结构性软黏土循环荷载下的软化特性研究

黄鑫， 丁智， 孙苗苗， 虞建刚， 职非韩， 黄灿

（1.浙江大学建筑工程学院，杭州 310058；2.浙大城市学院土木工程系，杭州 310015）

0 引言

自20世纪初土体的结构性概念问世以来，关于结构性的研究已经从最初的概念描述发展到如今的图像分析和定量研究阶段，随着不断深入研究，研究者们发现土体的结构性对其力学性质起着决定性作用。沈珠江院士将土体结构性称为21世纪岩土工程学科发展的核心问题[1]。

研究表明软黏土在循环荷载下会产生软化现象，导致土体的沉降，对实际的工程建设产生不良影响。张华庆等[2]对波浪循环荷载作用下软黏土软化机理进行了总结，阐述了软黏土在循环荷载作用下，会发生变形增加、强度降低的软化现象。张勇等[3]总结了在循环荷载作用下，随着循环周次的增加，土体均存在不同程度的刚度软化现象。庄海洋等[4]就列车振动引起的路基沉降进了动荷载作用下新近沉积片状细砂的振动排水特性和竖向累积变形特性的研究，为列车振动荷载作用下的砂性土动力学特性研究提供了参考。蒲黍絛等[5]以上海地铁9号线为工程背景，在实测的基础上，对地铁循环荷载作用下隧道周边软黏土的动力响应特性进行了研究。陈蔚[6]通过现场实测，确定了地铁列车行驶引起的隧道周围土体的响应频率分布区域后，并采用动三轴试验分析不同动应力比和频率对土体动强度的影响。罗文俊等[7]对饱和重塑红黏土进行单向加载循环三轴试验，结果表明随着动应力比的增大,土体的软化程度也越大，但在较高的循环振次下，软化程度减弱。在软土的结构性特性方面，臧濛[8]对湛江结构性软黏土进行了考虑不同静偏应力对循环动力特性影响的试验研究，结果表明静偏应力的改变会影响土体孔隙水压力的变化，孔压在土体破坏后呈负增长，出现明显的拐点。随着研究不断深入，人们发现在工程实践中重塑土与原状土相比存在着截然不同的力学性质。贾富利和许华青[9]利用GCTSSTX-100双向振动三轴仪对甘肃中试厂的地基土进行了原状土与重塑土对比特性试验，得出了重塑土与原状土之间较大的力学性质差别。与具有结构性的原状土相比，重塑土的结构性较弱，在具体工程实践中容易产生计算结果与实际值误差较大的问题。综合以上研究成果发现，目前国内研究大多以重塑软土为主，构建的模型也仅仅是针对重塑土提出的，且重塑土样与结构性土存在显著的力学性质差异（刚度和应变软化），以重塑土为研究对象而得到的软土的软化特性与实际情况不符，基于此，文中选取滨海结构性原状土进行相关室内循环三轴试验，研究了有效固结围压、振动频率以及动应力比对结构性软黏土软化发展规律的影响，建立了饱和软黏土的经验软化模型，并验证了模型的准确性，模型可以为实际工程中地基土层的长期沉降预测以及计算提供了一定理论基础。

1 试验设计

1.1 试验土样

试验用土取自杭州市滨海地区，土样的基本物理特性指标如表1所示，土体经过取土、切削完成后，放入真空饱和器中真空饱和24h，操作过程严格按照GB/T 50123-2019《土工试验方法标准》的规定进行，所制土样直径5cm，高10cm。

表1 土体的基本物理特征指标

1.2 试验方案

为了探究滨海结构性饱和软黏土的动力特性，采用GDS动三轴仪对原状软黏土进行了循环加载试验研究，以期得到有效固结围压、振动频率以及动应力比对累积应变发展规律的影响。根据波浪、交通等动力荷载的频率，选取了0.1、0.5、1Hz三个频率，同时为了保证土体结构性，采用K0固结方式，固结时间设为96h，选取阶梯型动应力比加载方式，试验方案如表2所示。表中循环应力比 CSR=τd/Cu，其中 τd=σd/2，σd为轴向循环动应力，Cu为土体不排水强度。

表2 试验方案

2 试验结果及分析

2.1 软化指数定义

软化指数最早由Idriess等[10]提出，文中在Idriss软化指数δ的定义基础上，考虑到试验加载方式为应力控制，采用王军[11]定义的软化指数δ公式：

式中，qmax、qmin分别为每次循环中的最大和最小偏应力；ε1,max、ε1,min分别为第一次循环中最大和最小轴向应变；εN,max、εN,min分别为第N次循环中最大和最小轴向应变。

2.2 有效围压的影响

如图1所示为土体循环荷载作用下不同有效围压的软化指数随循环次数的变化情况，从图上可以看到，随着循环次数的增加，各级振动频率下的软化指数均呈减小的趋势，土体的软化程度提高，这与YASUHARA等[12]的结论一致。从曲线的发展趋势来看，土体在有效围压为100kPa下的软化指数减小速率远小于有效围压为50kPa时的软化指数减小速率，如图1（b）所示，在相同的循环次数N=100时，有效围压100kPa对应的土体软化指数为0.85，而相应的有效围压为100kPa时的软化指数仅为0.75，约为前者的88%，又如图1（c）所示，当循环次数为10000次时的有效围压为100kPa对应的软化指数为0.83，有效围压50kPa则为0.78。此外，从图中还可以看出，当有效围压为100kPa时，软化指数与循环次数对数值lgN的关系多为线性关系，而当有效围压为50kPa，且循环次数>100时，软化指数与循环次数对数值lgN的关系不再是线性而是曲线了，如图1（a）～图1（f）所示。以上分析表明，有效围压对于土体的软化指数有着显著的影响，增大有效围压可以有效减小土体软化指数的发展速率。

图1 不同有效围压下的软化指数随振次的变化曲线

2.3 加载频率的影响

图2为试样在有效围压为50、100kPa时不同加载频率影响下软化指数的发展情况。

图2 不同频率下的软化指数

由图可知，随着振次增加，不同有效围压下的软化指数均呈递减的趋势，且递减速率随着循环次数的继续增加而趋缓，这与周建和龚晓楠[13]的研究结果一致。此外，试样软化指数在加载频率为0.1Hz下衰减最快，其次为1Hz试样，0.5Hz试样软化指数衰减速度则最慢，以图2（b）为例，在循环次数为1000时，对应的软化指数分别为0.73、0.75、0.85，这说明频率对软化指数衰减影响并非为线性的。对比图2（a）、图2（b）、图 2（d），当频率较低时（f=0.1），土样在较低的次数软化指数的迅速衰减，这是因为当土体处于低频循环荷载作用下，孔压有足够的上升时间，而当频率较大时（f≥0.5）时，试样在较大的次数（100000）才发生破坏，可见频率对软化指数的影响显著。

2.4 循环应力比的影响

图3表示的是不同循环应力比下软化指数随加载次数变化的发展曲线。从图中可以看出，软化指数随着加载次数的增加而逐渐衰减，土体的软化程度提高。

图3 不同循环应力比下的软化指数

从图3可知，循环荷载作用下，当循环应力比较大时CSR=0.6,土样在很小的循环次数下就发生破坏，而当循环应力比较小时CSR=0.3，土样经历较高的循环次数才发生破坏，这是因为CSR=0.6时，随着循环次数的增加，土样累积应变与孔压上升缓慢上升，而CSR=0.3（<0.6）时的累积应变与孔压则迅速上升，此时可以认为CSR=0.6为临界循环应力比。

3 软化模型

目前对于描述土体软化特性的模型建立已经取得了很多成果，由前述分析可知，软化指数与加载次数对数值之间呈线性关系，基于此文中综合考虑有效围压、循环应力比、加载频率对软化指数得影响，建立如下关系式来描述软化指数与循环次数对数值的关系。

式中，B为循环软化参数；N为循环次数。对软化指数和循环次数的关系进行回归分析，得出实测值与计算值对比见图4。拟合试验结果见表3。各组试样采用不同的试验参数，对比分析拟合后相关性系数都超过0.99，且各曲线走势和变化速率与预计曲线完全吻合，验证了上述软化指数与循环次数对数值关系的正确性，同时表明试验结果的可靠性。

图4 实测值与计算值对比曲线

表3 软化参数

4 结语

为了探究滨海结构性饱和软黏土的循环软化性状，采用GDS动三轴仪对杭州原状软黏土进行了循环加载试验研究，分别考虑了有效围压、频率和动应力比对软化指数发展规律的影响，得到了以下几点结论：

（1） 随着循环次数的增加，各级振动频率下的软化指数均呈减小的趋势，土体的软化程度提高；相同试验条件下，与高围压相比（100kPa）低围压下土样的软化指数发展速率更快，也就是说土样更加容易发生破坏，软化速度更快，这说明有效围压对于土体的软化指数有着显著的影响，增大有效围压可以有效减小土体软化指数的发展速率。

（2） 频率对软化指数有显著的影响，试样软化指数在加载频率为0.1Hz下衰减最快，其次为1Hz试样，0.5Hz试样软化指数衰减速度则最慢，这说明频率对软化指数衰减影响程度不以线性变化，高频和低频的动荷载激振场会使软黏土产生较明显的软化现象。

（3） 存在临界循环应力比（CSR=0.6），当CSR<0.6时，土样经历较高循环次数才发生破坏，而当CSR=0.6时，试样在较小的循环次数就发破坏，这是因为累积应变与孔压上升速率差异导致的，这也说明循环应力比的增加会显著提高土体的软化程度，加快土样的破坏速度。