王世彪陳慶豐付立峰

1. 廣東有色工程勘察設(shè)計(jì)院 廣東 廣州 510080

2. 遼寧省化工地質(zhì)勘查院 遼寧 錦州 121000

巖土工程

循環(huán)動(dòng)荷載下軟粘土孔隙水壓力影響因素探討

王世彪*1陳慶豐2付立峰2

1. 廣東有色工程勘察設(shè)計(jì)院 廣東 廣州 510080

2. 遼寧省化工地質(zhì)勘查院 遼寧 錦州 121000

通過不同循環(huán)加載條件下模型試驗(yàn)和現(xiàn)場原型監(jiān)測試驗(yàn)，研究在交通荷載條件下孔隙水壓力累積特性及發(fā)展規(guī)律，探討路基軟土在循環(huán)動(dòng)荷載下產(chǎn)生累積特性的原因和主要影響因素，通過試驗(yàn)分析得出了交通荷載下路基軟土中孔隙水壓力累積特性、發(fā)展規(guī)律以及影響累積特性的主要因素。

循環(huán)動(dòng)荷載 交通荷載 孔隙水壓力 路基軟土 發(fā)展規(guī)律

1 引言

交通荷載作用下軟粘土中孔隙水壓力的產(chǎn)生、發(fā)展、消散及累積規(guī)律較為復(fù)雜，其影響因素很多，根據(jù)室內(nèi)模型試驗(yàn)結(jié)果和原位監(jiān)測試驗(yàn)結(jié)果分析，除了土體的物性（如土體類型、擾動(dòng)程度、含水率、塑性指數(shù)、孔隙比等）外，還受荷載強(qiáng)度P、行車速度v、循環(huán)加載次數(shù)N的影響；另

外對章克凌【1】、周建【2，4】、陶振宇【1】、劉勝群【3】、吳建奇【3】等所做的動(dòng)三軸循環(huán)荷載試驗(yàn)結(jié)果的綜合分析，孔隙水壓力的產(chǎn)生、發(fā)展、消散及累積規(guī)律還受土體循環(huán)應(yīng)力比η、超固結(jié)比OCR、頻率f、主應(yīng)力方向角α等因素的影響。

通過對廣東省某高速公路試驗(yàn)段進(jìn)行的原位監(jiān)測，就上述幾個(gè)影響因素，基于模型模擬試驗(yàn)結(jié)果，對循環(huán)動(dòng)荷載下路基軟土的孔隙水壓力的產(chǎn)生、發(fā)展、消散及累積規(guī)律進(jìn)行探討。

2 室內(nèi)模型試驗(yàn)與野外現(xiàn)場監(jiān)測

2.1 室內(nèi)模型試驗(yàn)

本試驗(yàn)的模擬路基土采至廣東某高速公路軟基段施工場地，為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，取樣深度2m，呈柱狀，可塑，采用薄壁取土器，土試樣質(zhì)量等級(jí)為Ⅰ級(jí)。通過室內(nèi)常規(guī)物理力學(xué)試驗(yàn)，得到土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如下：土的重度γ=16.8kN/m3,孔隙比e=1.808,含水量w=46.2%,液限wL=48%,塑限wP=27%,密度ρ=1.68g/cm3,塑性指數(shù)IP=21,粘聚力 c=2.8kPa,內(nèi)摩擦角φ=12.80。通過幾何相似與物理相似原理的分析，結(jié)合實(shí)際試驗(yàn)條件以及試驗(yàn)的可行性和可操作性，本文模型模擬試驗(yàn)是在 1.2m×1.0m×1.2m（長×寬×深）的坑道內(nèi)完成的，引導(dǎo)車道總長8.0m，引導(dǎo)車道中軸線位置設(shè)置導(dǎo)槽。試驗(yàn)過程中總共埋設(shè)3個(gè)動(dòng)土壓力盒，埋設(shè)深度分別基層底面以下 15.0cm、45.0cm和85.0cm；埋設(shè)3塊沉降板，沉降板由正方形底板（長×寬×厚= 3.0m×3.0m×0.2cm）與長桿（φ=1.0cm）焊接制成，長度分別為 85.0cm、100.0cm和120.0cm，埋設(shè)深度與動(dòng)土壓力盒位置對應(yīng)基層底面以下15.0cm、45.0cm和85.0cm；埋設(shè)孔隙水壓力計(jì)1個(gè)，埋設(shè)深度為基層底面以下 15.0cm。不同荷載等級(jí)采用鐵砝碼進(jìn)行加載，砝碼加載等級(jí)分別為10.0kg、30.0kg和50.0kg。當(dāng)軟粘土預(yù)壓固結(jié)完之后，模擬交通荷載進(jìn)行循環(huán)動(dòng)荷載試驗(yàn)。試驗(yàn)循環(huán)加載次數(shù)為1～300次，

* 第一作者簡介：王世彪（1968～），男，主要從事水工環(huán)地質(zhì)、巖土、工程勘察工作，高級(jí)工程師

表1 循環(huán)動(dòng)荷載試驗(yàn)參數(shù)Table 1 Parameters of cyclic dynamic load test

試驗(yàn)內(nèi)容包含兩部分：常規(guī)物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)及模擬交通荷載作用的循環(huán)動(dòng)荷載試驗(yàn)。常規(guī)物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)：在循環(huán)動(dòng)荷載車輛加載前、后分別取樣進(jìn)行試驗(yàn)，用于對比分析車輛加載前、后路基土各物性指標(biāo)的變化，確定車輛加載對路基土的力學(xué)性質(zhì)的影響程度。通過模擬交通荷載作用的循環(huán)動(dòng)荷載試驗(yàn)，確定循環(huán)動(dòng)荷載下路基土中動(dòng)孔隙水壓力的累積效應(yīng)及規(guī)律。確定動(dòng)孔隙水壓力累積的控制因素及其影響規(guī)律，主要包括加載次數(shù)、車輛載重、車速及路基深度等4個(gè)方面。

2.2 野外現(xiàn)場監(jiān)測

為驗(yàn)證模型模擬試驗(yàn)中動(dòng)應(yīng)力累積數(shù)據(jù)的可靠性和精確性，選取廣東省某高速公路某軟基標(biāo)段作為本次原型監(jiān)測的試驗(yàn)段。動(dòng)應(yīng)力數(shù)據(jù)的量測采用陶土式動(dòng)土壓力盒，采集儀器為配套的HCU-1型多路高速數(shù)據(jù)采集儀。

3 結(jié)果分析

3.1 循環(huán)應(yīng)力比η對孔隙水壓力u的影響

循環(huán)孔隙比η分別取0.15、0.30、0.50、0.70所對應(yīng)震動(dòng)次數(shù)N與孔隙水壓力u的關(guān)系（圖1），由圖1可以看出：對應(yīng)于同一加荷周數(shù)隨著循環(huán)應(yīng)力比的增大，孔隙水壓力也不斷增大，當(dāng)循環(huán)應(yīng)力比較小時(shí)，隨著加荷周數(shù)的增加，土體的應(yīng)變、孔隙水壓力逐漸增加，但增加的速率并不快，應(yīng)變、孔隙水壓力在較大的加荷周數(shù)下達(dá)到破壞值；當(dāng)循環(huán)應(yīng)力比逐漸增加到某一值時(shí)，孔隙水壓力和應(yīng)變隨加荷周數(shù)的增加迅速增加，并且在加荷周數(shù)較少的情況下很快破壞。

圖1 不同循環(huán)應(yīng)力比η下震動(dòng)次數(shù)N與孔壓比u的關(guān)系【3】Fig.1 Diagram of vibration times (N) vs. pore pressure ratio (u) under different cyclic stress ratio (η)

3.2 循環(huán)加載次數(shù)N對孔隙水壓力u的影響

循環(huán)加載次數(shù)N 與 孔隙水壓力u關(guān)系曲線如圖 2，可以看出：在較小荷載強(qiáng)度下，隨著循環(huán)加載次數(shù)的不斷增加，孔隙水壓力不斷增長，在加載次數(shù)較少的情況下，孔隙水壓力較小，但發(fā)展迅速，孔隙水壓力累積的速率較大；在較大荷載作用下，隨著循環(huán)加載次數(shù)的增加，孔隙水壓力發(fā)展迅速，累積速率逐漸減小，孔隙水壓力持續(xù)累積，其累積總量逐漸增大。

圖2 循環(huán)加載次數(shù)N 與 孔隙水壓力u關(guān)系曲線Fig.2 Diagram of cyclic load times (N) vs. pore pressure (u)

3.3 荷載強(qiáng)度P對孔隙水壓力u的影響

不同荷載強(qiáng)度P下循環(huán)加載次數(shù)N-孔壓u關(guān)系曲線由圖3可以看出：在較小荷載作用下，孔隙水壓力累積趨勢由快變慢，累積速率逐漸減小，孔隙水壓力最終趨于穩(wěn)定；在較大荷載作用下，孔隙水壓力累積趨勢一直在增大，累積速率逐漸減小，孔隙水壓力持續(xù)發(fā)展，直至土體破壞。

圖3 不同荷載強(qiáng)度P下循環(huán)加載次數(shù)N-孔壓u關(guān)系曲線Fig.3 Diagram of cyclic load times (N) vs. pore pressure (u) under different load strength (P)

3.4 行車速度v對孔隙水壓力u的影響

不同行車速度v時(shí)循環(huán)加載次數(shù)N -孔壓u關(guān)系曲線由圖4可以看出：在荷載強(qiáng)度和加載次數(shù)相同的情況下，隨著速度的增大，路基軟土中的孔隙水壓力逐漸增大；各孔隙水壓力累積曲線的增長趨勢比較一致，不同速度下的孔隙水壓力累積速率較接近，隨著荷載次數(shù)的增加，累積速率逐漸減小。

圖4 不同行車速度v時(shí)循環(huán)加載次數(shù)N -孔壓u關(guān)系曲線Fig.4 Diagram of cyclic load times (N) vs. pore pressure (u) under different vehicle speed (v)

3.5 超固結(jié)比OCR對孔隙水壓力u的影響

不同超固結(jié)比下孔隙水壓力與振動(dòng)次數(shù)的關(guān)系曲線如圖5所示：當(dāng)循環(huán)應(yīng)力水平較低時(shí)，超固結(jié)比對孔隙水壓力的影響大，土樣達(dá)到破壞時(shí)孔隙水壓力有比較大的降低；而當(dāng)循環(huán)應(yīng)力水平較高時(shí)，由正常固結(jié)土到超固結(jié)比為2時(shí)，孔隙水壓力變化明顯，但隨著超固結(jié)比的增加，孔隙水壓力變化卻越來越小。

圖5 不同超固結(jié)比下孔隙水壓力與振動(dòng)次數(shù)的關(guān)系曲線【3】Fig.5 Diagram of pore pressure vs. vibration times under different over-consolidation ratio

3.6 頻率f 對孔隙水壓力u的影響

循環(huán)應(yīng)力比為0.35時(shí)頻率對孔隙水壓力的影響曲線由圖6可以看出，對應(yīng)于相同的加荷周數(shù)，頻率較低，產(chǎn)生的應(yīng)變越大?？梢赃@樣認(rèn)為，象波浪作用和交通荷載這種長期荷載，可以認(rèn)為頻率的影響很小，而對于地震荷載作用，由于加荷頻率較小，加荷周數(shù)較少，必須考慮頻率的影響。

圖6 循環(huán)應(yīng)力比為0.35時(shí)頻率對孔隙水壓力的影響【4】Fig.6 Diagram of frequency vs. pore pressure under cyclic stress ratio 0.35

4 結(jié)論

本文根據(jù)室內(nèi)模型試驗(yàn)和原位監(jiān)測試驗(yàn)的結(jié)果，探討了循環(huán)動(dòng)荷載下孔隙水壓力累積特性及發(fā)展規(guī)律，分析了循環(huán)加載次數(shù)N，行車速度v，荷載強(qiáng)度p，循環(huán)應(yīng)力比η，超固結(jié)比OCR，頻率f對動(dòng)動(dòng)孔隙水壓力的產(chǎn)生、發(fā)展、累積和消散規(guī)律的影響，為類似工程的設(shè)計(jì)及施工積累了寶貴的資料。

1 章克凌, 陶振宇. 飽和軟粘土在循環(huán)荷載作用下的孔壓預(yù)測[J]. 巖土力學(xué), 1994, 15 （3）: 9～17

2 周建, 龔曉南, 李劍強(qiáng). 循環(huán)荷載作用下飽和軟粘土特性試驗(yàn)研究[J]. 工業(yè)建筑, 2000, 30（11）: 43～47

3 劉勝群, 吳建奇. 循環(huán)荷載作用下飽和軟粘土孔隙水壓力變化規(guī)律的試驗(yàn)研究[J]. 鐵道建筑, 2007, （1）: 68～70

4 周建. 循環(huán)荷載作用下飽和軟粘土的孔壓模型[J]. 工程勘察, 2000, （4）: 7～10

Influencing factors on pore water pressure of soft clay under cyclic dynamic load

Wang shibiao1Chen Qingfeng2Fu Lifeng2
1.Guang Dong Nonferrous Metals Engineering Investigation Design Institute, Guangzhou, 510080 2. Liaoning Chemical Geology Prospecting Institute, Jinzhou 121011, China

Through the model test and field prototype monitoring experiment under different cyclic load, we research accumulation characteristics and development law of pore water pressure under the traffic load, and we discuss the causes and main factors of accumulation characteristics of soft clay in subgrade under cyclic dynamic load. And then we get the accumulation characteristics, development law of pore water pressure of soft clay in subgrade under the traffic load, and main factors of accumulation characteristics.

cyclic dynamic load，Traffic load，Pore water pressure，soft clay in subgrade，development law

U416.1

A

1006–5296（2017）01–0061–04

2016-07-16；改回日期：2016-07-16按3種車重、3種車速分別進(jìn)行，共9組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)做2～3次。