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偏压固结软黏土循环特性试验研究

2023-05-13 来源:步旅网
第38卷第2期 2017年4月 水道港 口 V0l-38 NO.2 Apr.2017 Journal of Waterway and Harbor 偏压固结软黏土循环特性试验研究 王元战 ,薛 寒 ,胡坤榕 ,吴林键 f1.天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津300072;2.中交第一航务工程勘察设计院有限公 司,天津300222) 摘要:关于软黏土循环强度弱化的研究已经有了很多成果。然而在工程上为了削弱循环荷载对土体 的影响,一般会采取打塑料排水板、堆载预压等软基处理手段来提高土体强度,从而减弱循环荷载对土 体的弱化作用。以烟台港原状淤泥质粉质黏土为研究对象,通过室内动三轴试验,探究土体在静偏应力 固结后累积孔压的发展规律和循环强度的弱化规律。根据孔压数据拟合出软黏土的孔压模型,再利用 等效超固结比理论将孔压模型与强度弱化规律相结合,得到了适用于偏压固结之后整个动态循环过程 的强度变化公式。 关键词:偏压固结;循环荷载;孔压模型;强度特性 中图分类号:TU 43 文献标识码:A 文章编号:1005-8443(2017)02-0162-06 近年来软黏土循环强度弱化问题越来越得到工程设计者的关注,在设计和施工过程中往往也会采用打 塑料排水板、堆载预压等软基处理手段。因此,研究偏压固结对土体循环强度弱化的影响是非常必要的。 在累积孔压发展的相关研究中,Li L L等n 研究了软黏土K0固结情况下累积孔压随循环次数的变化情 况;Matasovic等 开展了全面的动三轴试验并对结果进行整理分析,在控制动力循环过程中剪应变幅值相等 的条件下,提出弱化系数6的概念,并由此归纳出累积孔压与弱化系数的函数关系;沈扬等p 提出对于高密实 度粉土,固结应力比决定着孔压的发展情况;吴明战等[41、周建等 和章克凌、陶振宇等 也都提出了累积孔压 的发展模型,后文重点介绍。 在循环后的不排水强度弱化的研究中,Hyodo等 指出软黏土在所受循环动应力幅值远远低于其抗剪强 度的情况下,增加循环次数也有可能发生破坏;Li L L等u 提出循环后不排水剪切强度取决于孔压和应变的 累积情况;Matsui等嘲提出在循环荷载作用下软黏土的变形模量、抗剪强度的折减速率随着土体累积塑性应 变的增大而增大;Yasuhara等 结合大量的试验数据,利用等效超固结理论描述出循环荷载下软黏土的不排 水抗剪强度关于累积孔压值的变化规律;王元战、杨攀博等 系统分析了循环荷载下软黏土强度弱化程度与 固结围压、不固结的静偏应力、动应力、荷载循环次数等因素之间的关系。 以往针对软土循环弱化的试验研究,大多数考虑的都是等压固结的情况,少数考虑到静偏应力这一影 响因素的研究也是针对于偏压不固结的情况。以往提出的强度弱化模型大部分只是停留在拟静力阶段,少 数考虑土体指标动态变化的动力模型也只是涉及静偏应力不固结的情况。 本文考虑偏压固结对土体循环强度的影响,针对烟台港原状土开展动三轴试验,利用等效超固结比理 论将试验得出的孔压规律与强度规律相结合,提出适用于整个加载过程的强度变化模型。 收稿日期:2016—10—25;修回日期:2016—11—28 基金项目:国家自然科学基金(51279128);国家自然科学基金创新研究群体科学基金(51321065);交通运输部交通建设科 技项(2014328224040) 作者简介:王元战(1958一),男,天津人,教授,博导,主要从事港口海岸与近海结构设计理论和方法、土与结构相互作用、 结构振动分析理论和方法等方面的研究。 Biography:WANG Yuan—zhan(1958一),male,professor. 2017年4月 王元战,等偏压固结软黏土循环特性试验研究 163 1试验方案 本文选取烟台港西港区的原状土为试验土样,所取土样的土质均为淤泥质粉质黏土,采样深度为泥面 线下2 ̄5.5 m。土体的基本力学物理指标如下:天然含水率37.18%,天然容重18.68 kN/m ,比重2.68,塑限 17.41%,液限32.98%。采用WG型单杠杆固结仪测得该软黏土的压缩指数 为0.205,回弹指数C 为0.035。 本文采用GDS动三轴仪器进行试验,具有功能强大、实验数据准确性高、运行稳定、操作简单等优点。下面 介绍动三轴试验的操作过程。 遵照《土工试验规程》的流程,用钢丝锯、切土刀把取土器中的原状 土样削成高80 mm,直径39.1 mm的标准圆柱形试样。采用抽气饱和法, 当饱和度达到95%以上时,试样还需连续抽气2 h。将试样在仪器上小心 厦 安装后,首先向土样施加围压 。,然后打开排水阀,保持排水阀打开状态 暴 继续施加静偏应力 ,然后关闭排水阀,施加循环动应力 ,试验循环动 应力波形采用正弦波,循环周期采用烟台港区实测的波浪周期,即为8 s, 循环动应力结束之后,继续关闭排水阀,并且不断向试样顶部施加荷载, 图1加载过程图 即不排水剪切。当试样的总应变达到15%时视为土体发生剪切破坏,这 Fig.1 Loading process dia ̄am 时候所测得土体的强度就是土体在循环之后的不排水抗剪强度。试验 表1试验方案 加载过程图如图1所示。在试验中偏压固结过程是模拟实际工程中打塑 Tab.1 Test scheme 料排水板、堆载预压等软基处理过程。 整个试验方案如表1所示,共进行5组试验,l为静三轴试验,2、3、4、5 霉胁(kPa) 为动三轴试验。其中,固结静偏应力比 = /cr。、循环动应力比r= a 。 35 0 0 0.40.8 0 20.50 1 500 0 0.4 35 1 500 0 0.1,0.2,0.3,0.4 2固结围压的影响 35 1 500 0.4 0.I,0.2,0.3,0.4 1 500 0.8 0.1,0.2,0.3,0.4 由于先期固结压力的范围为2O~50 kPa,所以本文动三轴试验中所选 35 取的围压值为2O kPa、35 kPa以及50 kPa三种。同时本文为了便于应用,将累计孔压进行归一化处理。图2 为归一化的动三轴累积孔压关于循环次数的发展曲线,图3为归一化的动三轴应力一应变曲线。 从图可得,在选定的围压范围之内,当动应力比一定的情况下,土体的归一化的累积孔压随循环次数的 发展规律基本相同,在起始阶段累积孔压的增长速度很快,最后共同趋于一个稳定值。归一化的应力一应变 关系曲线也基本一致。这也和霍海峰… 的试验结果相同。因此可以得出结论,在本文所研究的烟台港软土 层2~5.5 m深度范围内,不同的围压值不会对归一化的累积孔压产生明显的影响。所以,在试验方案设计 中,本文围压都是采用取值范围的中间值35 kPa,以此作为进一步研究土体循环特性规律的基础。 、 3动三轴试验结果分析 ’ 3.1孔压规律 1 从图4可得,当围压、动应力比相 同时,固结静偏应力比越大,累积孔 压最后达到的稳定值越低。所以,适 当提高固结静偏应力可以提高地基 承载力,增强结构的稳定性。 循环次数(次) 轴向应变(%) 从图5可得,当围压、固结静偏应 图2 r=0.4,h=O,不同围压下归一化 图3 r=0.4,h=0,不同围压下归一化 力比相同时,动应力比越大,初始阶 的动三轴累积孔压关于循环次数的 动三轴应力一应变的关系曲线 段累积孔压的增长速度越快,累积孔 发展曲线 Fig_3 Cu ̄es 0f normalized dynamic tfiaxial stress and strain under different 压最后达到的稳定值越高。所以,较 Fig.2 Cu ̄es of normMized dynamic tri ̄iM pore pressure and cyclic times confining stress when r is 0.4,h is 0 大的动应力会使土体中的累积孔压 under different confining stress when r 增长较多,从而导致土体中有效应力 js0.4 and hiS0 1 O 0164 水道港 口 第38卷第2期 的降低,影响结构稳定性。 3.2累积孔压模型的选择 畏 现有的累积孔压模型的研究中,大1 多是关于砂土的累积孔压发展模型。由一 于软粘土的物理力学性质复杂,影响孔 压发展的因素较多,因此,不同学者所得 出的累积孔压发展模型差异也较大,下 0 O O 0 400 800 1 200 1 600 0 400 800 1 200 1 600 循环次数(次) 循环次数(次) 面选取一些代表性的累积孔压的发展模 图4 r=0.4,不同固结静偏应力比下 图5 h=0.8,不同动应力比下归一化 型进行介绍。Matasovic E 模型研究的是 归一化累积孔压关于循环次数的发 累积孔压关于循环次数的发展曲线 累积孔压随循环剪应力的发展规律,但 展曲线 Fig.4 Curves of normalized accumulated pore pressure and cyclic Fig.5 Curves of normalized accumulated pore pressure and cyclic times under different dynamic stress ratioswhen hiS 0.8 是应用该模型还存在一个前提条件,即 每次动力循环中的剪应变必须相同。吴 明战模型 、周建模型 、章克凌模型 】贝0 都从累积孔压随动力荷载循环次数的发 更强。 times under different consolidated deviator stress ratios when r is 0.4 展规律进行研究,因为荷载循环次数可以准确、直观且简便地测量统计,所以这种方法在实际工程中适用性 吴明战等 提出的孔压模型是指数形式,如式(1);周建等嘲提出的孔压模型是对数形式,如式(2);章克 凌、陶振宇等旧提出的孑L压模型是双曲形式,如式(3)。 u_=aN c (1) u,.=(I,+ InN U。 (2) (3) 、0 0 O O 0 O O O ; 日i = alV +D 式中:a、b、l,、K为试验数据拟合参数。 本文对动三轴试验数据进行初步拟合之后,发现双曲模型对于本文研究土体的累积孔压发展规律拟合 更好。本文选择章克凌的双曲型模型对孔压规律进行量化研究。该模型中考虑的影响因素有固结围压、循 环动应力、循环次数,但是并未考虑固结静偏应力的影响。而在实际工程中,在采取软基处理的措施后,地 基上部结构引起的静偏应力对土体会产生偏压固结的效果,对于土体动力特性的影响不可忽略。因此,本 文提出综合考虑固结围压、固结静偏应力、循环动应力、循环次数等影响因素的双曲型模型。 3-3孔压公式拟合 将动三轴试验数据代人式(3),进行拟合,分别得出各工况下的参数拟合值,以及相关系数,如表2所示。 口值反映的是曲线的最终稳定值,a值随着固结静偏应力比 的增大而增大,也就是说,当固结静偏应力 越大的时候,累积孔压的最终稳定值越低;口值随着循环动应力比r的增大而减小,也就是说,当循环动应力 越大的时候,累积孔压的最终稳定值是越大的。对a值进行公式拟合,结果如式(4)所示,R2=0.996 6,拟合效 果很好。 0=(一12.198 一11.366)[( ) 一0.846] (4) 6值表示的是累积孔压的初始增长速率。不同的固结静偏应力tthT,6值基本相同,也就是说,不同的 固结静偏应力下,累积孔压的初始增长速率基本相同;6值随着循环动应力比r增大而减小,也就是说,循环 动应力越大的时候,累积孔压的初始增长越快,曲线越陡。试验数据的这一拟合结果是符合土体中的实际 情况的。进一步对b值进行公式拟合,结果如式(5)所示,尺 =0.991 3,拟合效果很好。 6=一7 828.634(- ̄--)。 +7 168.334 v (5) 将式(4)、式(5)代入式(3),即可得到综合考虑固结围压、固结静偏应力、循环动应力、循环次数等影响 2017年4月 王元战,等偏压固结软黏土循环特性试验研究 165 因素的累积孔压双曲型模型,如式(6)所示。 利用该模型对动三轴试验的各工况进行计算,并将拟合值与实测值进行对比,如图6所示,R2=O.995 3, 可以看出拟合效果非常好。 表2拟合参数表 =^ {f一12.198二 一11.366)[(Y ̄a、“ 一0.846]N — O"c Tab.2 The list of iftting parameters l,O-, o(6) 一7 828.634f. 、 路+7 168.334} 3.4循环后不排水抗剪强度 软黏土在经过偏压固结之后,紧接着承受循环荷载的 作用,其不排水抗剪强度会在偏压固结后不排水抗剪强度 ( ) 的基础上有所衰减,将其定义为(cu) 即循环加载后的 强度。土体不排水抗剪强度的折减系数13=(Cu)。/(cu) 。(Co) 由静三轴试验得出,(Cu) ,由动三轴试验得出。 0 1± O O Eli 0 0 O 一 州 由图7可知,当固结围压和循环动应力比相同时,固结 0.40 0.35 20.30 1 0.25 丌- 0.20 O.15 0.10 O.O5 一 州 循环次数(次) 6-a固结静偏应力比h=O 6-b固结静偏应力比h=O.4 6-c固结静偏应力比h=O.8 图6实测孔压与孔压拟合曲线对比 Fig.6 Practical testing versus fitting curves of pore pressure 静偏应力比越大,土体的强度越高。 因此,适当增大固结静偏应力有利于 提高地基土体的承载力。 由图8可知,当固结围压和固结 静偏应力比相同时,循环动应力比越 大,土体的强度越低。因此,较大的循 环动应力将减弱地基土体的承载力。 3.5强度弱化模型的选择 轴向应变(%) 轴向应变(%)  r=0.4,不同固结静偏应力比下 Yasuhara等f9 借鉴前人Mayne的 图7应力一应变的关系曲线 研究成果基础上进一步深入研究,将 图8 h=O.8,不同动应力比下应力一 应变的关系曲线 Fig.8 Curves of stress—strain under 循环弱化的等效超固结现象与超固结 现象联系起来,将超固结比公式应用 到等效超固结现象中,通过一系列的 理论推导,得出等效超固结比公式。 Fig.7 Curves of stress.strain under different consolidated deviator stress ratioswhen ris0.4 different dynamic stress ratios when h is0.8 _(1- (7) 式中:(Gu)。 为循环弱化后的抗剪强度,(cu) 为正常固结后的抗剪强度,c 和 分别为土体的回弹指数及压 缩指数, 为累积孔压, 为固结围压。 166 水道港 口 第38卷第2期 针对动三轴试验结果,对Yasuhara的等效超固结比模型进行如下的两点改进: (1)Yasuhara对等效超固结比模型进行分析研究的时候,只考虑了循环动应力的影响,而本文的试验还 增加了对固结静偏应力影响的研究,土体是在偏压固结下提升后强度的基础上发生循环弱化,因此,模型公 式中的(cl1) 应该换成(c ) ,下文对试验参数进行拟合的时候,也要同时兼顾到固结静偏应力和循环动应力 的影响; (2)Yasuhara提出的等效超固结比模型中,累积孔压/z是循环结束之后的孔压值,因此该模型反映的也 只是循环结束之后的最终的土体抗剪强度的弱化程度,本文已经提出了累积孑L压/z随循环次数的增加而逐 渐上升的动态变化模型,从而得到循环加载过程中软黏土的抗剪强度随循环次数的增加而逐渐弱化的动态 变化过程。 表3强度折减统计表 Tab.3 The list of strength reduction 基于以上两点,改进的强度弱化模型如式(8)所示。 t3= u, =(1一u,)A (8) 式中:u 为归一化累积孔压的动态变量,用式(6)代入;A为与固结静 偏应力水平、循环动应力水平都相关的试验拟合参数。 3.6强度弱化模型的拟合 改进后的强度弱化模型中,只有A这一个拟合参数。将动三轴 试验数据代入式(8),分别拟合出各工况下的参数值,如表3所示。 对拟合参数A分析可知,A值的总体变化趋势是随着固结静偏 应力比h的增大而略有减小,随着循环动应力比r的增大而增大。进 步对A值进行公式拟合,结果如式(9)所示, =0.989 9,拟合效果 很好。 一A =一0. 058(TM 一 9.538)538)v  d 一:一0. O'j(9( )9) 。 将式(9)和式(6)同时代人式(8),即可得到综合考虑固结围压、 固结静偏应力、循环动应力、循环次数等影响因素的强度弱化模型, 如式(1o)所示。 ={卜Ⅳ/{(一12.198  ̄' J一11-366)[( ) 一08461N .(10) 一 一。。 一 一7 828.634( ̄)ov 。 +7 168.334}l ~c —c 利用该模型对动三轴试验的各工况进行计算,并将拟合值与实 测值进行对比,如图9所示,R =0.997 9,可以看出拟合效果非常好。 图9强度拟合曲线与实测数据对比 4结论 本文通过动三轴试验对软黏土循环特性进行研究,得出主要结 论如下: Fig.9 Fitting curves of strength versus practical testing curves (1)在本文所研究的软土层深度范围(2~5.5 m)内,围压对归一化的累积孔压发展规律以及归一化的动 三轴应力应变关系曲线基本不产生影响。 (2)当围压和循环动应力比相同时,固结静偏应力比越大,孔压在循环初期的初始增速越慢,循环后期 所达到的最终稳定值也越低;当围压和固结静偏应力都相同时,循环动应力比越大,累积孔压在循环初期的 初始增速越快,循环后期所达到的最终稳定值也越高。 (3)固结静偏应力对循环荷载作用下的土体起到抑制循环弱化的作用。固结静偏应力比越大,强度折 减越不明显;循环动应力比越大,强度折减越明显。 (4)采用等效超固结比理论将孔压与强度的规律综合在一起考虑,得到了适用于整个循环过程的强度 2017年4月 王元战,等偏压固结软黏土循环特性试验研究 167 折减弱化公式,拟合之后与实测数据有很好的适应性。 参考文献: [1]Li L L,Dan H B,Wang L Z.Undrained behavior of natural marine clay under cyclic loading[J]_Ocean Engineering201 1,38 ,(16):1 792一I 805. 12]Matasovic N,Vucetic M.Generalized cyclic degradation—pore pressure model for clays[J].Journal of the Geotechnical Engineering Division,ASCE,1995,121(1):33—41. 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Experimental study on cyclic character of soft clay under anisotropic consolidation WANG Yuan-zhan ,XUE Han ,HU Shen-rong。,WU Lin-jian (1.State Key Laboratory ofHydraulic Engineering Simulation and Safety,Tianji University,Tianifn 300072, China;2.CCCC First Harbor Consultants Co.,Ltd.,Tianifn 300222,China) Abstract:The researches on cyclic strength weakening of soft clay have achieved a lot.However.in order to weaken the effect of cyclic loading on the soil,in engineering it usually takes plastic drainage plate and preloading as soft foundation treatment methods to improve the soil strength,and then to weaken the effect of cyclic loading on the soil.By means of performing the cyclic triaxial test on the muddy clay taken from Yantai littoral zone,pore water pressure variation and cyclic strength weakening of clay have been studied.According to the laws of the develop。 ment of pore pressure,a calculation model for pore pressure was proposed.In addition,by using the theory of quasi— overconsolidation and combining the pore pressure model and the laws of strength,a formula of strength changing which is dynamic in the process was put forward. Key words:anisotropic consolidation;cyclic loading;pore pressure model;strength character 

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