固結時間對軟土動力特性影響的試驗研究1

蘭景巖 王延偉 曹振中 劉 娟

1）北京工業大學，北京 100022

2）桂林理工大學，廣西桂林 541004

3）中國地震局工程力學研究所，哈爾濱 150080

0 引言

固結是指在荷載或其他因素作用下，土體孔隙中水分逐漸排出、體積壓縮、密度增大的現象，是室內試驗還原土體實際應力的重要過程，同時也是準備土動力前期試驗的重要環節。在動三軸、共振柱等土動力試驗開始前，需對土體施加反壓排水固結，但對于穩定固結時間而言，目前尚未有明確的答案和公認的結論，相關規范中關于固結時間的規定較為模糊，《土工試驗規程》（SL 237—1999，中華人民共和國水利部，1999）規定粘土試樣1 小時內固結排水量變化不大于0.1cm3；《地基動力特性測試規范》（GB/T 50269—2015，中國人民共和國住房和城鄉建設部，2015）則指出在靜力作用下固結穩定即可試驗。

研究結果表明（Yilmaz 等，2004；Frost 等，2004；Rao 等，2007），剪切模量和阻尼隨著地質年齡而變化，其中粘性土所受影響較砂土更大。Anderson 等（1978）采用動剪切模量增量系數描述土體動剪切模量隨固結時間增加而增大的規律。但也有研究表明，粘性土動力特性受固結應力歷史的影響有限，粘性土孔隙比隨應力狀態與應力歷史變化，而動剪切模量比曲線則幾乎不受應力狀態與應力歷史的影響（陳國興等，1995）。可知，關于固結時間或應力歷史對粘性土的動力特性影響的研究結論尚未統一，仍存在爭議。基于此，王炳輝等（2009）通過軟粘土自振柱試驗，分析固結時間對軟粘土最大動剪切模量、動剪切模量比和試樣尺寸的影響，并得到有益結論。熊偉等（2011）進行室內動三軸試驗，試驗結果表明，在排水固結階段，隨著固結時間的推移，剪切模量曲線上升而阻尼比曲線下降。此外，隨著地震安全性評價工作在我國的廣泛開展，為滿足土動力學參數測試日益增多的需求，并提高試驗工作效率，通常采用1h 或3h 的快速方法對土體進行固結，研究結果顯示（劉霞等，2010），兩種試驗結果差別不大。

總的來看，在動三軸或共振柱等土動力試驗中，由于沒有具體的規范界定土體固結時間，也沒有可靠的試驗數據作為依據，使得這一問題往往被人們所忽視，固結時間過長或過短都不能客觀反映土體真實的受力狀態和應力水平，特別是軟土，因其具有含水量高、孔隙率大等特性，實驗室中試樣制備、儀器裝樣等過程較困難，因此軟土的固結試驗成為科研人員關注的焦點（劉洋等，2013；雷華陽等，2014；蘭景巖，2016）。故基于上述觀點，擬通過室內動三軸試驗，對比不同固結時間對土動力特性的影響，定性分析濱海軟土動力特性參數隨固結時間的變化，重點考察工程關注的動剪切模量和阻尼比試驗結果。

1 試驗概況

1.1 試驗用土

試驗用土均為原狀土，采自天津濱海新區，屬濱海沉積相軟粘土，呈軟塑狀，含水量較高，孔隙比較大，形態較松軟，物理力學性質指標如表1 所示。

表1 試驗用土物理力學性質指標 Table 1 Physical and mechanical properties of test soft soil

1.2 儀器設備

采用目前較為先進的英國GDS 商業型動態三軸試驗系統（型號為ELDyn，見圖1），可在荷載控制或位移控制的條件下對試樣進行循環加載，提供4 通道的動態數據采集，并帶有16比特數據采集和軸向作動器的編碼器，編碼器可提供高精度的位置反饋。基本參數為：最大軸向位移100mm，最大軸向荷載5kN（5Hz），可使用不同尺寸的試樣，試樣直徑最大可達150mm。

1.3 飽和方式和固結試驗

所取土樣均位于地下水位之下，處于或接近于飽和狀態。由于土樣在獲取、運輸、儲存過程中均有不同程度的失水現象，需飽和后進行試驗，為提高飽和度，采用真空抽氣與反壓飽和的方式，即按《土工試驗規程》進行抽氣飽和，真空抽氣2h 后水中靜置10h。反壓飽和，即先施加20kPa 圍壓進行預壓，然后分級施加（每級增量約30kPa）反壓和圍壓，先施加圍壓后施加反壓，始終保持圍壓比反壓大20kPa，其中有效圍壓保持為100kPa。

圖1 GDS 動三軸反壓控制系統 Fig.1 Back pressure control system of GDS triaxial test

采用均等固結不排水試驗，先施加20kPa 圍壓，然后逐級施加均等的圍壓和軸向壓力，直至預定壓力。固結時間分別為8h、12h、24h、48h，以便定性分析固結時間對土動力特性的影響。

1.4 加載方式

動剪切模量、阻尼比試驗采用應變控制，應變設為1×10-4—5×10-2，6 級左右，每級應隨機設定；為減少累積的振動次數對試樣剛度的影響，每級振動次數為3 次。

2 分析方法

3 試驗結果及分析

根據試驗方案，取同一位置、同一深度的同種土，分別采用不同固結時間（8h、12h、24h、48h），在保證施加的圍壓、軸壓和動應力完全一致的情況下，對4 個試樣進行平行試驗。圖3 所示為不同固結時間下飽和濱海軟土試樣動應力-動應變曲線，由圖3 可知，應力方向變化時，應變也隨之變化，即出現壓應變和拉應變的反轉；隨著循環次數的增加，動應力-動應變曲線的形狀也發生變化；隨著動剪切應變的發展，動應力-動應變曲線的形狀最終發展為S 形。

圖3 動應力-動應變滯回曲線 Fig.3 Stress-strain hysteresis loop by different consolidation time

利用動三軸試驗得到濱海軟土動剪切模量和動剪切應變間的關系，采用雙曲線骨架曲線模型，可求得試驗特征參數a、b值、Gmax、λmax、τulb與固結時間的關系，如圖4、表2 所示。

圖4 動剪切模量和阻尼比的擬合結果對比 Fig.4 Comparison of fitting result for dynamic modulus and damping

表2 動三軸試驗特征參數擬合值 Table.2 Characteristic fitting parameters of dynamic triaxial test

由表2 可知，Gmax隨著固結時間的增加而增大，λmax與τulb則隨著固結時間的增加而減小。根據上述結論，繪制固結時間與Gmax和λmax的關系曲線，如圖5 所示。由圖5 可知，固結時間與Gmax、λmax呈現一定線性關系。其中，固結時間為48h 的Gmax為固結時間8h 的1.76 倍，而λmax為0.69 倍。

圖5 Gmax、λmax 與固結時間的關系 Fig.5 The relationships between consolidation time and Gmax, λmax

根據表2 試驗結果，擬合得到不同固結時間下動剪切模量比Gd/Gmax、阻尼比λ與動剪切應變γd的關系曲線（見圖6）。由圖6 可知，Gd/Gmax隨著γd的增大而減小，λ隨著γd的增大而增大。曲線變化趨勢隨著固結時間的變化而變化，其中動剪切模量比受固結時間的影響較顯著，且隨著固結時間的增加而減小。阻尼比同樣受固結時間的影響，以γd=0.26×10?4為分界點，當γd＞0.26×10?4時，λ隨著固結時間的增加而減小；當γd＜0.26×10?4時，λ隨著固結時間的增加而增大。產生這一現象的原因，可根據阻尼比的定義（正比于滯回圈和三角形面積之比）進行分析，在循環振動過程中，阻尼比隨著動剪切應變動態變化。由圖3 可知，隨著動剪切應變的逐漸升高，滯回圈的面積隨之增大，但8h 固結條件下的滯回圈和三角形面積之比先大后小，而48h 固結條件下的滯回圈和三角形面積之比則先小后大，在8h 固結條件下滯回圈先小后大，而在48h 固結條件下滯回圈則先大后小，阻尼比在動剪切應變增長的過程中可能達到平衡，即出現分界點。具體結果還需多組平行試驗進行有效驗證，進而提高試驗結果的精度。

圖6 Gd/Gmax -γd 和λ-γd 曲線 Fig.6 The curve of G/Gmax -γ and λ-γ under different consolidation time

為滿足工程需要，計算目前廣泛使用的土粘彈性等價線性本構模型中常用的8 個典型動剪切應變下的動剪切模量比和阻尼比，結果表3 所示。

表3 典型動剪切應變下的動剪切模量比與阻尼比 Table.3 The values of shear modulus and damping ratio by typical shear strains

4 結論

針對天津濱海軟土，利用動三軸試驗儀，通過應變控制施加循環荷載進行模量、阻尼試驗，初步分析動三軸固結時間對濱海軟土動力特性參數的影響，得出以下結論：

（1）隨著固結時間的增加，最大動剪切模量Gmax有逐漸減小的趨勢，而最大阻尼比λmax和極限抗剪強度τulb隨之增大，并呈現一定的線性關系。

（2）動剪切模量比Gd/Gmax隨著動剪切應變γd的增大而減小，阻尼比λ隨著動剪切應變γd的增大而增大。試驗結果表明，固結時間對Gd/Gmax-γd曲線、λ-γd曲線的影響較大，γd相同時，Gd/Gmax隨著固結時間的增大而減小。對于阻尼比而言，以γd=0.26×10?4為分界點，當γd＞0.26×10?4時，阻尼比隨著固結時間的增加而增大；當γd＜0.26×10?4時，阻尼比隨著固結時間的增加而減小。

由于天然軟土含水量高、孔隙比大等特殊物理力學性質，在動三軸試驗中會受到制樣難和裝樣難等條件制約，并直接影響固結試驗的成功率，也導致本研究中平行試驗未能得到多組試驗數據。此外，對于更長的固結時間對軟土動力特性的影響將在下一步工作中進行研究。