工程地质学报  2017, Vol. 25 Issue (6): 1395-1404   (6255 KB)    
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  • 收稿日期:2016-09-22
  • 收到修改稿日期:2017-04-24
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    杨爱武
    张卫
    基于两种波形作用结构性软黏土动力特性试验研究
    杨爱武, 张卫    
    天津城建大学, 天津市软土特性与工程环境重点实验室 天津 300384
    摘要:利用GCTS动态空心圆柱扭剪仪,基于正弦波和方波两种波形循环荷载作用,考虑围压、振幅、频率及振次等因素的影响,研究结构性软黏土动力特性。试验结果表明:动应力低于土体结构屈服应力时,波形对动应力-应变关系曲线整体形状影响很小;动应力超过结构屈服应力时,应力-应变关系都呈软化型,方波软化程度高。同条件下,方波累积变形量总是大于正弦波。波形对孔压变化有影响,正弦波作用下孔压值总是大于方波。振幅对于孔压变化的影响表现为:稳定型幅值时上升速度快,数值也大于临界型幅值作用下的孔压值,即临界型幅值作用下的孔压滞后现象严重。屈服应变与动强度都随振次的增加呈减小趋势,最终都分别趋于一定值,最终数值大小都与波形有关,前者正弦波小于方波,后者正弦波大于方波。
    关键词波形    结构性软黏土    动应力-应变    屈服应变    动强度    
    EXPERIMENTAL STUDY ON DYNAMIC PROPERTIES OF STRUCTURAL SOFT CLAY BASED ON TWO KINDS OF WAVEFORM
    YANG Aiwu, ZHANG Wei    
    Key Laboratory of Soft Soil Engineering Character and Engineering Environment of Tianjin, Tianjin Chengjian University, Tianjin 300384
    Abstract: This paper uses GCTS dynamic hollow cylindrical torsional shear apparatus and two cyclic loading waveform of sine wave and square wave. It considers the confining pressure, the influence of the vibration amplitude, frequency and the minor factors. It studies the dynamic characteristics of structural soft clay. The test results show the follows. When the dynamic stress is below the yield stress of soil structure, waveform's influence on the overall shape of the dynamic stress-strain relationship curve is very small. When dynamic stress exceeds the structure yield stress, stress-strain relationship is softening type. The softening degree of square wave is higher. Under the same conditions, square wave accumulated deformation is always greater than that of the sine wave. Waveform has an effect on pore pressure changes. The values of pore pressure under sinusoidal wave action is always greater than that of the square wave. Amplitude for the performance of pore pressure change is as follows:when the rising speed of stable amplitude is quick, the value is greater than the critical type amplitude under the action of pore pressure value. Namely the critical type amplitude under the action of pore pressure hysteresis phenomenon is serious. Yield strain and dynamic strength decrease with the increase of the vibration time trend, eventually tend to a certain value. Finally numerical size is related to the waveform. The sine wave is less than the square wave, which is contrary to the sine wave is greater than the square wave.
    Key words: Waveform    Structural soft soil    Dynamic stress strain    Yield strain    Dynamic strength    

    0 引言

    目前国内外涉及波形作用下土体动力特性研究主要有:Thiers et al.(1968)通过对旧金山湾黏土施加不同波形、不同应力幅值的循环荷载后发现,三角波循环荷载作用下土体强度比正弦波荷载作用下土体强度高约10%。lshihara et al.(1979)通过对地震中液化严重的和无液化的两块场地中原状砂样施加正弦波后发现,原状砂土的动强度并不高,且两种场地砂土的动强度比较接近。Behzadi et al.(1996)通过施加矩形波,得到了一个预测路基土永久变形的模型;宫全美等(2001)在杨灿文和周胜平铁路路基土的动力试验成果基础上,发现试样的孔隙水压力增长,在单向脉冲应力作用下均小于正弦波荷载下的试验值。蒋军等(2001)通过施加矩形波、锯齿波、三角波和正弦波进行了长期循环加载固结试验,发现循环荷载试验结果在不同的加载波形下相差不大。凌建明等(2002)采用三角波形式进行加载,得到了以土体的不排水抗剪强度、动应力和循环振次为影响因素的湿软路基残余变形的估算公式。唐益群等(2004)黄茂松等(2006)分别采用正弦波或三角波的形式进行加载,研究了饱和软黏土的不排水循环累积变形、孔压发展规律和动应力-应变关系。雷华阳等(2008)研究发现在半正弦波形条件下结构性软土动剪切模量、动弹性模量随固结压力值的变化,存在一个转折点。曹勇等(2013)对结构性海积软土进行循环三轴试验后认为,循环荷载应力幅值小于临界循环应力时,荷载波形变化对试样轴向应变的发展影响不大,且轴向应变最终稳定在较小的数值处;当超过临界循环应力幅值后,轴向累积应变迅速发展,方波荷载作用下累积塑性应变发展最快,三角波次之,正弦波荷载对应的累积塑性应变发展最慢。

    土的结构性是指土中颗粒或土颗粒集合体以及颗粒间的孔隙的大小、形状、排列组合及联结等综合特征(Lambe et al., 1969)。多数天然土都有一定的结构性,并且具有明显的区域性特点(Kabbajm et al., 1988)。目前国内外考虑到结构性对土体动力特性影响的研究主要有:Larew et al.(1962)最早将临界循环应力比定义为不导致土体破坏的最大循环应力比。当循环应力比小于临界循环应力比时,土体轴向累积塑性应变和孔压增长缓慢,循环振次很大时土体结构才发生破坏;当大于临界循环应力比时,轴向累积塑性应变和孔压随循环振次的增加迅速增大,土体结构在很少的振次内就发生破坏。周建等(2000)认为土体软化的根本原因是土体在循环荷载作用下主应力方向不断改变导致了土体结构重塑,循环应力破坏了土体的结构。陈颖平等(2005)指出结构性软土在循环荷载作用下的破坏应变可以采用轴向累积塑性应变随振次变化曲线上的转折点来代替。姜岩(2007)利用数学模型推求出结构性黏土在交通荷载作用下的结构强度值,并从微观角度深入地分析了该类黏土的结构效应。丁伯阳等(2012)研究了土体结构性对杭州软土动力特性参数的影响。

    综上所述,软黏土的动力特性研究已取得一定成果,但以往的研究主要集中在单一波形循环荷载作用,对于波形的影响涉及的文献还不多,另外由于软黏土具有结构性,同时考虑结构性与波形影响就更鲜有文献提到。本文以天津滨海新区结构性软黏土为研究对象,基于两种循环荷载波形,探讨动荷载作用下结构性软黏土的力学特性,为相关工程建设提供理论支撑。

    1 试验方案
    1.1 土体基本性质

    试验采用的土样为天津滨海新区海积结构性软土,取样深度为7.0~15.0m,土样一维压缩结构屈服应力为125kPa。软土各项物理力学性质指标统计(表 1)。从表 1可以看出,天津滨海新区海积软黏土含水量高,压缩性高,具有一定的灵敏度,属于典型的软土。

    表 1 物理力学指标 Table 1 Physical and mechanical parameters

    1.2 试验方案

    利用GCTS空心圆柱扭剪仪进行室内固结不排水动三轴试验,对土样分别施加正弦波、方波两种振动波形动荷载,围压分别取50kPa、75kPa、100kPa、150kPa。根据试验土样三轴压缩结构屈服应力,动应力幅值分别选取20kPa、30kPa、40kPa,具体试验设计参数(表 2)。

    表 2 动三轴试验方案 Table 2 Method of dynamic triaxial texts

    2 试验成果与分析
    2.1 动应力-应变关系

    两种波形作用下应力-应变关系如图 1~图 12所示,为便于观察回滞圈特性,文中所有回滞圈选取代表性圈数,且其之间累积塑性变形值取人为规定值1%。

    图 1 围压50kPa动应力幅值20kPa应力-应变 Fig. 1 Stress and strain of 20kPa dynamic stress amplitude with a confining pressure of 50kPa a.正弦波;b.方波

    图 2 围压50kPa动应力幅值30kPa应力-应变 Fig. 2 Stress and strain of 30kPa dynamic stress amplitude with a confining pressure of 50kPa a.正弦波;b.方波

    图 3 围压50kPa动应力幅值40kPa应力-应变 Fig. 3 Stress and strain of 40kPa dynamic stress amplitude with a confining pressure of 50kPa a.正弦波;b.方波

    图 4 围压75kPa动应力幅值20kPa应力-应变 Fig. 4 Stress and strain of 20kPa dynamic stress amplitude with a confining pressure of 75kP a.正弦波;b.方波

    图 5 围压75kPa动应力幅值30kPa应力-应变 Fig. 5 Stress and strain of 30kPa dynamic stress amplitude with a confining pressure of 75kPa a.正弦波;b.方波

    图 6 围压75kPa动应力幅值40kPa应力-应变 Fig. 6 Stress and strain of 40kPa dynamic stress amplitude with a confining pressure of 75kPa a.正弦波;b.方波

    图 7 围压100kPa动应力幅值20kPa应力-应变 Fig. 7 Stress and strain of 20kPa dynamic stress amplitude with a confining pressure of 100kPa a.正弦波;b.方波

    图 8 围压100kPa动应力幅值30kPa应力-应变 Fig. 8 Stress and strain of 30kPa dynamic stress amplitude with a confining pressure of 100kPa a.正弦波;b.方波

    图 9 围压100kPa动应力幅值40kPa应力-应变 Fig. 9 Stress and strain of 40kPa dynamic stress amplitude with a confining pressure of 100kPa a.正弦波;b.方波

    图 10 围压150kPa动应力幅值20kPa应力-应变 Fig. 10 Stress and strain of 20kPa dynamic stress amplitude with a confining pressure of 150kPa a.正弦波;b.方波

    图 11 围压150kPa动应力幅值30kPa应力-应变 Fig. 11 Stress and strain of 30kPa dynamic stress amplitude with a confining pressure of 150kPa a.正弦波;b.方波

    图 12 围压150kPa动应力幅值40kPa应力-应变 Fig. 12 Stress and strain of 40kPa dynamic stress amplitude with a confining pressure of 150kPa a.正弦波;b.方波

    图 1~图 12可知,在同围压下,随着动应力幅值的提高,回滞圈越来越“胖”,即不可逆变形越来越大,方波总是大于正弦波。由于结构屈服应力取值与围压有关,低围压下结构屈服应力取表 1中的小值,反之取大值,因此,应力幅值与结构屈服应力大小比较是相对的。当动应力幅值低于结构屈服应力时,正弦波、方波应力-应变整体形状差不多,即长轴斜率变化不大,基本处在75°~85°范围之内;当动应力幅值超过结构屈服应力时,方波的长轴明显更倾斜,斜率更小,即方波应力-应变关系软化程度高。同振幅条件下,随着围压的增大,回滞圈越来越显“瘦”,圈数比较多,即弹性变形占上风,但方波回滞圈面积也总是大于正弦波。

    产生以上现象可从土体结构性角度给予解释。一方面由于土体具有结构性,当振幅低于土体三轴压缩结构屈服应力时,土体结构基本上没有遭到破坏,刚度较高,受到外力作用变形小,不同波形做功对软土变形的影响很小,两种波形下动应变值接近,即回滞圈面积较小,整体形状相似;当振幅超过土体三轴压缩结构屈服应力时,会出现结构大量破坏,土骨架刚度急剧变小,在循环荷载下很容易发生变形,又由于方波能量高于正弦波,方波引起的动应变明显要大于正弦波,即方波回滞圈面积大于正弦波,也就是说波形对软土动应力-应变关系的影响在动应力幅值大于土体三轴压缩结构屈服应力时较为明显。围压对变形特性的影响也与土体结构性有关,当围压(50kPa)小于一维压缩结构屈服应力时,围压对土体挤压作用较弱,土体结构破坏少,可以抵抗一部分外荷载;当围压(150kPa)大于一维压缩结构屈服应力时,围压对土体产生两方面影响:一方面围压对土体起到挤密作用;另一方面围压过大使土体结构破坏多,但是,总体上前者起主导作用。因此,同振幅条件下,随着围压的增大,表现为回滞圈越来越显“瘦”,且圈数比较多。

    2.2 动力累积塑性应变

    限于篇幅,两种波形作用下典型土体累积塑性应变与振次关系(图 13~图 14)。

    图 13 围压50kPa不同动应力幅值累积塑性应变 Fig. 13 Accumulative deformation under different dynamic stress amplitudes with a confining pressure of 50kPa a.正弦波;b.方波

    图 14 围压150kPa不同动应力幅值累积塑性应变 Fig. 14 Accumulative deformation under different dynamic stress amplitudes with a confining pressure of 150kPa a.正弦波;b.方波

    图 13~图 14可知,累积变形总体表现为:围压相等时,随幅值增大而增大。当应力幅值小于三轴压缩结构屈服应力时,在开始阶段随振次的增加,累积塑性应变增长比较快,达到一定振次后速率减慢,累积应变曲线逐渐到达稳定型;当应力幅值大于三轴压缩结构屈服应力时,随振次的增加,累积塑性应变增长速率随之加快,累积变形量也随之提高,累积应变曲线很快到达破坏型。应力幅值相等时,累积塑性应变随着围压的增大而减小。在同条件下,方波累积塑性应变大于正弦波。产生这些现象的原因与前述动应力-应变关系机理一致,都与土体结构性变化以及土颗粒挤密程度有关。

    2.3 孔压特性

    限于篇幅,两种波形作用下典型土体动孔压与振次关系(图 15~图 16)。

    图 15 动应力幅值20kPa孔压变化 Fig. 15 The change of pore pressure under dynamic stress amplitude of 20kPa a.正弦波;b.方波

    图 16 动应力幅值40kPa孔压变化 Fig. 16 The change of pore pressure under dynamic stress amplitude of 40kPa a.正弦波;b.方波

    图 15~图 16可知,同围压下,正弦波孔压值总是大于方波。稳定型幅值(幅值小于结构屈服应力)作用下,孔压随围压的增大而增大,正弦波作用下的孔压值大于方波作用下的数值。临界型幅值(幅值大于结构屈服应力,但小于破坏应力)作用下,孔压随围压的增大而减小,也就是说稳定型幅值作用下的孔压值远大于临界型幅值作用下的孔压值,即临界型幅值作用下的孔压滞后现象严重。

    产生以上现象的原因与土结构损伤程度有关。动应力幅值不同,孔压发展模式不同。在稳定型动应力幅值作用下,土体结构破坏小,土体内部空隙连通性好,孔压会随着围压的增大而增大,考虑到同条件下方波能量高于正弦波,方波对土体结构损伤程度大,最终使正弦波作用下的孔压值大于方波作用下孔压值。在临界型动应力幅值作用下,孔压变化也与土体结构变化有关。围压(50kPa、75kPa)时,围压对土体结构破坏少,孔压会随围压增大而增大,但此时应力幅值超过土体三轴压缩结构屈服应力,对土体结构破坏大,整体上表现为孔压滞后现象增加,孔压值小;围压(100kPa、150kPa)时,围压与幅值都对土体结构造成破坏,土体内部空隙连通性变差,滞后现象严重,但由于振次的增加,使得高围压下最终孔压值增大,考虑到方波对土体结构破坏程度大,最终也使正弦波作用下的孔压值大于方波作用下孔压值。

    2.4 屈服应变特性

    文中屈服应变是指累积塑性应变中曲率半径最小的点对应的应变。限于篇幅,两种波形作用后典型土体屈服应变随振次的变化关系(图 17)。

    图 17 不同围压屈服应变 Fig. 17 Yield strain under different confining pressures a.正弦波;b.方波

    图 17可知,两种波形循环荷载作用下,随振次的增加,土体屈服应变都呈减小趋势,并最终会趋于一定值,该数值大小与波形有关,正弦波小于方波,但趋于相同数值点的振次远大于方波。随着围压的增大,屈服应变逐渐减小,围压及屈服应变相同时,方波作用下的振次小于正弦波。

    产生以上现象可以从这两个方面予以解释:首先与土结构性有关,虽然围压对土体有压密作用限制了土体侧向变形,但是当围压增大到一定程度,土体部分结构也会遭到破坏,围压越大,结构破损越明显,进而表现为围压越大,屈服应变逐渐减小。另外,同条件下方波能量明显高于正弦波,方波对土体结构破坏程度大,因而达到相同屈服应变时方波所需的振次就小于正弦波。

    2.5 动强度及其指标变化

    在土体破坏判别标准上,黏性土较多采用应变破坏标准,即以达到某一规定累积塑性应变(εDA)作为土体破坏标准。本文以εDA=εtp(表示应变破坏标准等于转折点应变即结构屈服应变)、εDA=2%、εDA=4%作为应变破坏标准,限于篇幅,列出典型动强度曲线(图 18图 19),动强度指标与振次的关系(图 20)。

    图 18 围压50kPa动强度 Fig. 18 Dynamic strength under a confining pressure of 50kPa a.正弦波;b.方波

    图 19 围压150kPa动强度 Fig. 19 Dynamic strength under a confining pressure of 150kPa a.正弦波;b.方波

    图 20 动强度指标与振次关系 Fig. 20 Relationship between dynamic strength indexes and number of cycles a. c-N; b. φ-N

    图 18图 19可以看出:动强度大小与应变量取值有关,应变量取值越大,动强度值越大。结构屈服应变对应的动强度变化趋势为先陡后缓,其他应变条件下动强度变化趋势较为平缓。两种波形作用下动强度都随振次增加呈减小趋势,最终趋于同一数值,最终数值大小与波形有关,正弦波大于方波,同样正弦波趋于相同数值点的振次也大于方波。另外,动强度随着围压的增大而增大。

    产生以上现象可以从这几个方面予以解释:首先,同条件下方波能量明显高于正弦波,方波对土体结构破坏程度大,因而方波作用下土体动强度值小于正弦波。两种波形荷载作用下土体内部结构也在不断进行自身调整重塑,达到一种平衡状态,最终使动强度趋于同一数值,同时考虑到正弦波能量小于方波,所以趋于相同数值时,正弦波作用下所需的振次就大于方波。其次,从应变量的取值考虑,当应变量取值等于εtp时,此时土体结构变化起主要作用,即结构逐渐破损到完全破损的过程,表现为结构屈服应变对应的动强度变化趋势先陡后缓;当应变量(2%、4%)取值大于εtp时,土体结构失效,但由于变形大,土颗粒滑移使摩擦力增大,动强度随之提高。最后,从围压的取值考虑,虽然低围压(50kPa)对土体结构破坏少,高围压(150kPa)对土体结构破坏多,可是压密作用占主导,因此动强度增大。

    图 20可以看出动强度指标(cφ)变化存在转折点,对应的振次在1000左右,即该点土体已出现大量破坏,强度指标发生突变。在转折点之前动强度指标表现为c呈下降趋势,φ上升趋势不大;在转折点之后,c值变化较为平缓,φ值继续增大。转折点前后变化趋势反映了土体两种不同的结构和变形状况:转折点之前为土体结构发挥阶段,该阶段土体结构破坏,导致黏聚力不断降低,即表现为c值降低而内摩擦角φ值变化不大;之后,土体结构基本丧失,联结强度降低,而抗剪强度主要由土颗粒间摩擦力提供,故其内摩擦角φ值增大。

    3 结论

    (1) 动应力低于结构屈服应力时,波形对动应力-应变关系曲线整体形状影响很小;动应力超过结构屈服应力时,应力-应变关系都呈软化型,方波软化程度高。累积塑性应变随应力幅值的增大而增大,随着围压的增大而减小。同条件下,方波累积变形量总是大于正弦波。屈服应变随振次的增加呈减小趋势,最终趋于一定值,最终数值大小与波形有关,正弦波小于方波。

    (2) 同围压下,正弦波孔压值总是大于方波。稳定型幅值时,孔压值随围压的增大而增大,正弦波作用下的孔压值大于方波。临界型幅值时,孔压随围压的增大变化分两种情况考虑,但是正弦波作用下的孔压值总是大于方波。

    (3) 动强度随振次的增加呈减小趋势,最终趋于同一数值,最终数值大小与波形有关,正弦波大于方波。动强度指标(cφ)在转折点之前,表现为c呈下降趋势,φ上升趋势不大;在转折点之后,c值变化较为平缓,φ值继续增大。

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