循環荷載對上海軟土動力特性影響規律的試驗研究①

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循環荷載對上海軟土動力特性影響規律的試驗研究①

冷建1， 葉冠林1， 劉學增2， 朱合華2

(1.上海交通大學土木工程系, 上海 200240； 2.同濟大學地下建筑與工程系, 上海 200092)

摘要：為研究上海第4層軟土在循環荷載作用下的動力特性變化規律，采用原狀土進行室內動三軸試驗，分析不同動應力比和頻率對上海第4層軟土動強度的影響。試驗結果表明：對于上海第4層軟土，其剪切模量與應變關系曲線幾乎不受動應力比和頻率的影響；剪切模量的下降主要發生在應變0～1%階段；由于應變速率效應的影響，高頻率時試樣破環所需的循環次數要大于低頻率時；動應力比達到0.2時土樣才發生破壞；在土的不同應變階段，頻率對應變增幅的影響效果不同。

關鍵詞：上海軟土； 動三軸試驗； 剪切模量； 動強度； 加載頻率

0引言

地鐵在城市交通中發揮著越來越重要的作用，然而地鐵隧道長期處在列車循環荷載作用下，由此引發的工程環境問題也不容忽視，對其研究也逐漸成為土動力學的熱點問題[1-2]。

循環荷載作用下土動力特性研究由來已久，黃文熙[3]于上世紀 60 年代發表了有關飽和砂土地基及土坡液化穩定分析的研究成果。Thiers和Seed等[4-5]通過循環三軸和循環剪切試驗，建立了相關的應力-應變數學模型。

現如今，循環荷載作用下土的動力特性在許多方面都取得了研究成果。Yasuhara等[6]和Toyota等[7-8]分析了初始剪應力對土動強度的影響。在動應力比方面，Hyde等[9]認為臨界循環應力比與試樣的應力歷史和加載應力路徑有關；Adrian等[10]提出了一種預測土循環剪應力和破壞次數的方法。對于振動頻率對軟黏土的影響尚未達成一致意見，需要進一步加以研究。Yasuhara[6]認為循環荷載頻率對軟黏土的動強度和變形幾乎沒有影響，但在相同的循環周次下孔壓隨著頻率的增加而增大。Brewer[11]采用頻率f=0.01～4 Hz，對IP=35的黏土進行動三軸試驗，發現在相同循環周次下低頻荷載產生的孔壓和變形比高頻大。Seed、Taylor等[7-8，12]分析了波形狀的對循環作用的影響。

本文采用現場原狀土進行室內動三軸試驗，分析動應力比(動應力比為σd/2σs，其中σd為動應力幅值，σs為有效固結壓力)、頻率等對上海軟土動強度的影響規律。

2試樣制備和試驗方法

在上海松江地區鉆孔，用薄壁取土器采集第4層原狀軟土進行動三軸試驗，研究上海軟土在不同動應力比和不同頻率下的動力特性。

2.1試樣制備

用來進行試驗的土體應該為原狀土,以便精確地模擬現場土體的初始狀態以及真實地反映現場土體的動力響應。在松江地鐵站施工現場用薄壁取土器取得試驗土樣，選用動態空心圓柱扭剪儀進行室內動三軸試驗。

試樣直徑為50 mm，高100 mm，采用100 kPa反壓飽和，試樣B≥0.96。試樣等向固結，有效固結壓力為100 kPa。

2.2試驗方法

(1) 荷載選取：動應力比分別取0.1、0.15、0.2、0.3和0.4，分析不同動應力比對土動強度的影響。

(2) 頻率選取：初步參考上海地區現有實測成果，地鐵列車駛過時引起的隧道周圍土體的響應頻率分布兩個區域：低頻為0.4～0.6 Hz，高頻為2.4～2.6 Hz，結合設備的循環加載能力后確定動三軸試驗的加載頻率為0.5 Hz和2 Hz。

(3) 加載波形：正弦波。

3試驗結果與分析

3.1剪切模量隨應變發展規律

圖1為頻率f=2 Hz和f=0.5 Hz時動應力比為0.4和0.2的剪切模量與應變關系圖。從圖中可以看出，f=2 Hz時動應力比0.4和動應力比0.2的剪切模量與應變關系曲線基本吻合；f=0.5 Hz時不同動應力比曲線也基本吻合,且剪切模量一開始下降速率很快，當應變達到1%時下降速率明顯變慢。

圖1　不同頻率時剪切模量與應變關系曲線Fig.1　Relationship curves between shear modulus　　　 and strain with different frequency

圖2為動應力比0.4和0.2下，頻率f=2 Hz和f=0.5 Hz時剪切模量與應變關系圖。從圖中可以看出，動應力比0.4時，f=2 Hz和f=0.5 Hz的剪切模量與應變關系曲線基本吻合。動應力比0.2時也有類似的結果，且剪切模量一開始下降速率很快，當應變達到2%時下降速率明顯變慢。

圖2　不同動應力比下剪切模量與應變關系曲線Fig.2　Relationship curves between shear modulus and　　　 strain with different dynamic stress ratio

通過比較圖1～圖2可以發現，頻率和動應力比幾乎不會影響土的剪切強度與應變的關系曲線，且在小應變情況下土的剪切模量下降速率快，當應變達到2%左右剪切模量下降速率明顯變慢。

3.2松江土破壞動應力比

總結不同頻率和不同動應力比下試樣破壞(破壞標準：雙向應變沒有達到10%，或者累積塑性應變沒有達到5%)所需的循環次數如表1。

表 1　試樣破壞所需的循環次數

注：N=10 000則試樣沒有破壞。

從表中可以看出，試樣破壞所需的循環次數與荷載的頻率有關。由于應變速率效應，頻率為2 Hz時試樣破壞所需的循環次數要大于頻率為0.5 Hz時的循環次數，且動應力比為0.1和0.15時試樣并未破壞(雙向應變沒有達到10%，累積塑性應變沒有達到5%)，當動應力比為0.2時試樣開始發生動循環破壞。

3.3頻率影響

圖3為動應力比為0.4、0.2和0.1時頻率f=2 Hz和f=0.5 Hz，對應變和循環次數關系的影響。當動應力比為0.4和0.2時，試樣會有較大的應變，最終會發生破壞；當動應力比為0.1時，試樣應變很小，并不會發生破壞。即當應變較大時(動應力比為0.4和0.2)，頻率為2 Hz時，應變增幅大于頻率為0.5 Hz時的應變；當應變較小時(動應力比為0.1)，頻率為2 Hz時，應變增幅小于頻率為0.5 Hz時的應變。說明土在應變不同階段時頻率對應變增長的影響不同。

圖3　不同動應力比下應變與循環次數關系圖Fig.3　Relationship curves between strain and cycles with　　　 different dynamic stress ratio

3.4不同應變下的動強度曲線

圖4為頻率2 Hz時達到不同應變所需的動應力比與循環次數。從圖中可以看出，動應力比0.3到0.4段的斜率明顯陡于動應力比0.2到0.3段，說明動應力比到0.3后對土的破壞比較顯著。

圖4　f=2 Hz時動應力比與循環次數圖Fig.4　Relationship curves between dynamic stress　　　 ratio and cycles when f=2 Hz

4結論

本文針對列車動荷載作用下的長期沉降問題，用原狀土進行室內動三軸試驗，分析動應力比、頻率等對上海軟土動強度的影響規律，得到以下結論：

(1) 頻率和動應力比對上海軟土剪切強度與累積應變關系曲線的影響很小,并且土的剪切模量在應變為0～1%階段衰減速率快。

(2) 由于應變速率效應的影響，頻率為2 Hz時試樣破壞所需的循環次數要大于頻率為0.5 Hz時。

(3) 對于松江土原狀土，動應力大于0.2才發生破壞(雙向應變達到10%或累積塑性應變達到5%)。

(4) 動應力比大于0.2情況下，累積應變較大，頻率為2 Hz的應變增幅大于頻率為0.5 Hz時的應變增幅；動應力比為0.1情況下，累積應變較小，頻率為2 Hz時的應變增幅小于頻率為0.5 Hz時的應變增幅。在應變不同階段時，頻率對累積應變增幅的影響不同。

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Experimental Study on the Dynamic Characteristics of Shanghai

Soft Clay Subjected to Cyclic Loading

LENG Jian1, YE Guan-lin1, LIU Xue-zeng2, ZHU He-hua2

(1.DepartmentofCivilEngineering,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200240,China;

2.DepartmentofGeotechnicalEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

Abstract：To study the strength of Shanghai soft clay under cyclic loading, a series of dynamic triaxial tests were conducted with different dynamic stress ratios and frequencies. According to the test results, the relationship between the shear modulus and strain was not affected by the dynamic stress ratio and frequency. When the strain was set to 2%, the shear modulus decreased slowly but significantly. The sample cyclic time with high frequency was larger than that with low frequency. With the Shanghai soft clay, soil sample damage phenomenon occurred until the dynamic stress ratio reached 0.2. The frequency had different effects on the growth of the strain in different strain stages.

Key words：Shanghai soft clay; dynamic triaxial test; shear modulus; dynamic strength; loading frequency

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2015.04.1049

中圖分類號:TU435

文獻標志碼：A

文章編號:1000-0844(2015)04-1049-04

通信作者：葉冠林,男,博士,副教授。E-mail:ygl@sjtu.edu.cn。

作者簡介：冷建(1988-),男,山東威海人,博士研究生,主要從事巖土工程、地下工程等領域的學習與科研。E-mail:keepwalkinglj@163.com。

基金項目：國家自然科學基金項目(41372284)

收稿日期：①2014-08-20