟化,回彈模量在開始的幾千次循環(huán)內(nèi)迅速衰減;當(dāng)循環(huán)次數(shù)足夠大時(shí),土體軟化程度減弱,回彈模量逐漸達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值.這也是圖2(a)中40000次和50000次循環(huán)下應(yīng)力-應(yīng)變曲線重合的原因.2.2循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖3(a)~(h)為圍壓分別為50、100、200kPa時(shí),不同循環(huán)應(yīng)力比下應(yīng)力應(yīng)變曲線隨循環(huán)次數(shù)的變化.如2.1節(jié)所述,省略累積變形值,選擇循環(huán)次數(shù)為50、500、5000、40000和50000對應(yīng)的滯回曲線進(jìn)行對比.不同循環(huán)應(yīng)力比下,應(yīng)力-應(yīng)變曲線隨循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律有很大不同.當(dāng)循環(huán)應(yīng)力比較小時(shí)(圖3(a)、(g)),單次循環(huán),產(chǎn)生的軸向應(yīng)變較小,應(yīng)力-應(yīng)變曲線近似呈線性,而且隨著循環(huán)圈數(shù)的增加,不同循環(huán)次數(shù)下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線形狀變化不大,第50~50000次循環(huán)下的滯回曲線近于重合;當(dāng)循環(huán)應(yīng)力比較大時(shí)(圖3(d)、(f)、(h)),應(yīng)力-應(yīng)變曲線的卸載部分位于加載部分的下方,變形的恢復(fù)表現(xiàn)出明顯的黏滯性,而且隨著循環(huán)次數(shù)的增加,應(yīng)力-應(yīng)變曲線的形狀也逐漸由較為飽滿的“梭形”變?yōu)椤胺碨形”.經(jīng)過較大的循環(huán)次數(shù)后,滯回曲線的形狀也逐漸保持穩(wěn)定,第40000次和50000次循環(huán)下的滯回曲線也近于重合.圖4為不同循環(huán)應(yīng)力比下回彈模量隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線.將不同圍壓、不同循環(huán)應(yīng)力比下的回彈模量通過各自第1圈的回彈模量作為初始回彈模量Mr0進(jìn)行了歸一化.當(dāng)循環(huán)應(yīng)力比較小時(shí),回彈模量隨循環(huán)次數(shù)衰減不明顯,在很少的循環(huán)次數(shù)下回彈模量即達(dá)到穩(wěn)定;當(dāng)循環(huán)應(yīng)力比較大時(shí),回彈模量在初始階段迅速衰減,經(jīng)過較大的循環(huán)次數(shù)后,也逐漸達(dá)到穩(wěn)定.由圖4還可以看出,達(dá)到穩(wěn)定的次數(shù)隨著循環(huán)應(yīng)力比的增加而逐漸增大.圖5為不同圍壓下,經(jīng)過50000次循環(huán)后歸一化回彈模量隨循環(huán)應(yīng)力比變化曲線.可以看出,當(dāng)rc<0.65時(shí),回彈模量隨循環(huán)應(yīng)力比的增加逐漸降低;當(dāng)rc>0.65時(shí),回彈模量幾乎保持不變,歸一化的回彈模量Mr50000/p'0=90.Frost通過對低含水量的黏土進(jìn)行的三軸試驗(yàn),得到了相同的結(jié)論,并將這個(gè)保持不變的回彈模量值稱為“漸近線剛度”,認(rèn)為其是循環(huán)荷載作用下試樣的最低回彈模量.2.3循環(huán)應(yīng)力比與臨界循環(huán)應(yīng)力比的關(guān)系圖6為不同循環(huán)應(yīng)力比下的軸向應(yīng)變發(fā)展曲線,其中圖6(a)對應(yīng)的圍壓為100kPa,圖6(b)、(c)對應(yīng)的圍壓分別為50和200kPa.由圖6可以看出,如采用本文的定義方式,不同圍壓下累積應(yīng)變值可統(tǒng)一由循環(huán)應(yīng)力比的大小所決定.明顯地,試樣的累積應(yīng)變隨循環(huán)應(yīng)力比的增大而逐漸增加.當(dāng)循環(huán)應(yīng)力比較小時(shí),隨循環(huán)次數(shù)的增加,累積應(yīng)變速率越來越小,經(jīng)過50000次循環(huán)后,仍未產(chǎn)生明顯的破壞現(xiàn)象;然而,當(dāng)循環(huán)應(yīng)力比很大時(shí),累積應(yīng)變隨循環(huán)次數(shù)的增加迅速增大,在很少的循環(huán)次數(shù)下即達(dá)到并超過了不排水靜力剪切試驗(yàn)下對應(yīng)的破壞應(yīng)變,本文取應(yīng)變?yōu)?0%.上述2種狀態(tài)之間的分界,即為臨界循環(huán)應(yīng)力比.對于本文研究的溫州飽和軟黏土,臨界循環(huán)應(yīng)力比約為0.85(圖6(a)).如引言中所述,該臨界值已被大量的研究所驗(yàn)證.臨界循環(huán)應(yīng)力比是試樣破壞與否的分界點(diǎn).對于交通工程而言,非但不能產(chǎn)生破壞,過大的沉降也是不允許的,因此,僅僅采用臨界循環(huán)應(yīng)力比作為路面設(shè)計(jì)的控制準(zhǔn)則是不夠安全的.圖7為當(dāng)循環(huán)應(yīng)力比小于臨界值時(shí),不同循環(huán)次數(shù)(50、5000、50000)下累積應(yīng)變隨循環(huán)應(yīng)力比的變化曲線.當(dāng)循環(huán)應(yīng)力比較小時(shí)(rc<0.6),隨循環(huán)應(yīng)力比的增大,累積應(yīng)變增長較慢,累積應(yīng)變與循環(huán)應(yīng)力比近似呈線性關(guān)系;然而,當(dāng)循環(huán)應(yīng)力比較大時(shí)(rc>0.7),隨循環(huán)應(yīng)力比的增大,累積應(yīng)變開始迅速增長.可見,除臨界循環(huán)應(yīng)力比之外,還有一個(gè)較低的循環(huán)應(yīng)力水平.當(dāng)循環(huán)應(yīng)力比小于該值時(shí),累積應(yīng)變的增長較慢,可以被限定在較小的數(shù)值.由圖7可以看出,該臨界應(yīng)力水平對應(yīng)的循環(huán)應(yīng)力比范圍為0.60~0.70.當(dāng)rc=0.65時(shí),經(jīng)過50000次循環(huán)后產(chǎn)生的累積應(yīng)變僅為1.98%,遠(yuǎn)小于不排水靜力剪切試驗(yàn)對應(yīng)的破壞應(yīng)變(10%).如引言中所述,門檻循環(huán)應(yīng)力比(rc≈0.01~0.05)由于取值過低,幾乎不允許塑性變形的累積,采用該值作為路面設(shè)計(jì)控制標(biāo)準(zhǔn)顯然過于保守.而臨界循環(huán)應(yīng)力比(rc≈0.85,圖6(a))是土樣破壞與否的分界點(diǎn),采用該值作為路面設(shè)計(jì)控制標(biāo)準(zhǔn),又往往會導(dǎo)致過大的累積應(yīng)變.相比而言,循環(huán)應(yīng)力比在0.60~0.70范圍內(nèi)更適合作為長期循環(huán)荷載作用下飽和軟黏土的臨界應(yīng)力水平.在圖6(a)中rc=0.421和0.266非常接近,幾乎重合.當(dāng)循環(huán)應(yīng)力比大于該水平時(shí),飽和軟黏土經(jīng)過50000次循環(huán)后回彈模量達(dá)到最低的“漸近線剛度”,同時(shí)累積應(yīng)變隨循環(huán)應(yīng)力比增大迅速增長.對處于飽和軟黏土地區(qū)的交通工程,通過地基處理提高路基土的強(qiáng)度使得循環(huán)應(yīng)力比小于該數(shù)值,可以在保證路基軟黏土滿足回彈模量的同時(shí),不產(chǎn)生過大的沉降.3循環(huán)應(yīng)力對回彈模量的影響通過溫州原狀飽和軟黏土進(jìn)行了大數(shù)目(50000次)不排水循環(huán)加載試驗(yàn),研究了循環(huán)應(yīng)力比對飽和軟黏土應(yīng)力-應(yīng)變曲線、回彈模量和累積應(yīng)變的影響,得到如下結(jié)論:(1)當(dāng)循環(huán)應(yīng)力比較小時(shí),試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線近似呈線性,其形狀隨循環(huán)次數(shù)的增加變化不大;回彈模量隨循環(huán)次數(shù)衰減不明顯,在很少的循環(huán)次數(shù)下即達(dá)到穩(wěn)定.當(dāng)循環(huán)應(yīng)力比較大時(shí),試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線的卸載部分位于加載部分的下方,變形的恢復(fù)表現(xiàn)出明顯的黏滯性,其形狀隨循環(huán)次數(shù)的增加變化明顯;回彈模量在初始階段迅速衰減,經(jīng)過較大的循環(huán)次數(shù)后,才逐漸達(dá)到穩(wěn)定.(2)經(jīng)過50000次循環(huán)后,回彈