交通荷載路徑下超固結(jié)軟黏土變形特性研究

，，

(1.溫州市鐵路與軌道交通投資集團(tuán)有限公司, 浙江 溫州 325000； 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳) 土木與環(huán)境工程學(xué)院, 廣東 深圳 518000)

1 研究背景

我國(guó)沿海地區(qū)及鄰近內(nèi)陸城市廣泛分布著軟黏土地層。近些年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)不斷繁榮發(fā)展、交通設(shè)施迅速發(fā)展，我國(guó)高速鐵路、高速公路、城市地鐵、市政道路擁有量位于世界前列，并且將會(huì)長(zhǎng)期處于高速發(fā)展期。這些交通設(shè)施在運(yùn)營(yíng)期間，由于長(zhǎng)期受到交通荷載作用，路基沉降問(wèn)題導(dǎo)致的道路安全性和適用性降低，一直是工程界關(guān)注的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

對(duì)于交通荷載下路基土體特性試驗(yàn)研究，目前國(guó)內(nèi)外已有大量研究成果，研究方法主要集中在動(dòng)三軸系統(tǒng)和空心圓柱扭剪系統(tǒng)。①利用動(dòng)三軸系統(tǒng)：Parr[1]以倫敦軟黏土為研究對(duì)象，建立了累積塑性應(yīng)變速率與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系模型；Monismith等[2]建立了在循環(huán)荷載下飽和軟黏土累積應(yīng)變的指數(shù)型模型；Li等[3]通過(guò)一系列試驗(yàn)，考慮了動(dòng)偏應(yīng)力、靜強(qiáng)度等因素對(duì)Monismith模型提出修正；劉國(guó)清等[4]研究了超固結(jié)比對(duì)交通荷載下軟黏土變形特性影響；劉添俊等[5]進(jìn)行了交通荷載下正常固結(jié)飽和軟黏土累積應(yīng)變速率研究；郭林等[6]進(jìn)行了交通荷載下回彈應(yīng)變和累積變形特性試驗(yàn)研究；劉新峰等[7-8]進(jìn)行了交通荷載作用下超固結(jié)軟黏土地基長(zhǎng)期沉降研究；張濤[9]進(jìn)行了地鐵荷載下不同固結(jié)度軟黏土沉降研究；王軍等[10]對(duì)交通荷載作用下超固結(jié)軟黏土孔壓-軟化模型進(jìn)行了研究。② 利用空心圓柱扭剪系統(tǒng)：沈揚(yáng)等[11]進(jìn)行了小角度主應(yīng)力軸循環(huán)旋轉(zhuǎn)應(yīng)力路徑下超固結(jié)軟黏土性狀試驗(yàn)研究；郭林[12]模擬交通荷載進(jìn)行循環(huán)荷載下正常固結(jié)軟黏土特性研究；肖軍華等[13]研究主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)對(duì)地鐵荷載作用下正常固結(jié)軟黏土累積變形的影響。

國(guó)內(nèi)外利用動(dòng)三軸系統(tǒng)進(jìn)行的交通荷載下軟黏土特性試驗(yàn)研究，其研究對(duì)象為正常固結(jié)和超固結(jié)軟黏土。軟黏土路基在實(shí)際交通荷載下所受到的主應(yīng)力的方向是不斷變化的，而動(dòng)三軸系統(tǒng)只能施加軸向的循環(huán)荷載，主應(yīng)力軸的方向始終是不變的，不能模擬主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)的應(yīng)力路徑。空心圓柱扭剪系統(tǒng)由于同時(shí)施加循環(huán)的軸向應(yīng)力和剪應(yīng)力，可以模擬交通荷載下軟黏土主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)的應(yīng)力路徑，但目前針對(duì)交通荷載作用下的研究對(duì)象均為正常固結(jié)軟黏土。在實(shí)際工程當(dāng)中，由于地面挖方或者超載預(yù)壓等地基處理作用，地基都存在或多或少的超固結(jié)性。目前，尚未開(kāi)展利用空心圓柱扭剪系統(tǒng)進(jìn)行交通荷載下超固結(jié)軟黏土的研究。

本文利用GDS空心圓柱扭剪系統(tǒng)模擬交通荷載，對(duì)不同超固結(jié)比飽和軟黏土進(jìn)行不排水循環(huán)加載試驗(yàn)，研究超固結(jié)比對(duì)交通荷載作用下飽和軟黏土特性的影響。以期進(jìn)一步完善交通荷載作用下飽和軟黏土室內(nèi)試驗(yàn)，為工程施工設(shè)計(jì)提供參考。

2 土樣制備和試驗(yàn)儀器

2.1 土樣制備

土樣采用溫州地區(qū)軟黏土。制作步驟為：

(1)將原狀黏土切割成為體積不超過(guò)200 cm3、最大邊長(zhǎng)不超過(guò)10 cm的黏土塊，放置于溫度為100 ℃的烘箱中，烘干時(shí)間≥48 h，保證黏土塊的自由水基本上完全散失。烘干之后，密封保存，以免從空氣中吸收水分而變潮，影響粉碎效果。

(2)用粉碎細(xì)度為50～200目的粉碎機(jī)將烘干的黏土塊進(jìn)行粉碎，為保證粉碎效果，每次粉碎的質(zhì)量不超過(guò)2 kg。將粉碎的土粉用振動(dòng)篩進(jìn)行篩析，振動(dòng)篩孔徑為0.3 mm，篩析剩下的粗顆粒不再使用，以保證制取試樣的均勻性，篩析得到的土粉要密封保存。

(3)稱量振動(dòng)篩篩析得到的土粉23 kg，清水18.4 kg，配備含水率為80%的泥漿，先用手將土粉和水充分混合，再用打漿機(jī)將泥漿攪拌均勻，以無(wú)手感可觸的顆粒為攪拌符合要求。

(4)將配置的泥漿通過(guò)漏斗傾倒在高壓固結(jié)儀里面，泥漿上下底層分別攤鋪一塊透水石，砝碼通過(guò)杠桿、圓盤(pán)施加壓力至透水石，對(duì)泥漿進(jìn)行分級(jí)加載，通過(guò)3種分級(jí)荷載(12.52550 kPa, 12.5255075 kPa,12.5255075100 kPa)分別制取50，75，100 kPa荷載下的重塑軟黏土飽和土樣。

表1 重塑土樣基本物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Physical properties of remolded test soil

2.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)儀器采用GDS空心圓柱扭剪儀，可以施加獨(dú)立控制的內(nèi)圍壓(Pi)和外圍壓(Po)以及自定義波形的軸力和扭矩，扭矩的存在可以通過(guò)施加剪應(yīng)力實(shí)現(xiàn)主應(yīng)力軸的旋轉(zhuǎn)(最大主應(yīng)力與豎直方向角度不斷變化)，該應(yīng)力路徑可以很好地模擬真實(shí)情況下的交通荷載。

3 試驗(yàn)方案

3.1 加載方案

將制備好的試樣用切土器制作成高200 mm，外直徑100 mm,內(nèi)直徑60 mm的空心圓柱體。首先將制取好的空心圓柱試樣裝入空心圓柱扭剪儀里進(jìn)行反壓飽和，用B(孔壓系數(shù))值檢測(cè)試樣飽和度，當(dāng)B值>0.98的時(shí)候，認(rèn)為試樣已經(jīng)完全飽和。飽和完成之后進(jìn)入固結(jié)階段，將50，75，100 kPa下制得的重塑土樣均在50 kPa內(nèi)外圍壓下各向同性固結(jié)，當(dāng)試樣每小時(shí)排水量<100 mm3視為固結(jié)完成，這樣就形成了正常固結(jié)土(超固結(jié)比OCR=1.0)和超固結(jié)比為1.5和2.0的超固結(jié)土。最后一個(gè)階段為循環(huán)荷載加載階段，加載過(guò)程當(dāng)中內(nèi)外圍壓始終保持為50 kPa，關(guān)閉反壓器開(kāi)關(guān)以及排水閥門(mén)，進(jìn)行不排水循環(huán)加載試驗(yàn)。

圖1 某城市地面軌道路線數(shù)值分析模型及計(jì)算結(jié)果Fig.1 Numerical analysis model and results of urban rail line

3.2 加載波形

為獲得交通荷載作用下路基土體單元所受的動(dòng)應(yīng)力，筆者曾對(duì)某城市地面軌道路線進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算[14]，見(jiàn)圖1。軌道采用60 kg/m型鋼軌，橫截面尺寸為15.3 cm×7.8 cm；混凝土軌枕長(zhǎng)2.6 m，間距0.6 m。為減小邊界效應(yīng)的影響，地基模擬范圍為60 m×60 m。圖1(a)為剖分網(wǎng)格后的幾何模型。圖1(b)為輪載分布示意圖，列車軸重采用250 kN，相應(yīng)單輪輪重125 kN。路基層參數(shù)選擇見(jiàn)文獻(xiàn)[14]。圖1(c)為數(shù)值分析計(jì)算得到的路基單元體所受的應(yīng)力路徑，其中橫坐標(biāo)為移動(dòng)荷載到單元體距離y與輪軌長(zhǎng)度L的比值，σz為豎向應(yīng)力；σy為水平應(yīng)力?？梢钥闯?，交通荷載作用下，土單元體上的豎向偏應(yīng)力由0增加到峰值再減小到0，而剪應(yīng)力的方向會(huì)產(chǎn)生變化，從而造成主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)。

本試驗(yàn)對(duì)試樣同時(shí)施加循環(huán)軸向應(yīng)力和循環(huán)剪應(yīng)力，用以模擬圖1(c)中的土單元體應(yīng)力路徑，加載頻率均為1 Hz。本研究共設(shè)計(jì)了4種不同荷載下的循環(huán)加載試驗(yàn)，共計(jì)12個(gè)，詳見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)加載方案Table 2 Schemes of loading test

4 試驗(yàn)結(jié)果

4.1 應(yīng)力路徑分析

圖2 主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)應(yīng)力路徑Fig.2 Rotation stress path of principal stress axes

實(shí)際交通工程當(dāng)中隨著車輪的移動(dòng)會(huì)產(chǎn)生剪應(yīng)力，造成主應(yīng)力軸的旋轉(zhuǎn)。圖2為空心圓柱扭剪儀模擬出的交通荷載的應(yīng)力路徑。由于施加循環(huán)剪應(yīng)力，廣義偏應(yīng)力q，大主應(yīng)力方向和垂直方向的夾角α都在不斷發(fā)生變化，與只能施加循環(huán)軸向應(yīng)力，主應(yīng)力軸方向始終不變的GDS動(dòng)三軸系統(tǒng)相比，更符合交通荷載的實(shí)際情況。

4.2 典型試驗(yàn)結(jié)果分析

試樣在循環(huán)加載過(guò)程中的應(yīng)變由2部分組成:一部分是隨循環(huán)次數(shù)不斷增長(zhǎng)的不可恢復(fù)的累積應(yīng)變z,p;另一部分是在卸載過(guò)程中可恢復(fù)的回彈應(yīng)變?chǔ)舲,r。為更清楚地表達(dá)各個(gè)應(yīng)變分量之間的關(guān)系，繪出循環(huán)荷載下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，見(jiàn)圖3。各應(yīng)變之間的關(guān)系公式εz=εz,p+εz,r。為研究循環(huán)荷載下軟黏土的回彈模量，將其定義為MZ[12],計(jì)算式為

式中σampl為豎向動(dòng)應(yīng)力。

圖3 循環(huán)荷載下應(yīng)變發(fā)展曲線Fig.3 Curves of strain development under cyclic loading

4.3 超固結(jié)比OCR對(duì)軟黏土應(yīng)變發(fā)展的影響

圖4為不同超固結(jié)比軟黏土累積應(yīng)變發(fā)展曲線，CSR為循環(huán)應(yīng)力比。圖4(a)中正常固結(jié)土在經(jīng)歷10 000次循環(huán)后產(chǎn)生了0.055%的累積應(yīng)變，而超固結(jié)比為1.5和2.0的超固結(jié)土分別產(chǎn)生了0.035%和0.017%的累積應(yīng)變，產(chǎn)生的累積應(yīng)變分別為正常固結(jié)土的64%和31%。對(duì)于超固結(jié)比為1.5和2.0的超固結(jié)土來(lái)說(shuō)，10 000個(gè)循環(huán)荷載結(jié)束時(shí)累積應(yīng)變基本上已經(jīng)趨于穩(wěn)定;而正常固結(jié)土在10 000個(gè)循環(huán)結(jié)束之后累積應(yīng)變還未達(dá)到穩(wěn)定，隨著循環(huán)次數(shù)的加大，累積應(yīng)變的差異會(huì)更大。上述結(jié)果說(shuō)明超固結(jié)作用可以限制土體累積應(yīng)變的發(fā)展，促進(jìn)累積應(yīng)變達(dá)到穩(wěn)定，且超固結(jié)比越大，作用越明顯。

圖4 不同超固結(jié)比軟黏土累積應(yīng)變發(fā)展曲線Fig.4 Curves of accumulated strain development under different over-consolidation ratio

將圖4(b)與圖4(a)比較可以看到，當(dāng)荷載增加時(shí)，在10 000個(gè)循環(huán)荷載結(jié)束之后，無(wú)論是正常固結(jié)土還是超固結(jié)土，軟黏土的累積應(yīng)變均沒(méi)有達(dá)到穩(wěn)定，說(shuō)明荷載越大，軟黏土在循環(huán)荷載下達(dá)到穩(wěn)定所需的循環(huán)次數(shù)越大。圖4(c)中，正常固結(jié)土和超固結(jié)比為1.5的超固結(jié)土在循環(huán)開(kāi)始時(shí)應(yīng)變近似呈直線急速增長(zhǎng)且快速達(dá)到破壞，而超固結(jié)比為2.0的超固結(jié)土在經(jīng)歷10 000次循環(huán)過(guò)后累積應(yīng)變僅在0.3%左右，說(shuō)明超固結(jié)作用可以提高土體的強(qiáng)度。將圖4(c)與圖4(a)、圖4(b)相比較可知,荷載越大，超固結(jié)比對(duì)累積應(yīng)變的影響越明顯。這些現(xiàn)象表明，經(jīng)超載預(yù)壓地基處理后，軟黏土抵抗變形的能力有所增加，相同動(dòng)應(yīng)力水平下處理后路基沉降將明顯減小。

圖5 不同超固結(jié)比軟黏土應(yīng)力-應(yīng)變滯回曲線(CSR = 0.4, η = 0.25)Fig.5 Curves of stress-strain hysteresis loop development under different over-consolidation ratio (CSR = 0.4, η = 0.25)

4.4 超固結(jié)比對(duì)軟黏土應(yīng)力-應(yīng)變滯回曲線和回彈模量的影響

圖5為不同超固結(jié)比軟黏土在循環(huán)荷載作用下的應(yīng)力-應(yīng)變滯回曲線，N為剪切應(yīng)力與豎向應(yīng)力之比。圖5中的(a),(b)，(c)試樣超固結(jié)比分別為1.0，1.5，2.0，應(yīng)力路徑均為CSR=0.4，η=0.25。將循環(huán)次數(shù)N為10，100, 1 000，10 000時(shí)的初始應(yīng)變歸零對(duì)不同循環(huán)次數(shù)下的應(yīng)力-應(yīng)變滯回曲線進(jìn)行對(duì)比。圖5中，無(wú)論是超固結(jié)土還是正常固結(jié)土，當(dāng)循環(huán)次數(shù)增加的時(shí)候，應(yīng)力-應(yīng)變滯回曲線均朝向應(yīng)變軸的方向傾斜，且應(yīng)力-應(yīng)變滯回曲線包圍的面積越來(lái)越小，說(shuō)明隨著循環(huán)次數(shù)的增加，無(wú)論是正常固結(jié)土還是超固結(jié)土，土體的軟化程度不斷加強(qiáng)，且土體變形越來(lái)越以彈性應(yīng)變?yōu)橹鳌?/p>

從圖5中還可看出，在循環(huán)次數(shù)一定時(shí)，當(dāng)超固結(jié)比增大時(shí)，產(chǎn)生的軸向應(yīng)變減小，比如在第10次循環(huán)荷載作用下，正常固結(jié)土產(chǎn)生了0.068%的軸向應(yīng)變，而超固結(jié)比為1.5和2.0的超固結(jié)土分別產(chǎn)生了0.062%和0.054%的軸向應(yīng)變，說(shuō)明軟黏土變形模量隨著超固結(jié)比的增加而增加。此外，在循環(huán)次數(shù)一定時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變滯回圈的面積也隨著超固結(jié)比的增大而減小，即卸載階段的滯回曲線和加載階段的滯回曲線更接近，說(shuō)明隨著超固結(jié)比的增大，軟黏土的黏塑性特征越來(lái)越不明顯，彈性特征越來(lái)越占主要部分。

另外，正常固結(jié)土在不同循環(huán)次數(shù)下的應(yīng)力-應(yīng)變滯回曲線和超固結(jié)土相比就比較離散，且超固結(jié)土在較小的循環(huán)次數(shù)下就可以達(dá)到穩(wěn)定，表明超固結(jié)土的軟化速率要低于正常固結(jié)土。圖5中的(b)和(c)的應(yīng)力-應(yīng)變滯回曲線的差別遠(yuǎn)沒(méi)有圖5中的(a)的應(yīng)力-應(yīng)變滯回曲線的差別大，說(shuō)明超固結(jié)比越大，超固結(jié)比的增加對(duì)土特性的影響越小。

圖6為10 000個(gè)循環(huán)之后不同荷載下回彈模量隨超固結(jié)比的變化趨勢(shì)，可以看到，雖然回彈模量隨著超固結(jié)比的增大而增大，但是增大的速率卻在降低，超固結(jié)比越小時(shí)，超固結(jié)比的增加對(duì)土體回彈模量的增加更明顯。

圖6 不同超固結(jié)比下回彈模量對(duì)比Fig.6 Comparison of modulus of resilience under different over-consolidation ratio

5 結(jié) 論

利用GDS空心圓柱扭剪儀模擬交通荷載，對(duì)不同超固結(jié)比重塑軟黏土展開(kāi)不排水條件下的循環(huán)加載試驗(yàn)，研究超固結(jié)比對(duì)交通荷載下軟黏土累積應(yīng)變、應(yīng)力-應(yīng)變滯回曲線、回彈模量的影響，得到以下結(jié)論：

(1)在交通循環(huán)荷載下，當(dāng)循環(huán)次數(shù)相同時(shí)，軟黏土孔壓隨超固結(jié)比的增大而減小。表明經(jīng)超載預(yù)壓地基處理后，相同動(dòng)應(yīng)力水平下軟黏土軟化程度將有所降低。

(2)在交通循環(huán)荷載下，當(dāng)循環(huán)次數(shù)一定時(shí)，超固結(jié)比越大，土體累積應(yīng)變?cè)叫?，且超固結(jié)比越大，土體累積應(yīng)變達(dá)到穩(wěn)定所需的循環(huán)次數(shù)越小。表明在交通荷載下，當(dāng)通過(guò)的車輛次數(shù)一定時(shí)，路基軟黏土在經(jīng)過(guò)超載預(yù)壓地基處理后，路基沉降會(huì)大大降低。

(3)在交通循環(huán)荷載下，超固結(jié)比越大，應(yīng)力-應(yīng)變滯回曲線隨循環(huán)次數(shù)的變化越不明顯，應(yīng)力-應(yīng)變滯回曲線越集中，土體隨循環(huán)次數(shù)的軟化程度越弱，彈性越明顯。當(dāng)循環(huán)次數(shù)相同時(shí)，超固結(jié)比越大，應(yīng)力-應(yīng)變滯回曲線朝應(yīng)變軸傾斜的程度越小，土體的回彈模量越大。且超固結(jié)比越小，超固結(jié)比的增加對(duì)回彈模量的增加越明顯。