不同加載方式下黃土累積變形特征研究

車高鳳, 鐘秀梅, 馬金蓮, 柴少峰, 王 平

(1. 中國地震局(甘肅省)黃土地震工程重點實驗室, 甘肅 蘭州 730000;2. 河北省地震災害防御與風險評價重點實驗室, 河北 廊坊 065201;3. 甘肅省巖土防災工程技術研究中心, 甘肅 蘭州 730000)

0 引言

我國已成為世界上高速鐵路系統技術最全、集成能力最強、運營里程最長、運行速度最高、在建規模最大的國家,引領著世界高鐵發展的新潮流。我國高鐵事業發展無疑是巨大的,高速鐵路網密集建成,列車時速不斷提高,隨之振動頻率和振幅也大幅增加,路基在高頻大振幅作用下將產生更大變形,由此引起地基的振動問題頗多并得到廣泛關注。現有交通荷載研究中多以豎向動應力為主,而對于高鐵荷載來說,由于列車運行中的蛇形運動、曲線軌道運行以及急剎車等因素,都會造成土體的實際受力狀態是雙向的,用現有單向循環荷載加載方式代替高鐵荷載開展路基土體動力特性研究顯然是不安全的。

土體動力特性主要與土體的受力狀態、土體加載類型、試驗控制方式以及荷載等參數有關。關于土體動力特性的研究,國內外學者[1-2]開展的研究眾多,由于前期儀器設備的局限性,現多采用Seed[3]提出的單向循環荷載加載代替雙向振動進行室內試驗研究模擬土體受力情況,此加載方式及理論研究方法,雖很大程度上簡化了土體受力計算,試驗操作方法簡便可行,但此加載方式并不能真實的反映土體的真實受力狀態,隨著土體動力特性研究的不斷深入,室內試驗設備精度及功能進一步更新完善,使得開展雙向循環荷載作用下的土體動力特性研究成為可能。目前針對雙向循環荷載作用下土體的動力特性研究甚少,土體應力路徑的不同,直接影響其變形發展趨勢。蔡袁強等[4-9]通過雙向循環荷載作用下飽和軟黏土動力特性試驗研究得到影響土體動強度衰減的門檻徑向循環應力比;胡秀琴等[10]發現水平雙向荷載作用下,循環剪應力比和相位差在臨界循環應力比附近時會加快飽和軟黏土總應變和孔壓發展;黃玨皓等[11]研究給出水平雙向荷載作用下,飽和軟黏土孔壓隨循環應力比、循環圍壓的增加而增大,隨振動頻率增加而減小;黃博等[12-13]就飽和砂土在較大循環振次作用下單、雙向振動方式使試樣動力響應產生差異的原因進行了相關研究,周小生等[14-15]較為系統地研究了重塑膨脹土在單向與雙向循環荷載作用下的動強度和變形特性,王敉鵬等[16]就重塑紅黏土進行了雙向動荷載下的動變形特性研究,學者針對不同的土體開展了雙向循環荷載的動力特性研究,但對于我國西北地區廣泛存在的黃土,張希棟等[17]僅對雙向循環荷載耦合下黃土動模量和動剪切變形特性進行了相關研究,現有雙向循環荷載作用下非飽和黃土試驗研究僅停留在彈性階段的動強度特性研究方面,然而在雙向循環動應力加載方式下,非飽和黃土累積塑性變形發展趨勢與軸向荷載作用下的變形趨勢是否一致不得而知,因此有必要以雙向循環荷載加載方式的循環三軸試驗為手段,探討不同動應力加載方式下的黃土累積變形發展特征。

基于此,本文運用WF-12440型動三軸-扭剪試驗儀器,通過單向荷載和雙向荷載兩種不同的動應力加載方式進行黃土循環載荷試驗,對比不同動應力加載方式對黃土累積變形發展特征的影響。開展路基土體在真實的受力狀態的動力變形特性研究,可更為準確的進行不同荷載耦合變化下,我國西北地區黃土場地震陷評估或路基土體變形計算,實現有效控制路基的整體穩定和工后沉降量,以期根據路基土參數預測后期沉降。深入開展不同動應力加載方式下黃土累積變形特征研究極具重要的科研和工程意義。

1 試驗土樣和試驗內容

1.1 試樣和試驗儀器

試驗所用儀器為英國WF公司生產的WF-12440型動三軸-空心圓柱扭剪試驗系統,采用應力控制加載方式。試驗所需土樣取自甘肅省臨夏縣北塬鄉前石某磚廠,取土深度為13 m,黃褐色,土質均勻,屬Q3黃土。原狀試樣的基本物理性質指標詳見表1。

表1 土樣的基本物理性質指標

1.2 試驗方法和試驗條件

試驗以甘肅省臨夏縣北塬鄉黃土為試樣,試樣尺寸統一為Φ50 mm×100 mm,循環加載前對試樣進行偏壓固結,固結比Kc選取為1.69。待試樣固結完成后,分別施加不同的動應力幅值,進行單向荷載和雙向荷載作用下的黃土累積變形試驗,加載波型為等效正弦波,f=1,加載振次為1 000次,試驗條件見表2。

表2 試驗條件

1.3 試樣應力分析

不同動荷載作用下土體的應力示意圖如圖1所示。

土體待固結完成后,采用單向循環荷載的加載方式模擬交通荷載進行黃土累積變形試驗時,在試樣上施加單向動荷載,其45°面上會有剪應力產生,土體在該剪應力的作用下發生剪切變形,在該加載狀態下的應力示意圖如圖1(a)所示。當通過雙向荷載加載方式模擬高鐵荷載時,試樣在軸向動應力加載的基礎上,還存在著徑向荷載的施加,本試驗軸向荷載與徑向荷載相位差為0,即軸向荷載和徑向荷載加載時同時達到應力峰值,該試樣45°剪切面上存在剪應力和法向正應力,此加載條件下的土體應力示意圖如圖1(b)所示。

圖1 不同動荷載作用下土體應力示意圖Fig.1 The stress diagram of specimen under different dynamic loads

2 試驗數據整理及結果分析

本文采用應力加載方式進行循環荷載下的黃土累積變形試驗,根據Idriss[18]研究提出的軟化指數來定量分析不同加載方式下的土體累積變形發展趨勢。其中,軟化指數δ的定義如下:

(1)

式中:GN,max,G1,min分別為第N次和第1次循環次數土體的最大和最小割線剪切模量;ε1,max,ε1,min分別為第1次循環次數土體的最大和最小軸向應變;εN,max,εN,min分別為第N次循環次數土體的最大和最小軸向應變。

2.1 不同動應力加載方式下黃土的累積變形特征

根據選取的軟化指數定義式得到單向荷載和雙向荷載作用下的黃土軟化指數,繪制出不同動應力加載方式下黃土軟化指數與循環次數關系曲線,如圖1所示。

由圖2不同動應力加載方式下軟化指數與循環次數關系曲線可以看出,無論是單向荷載還是雙向荷載的動應力加載方式,土體在不同的動應力幅值下,其軟化指數均隨著循環次數的增加,呈非線性減小的趨勢,土體軟化程度增大。當循環次數在100振次以內時,其軟化指數數值減小速率較后期循環振次下軟化指數減小速率更大;在相同循環振次時,土體軟化指數隨著動應力幅值的增大而減小,動應力幅值越大,其軟化指數衰減越快,單向荷載作用下,動應力幅值對土體軟化指數影響更為明顯。土體軟化指數的減小,說明土體發生軟化現象。

圖2 不同動應力加載方式下軟化指數與循環次數關系曲線Fig.2 The relationship curves between softening index and cycle number under different dynamic stress loading modes

土體軟化指數變化的規律表明:土體在單向荷載或雙向荷載動應力加載作用下,前期軟化速率較快,土體發生了較大變形,即剪切模量衰減較快;隨著后期循環振次的增加,土體剪切模量趨于穩定,黃土逐漸密實,土體變形量較小進一步達到穩定,其軟化速率也逐漸減小。徑向荷載的動應力加載對動剪切模量與振次關系有明顯影響,隨著循環振次的不斷增大,徑向動循環荷載幅值越大,其對應振次的動剪切模量越小,根據Idriss[18]計算所得軟化指數也越小。該黃土剪切模量的發展規律與張希棟等人[17]開展雙向循環荷載耦合下黃土動模量和動剪切變形特性研究成果得到很好的印證。

2.2 不同徑向荷載作用下黃土的累積變形特征

由圖3中圖(a)和圖(b)軟化指數曲線可以看出,當軸向動荷載分別為10 kPa和20 kPa時,對比黃土施加徑向荷載前后軟化指數曲線,其存在雙向荷載作用時,軟化指數較單向荷載作用下的土體軟化指數整體偏小且衰減速率較快,說明雙向荷載的加載加速了黃土的軟化。

隨著軸向荷載的繼續增加,由圖3中(c)和(d)所示軟化指數曲線可以發現,當循環振次小于100次時,單向荷載與雙向荷載作用下的軟化指數相近,徑向荷載的施加對土體軟化指數的影響較弱;當循環振次大于100次時,隨著徑向荷載的不斷施加,其土體軟化指數減小速率明顯大于未施加徑向荷載的土體。由此看出,徑向荷載的施加,在循環振次相對較大時,與單向荷載加載作用相比,對黃土軟化影響更為顯著。

軟化指數曲線圖3(e)表明,當軸向動荷載增加至90 kPa時,同時施加徑向荷載作用的土體軟化指數,與僅加載軸向振動荷載且值分別為10 kPa、20 kPa、30 kPa和50 kPa時所對應的土體軟化指數相比,其軟化指數雖進一步減小,但明顯大于該軸向振動荷載作用下的土體軟化指數,即出現了單向荷載作用下土體軟化程度大于雙向荷載土體的現象。該現象表明,當黃土軸向振動荷載超過一定動應力幅值時,徑向荷載的施加,對黃土累積變形影響不大,雙向激振循環荷載并不能隨著循環振次的增加而加速土體的軟化。

圖3 不同徑向荷載作用下黃土軟化指數曲線Fig.3 The relationship curves between softening index and cycle number of loess under different radial loading modes

試驗結果對比表明:隨著軸向荷載的不斷增加,徑向荷載對加速黃土軟化的影響隨之減弱,當軸向荷載增加到一定動應力幅值時,其徑向荷載的加載對黃土加速變形影響消失,徑向荷載對于黃土累積變形的影響存在一臨界軸向循環動應力,就該試驗條件下,其臨界軸向循環動應力幅值介于50～90 kPa之間。

由該黃土在不同動應力加載方式下的累積變形發展特征產生的機理初步分析可知,土體加載較小軸向荷載時,無論是單向荷載還是雙向荷載,試樣45°面上剪應力值相近,而雙向荷載作用下試樣存在法向應力,土體受法向應力的影響主要表現為拉壓動荷載下的土體變形。因此,相應變形也較單向荷載作用下土體的變形更大;隨著軸向荷載的不斷增大,單向荷載作用下試樣的剪應力與雙向荷載時的剪應力差值逐漸拉大,且遠大于雙向荷載作用下的剪應力,黃土在剪切動荷載的影響下發生了剪切變形,雖雙向荷載作用下試樣有法向應力的存在,但隨著軸向荷載的增大,其在不同荷載耦合作用下,對于土樣的變形影響隨之減弱,說明土體在軸向循環動應力超過某一臨界值時,雙向激振循環荷載不能加速土體的軟化,也不能加速土體累積變形的發展。

3 結論與探討

根據對非飽和黃土單向循環荷載和雙向循環荷載兩種不同的動應力加載方式進行黃土累積變形特征試驗研究,對比得出不同動應力加載方式對黃土變形特征的影響:

(1) 黃土在單向荷載或雙向荷載作用下,其軟化指數均隨著循環次數的增加,呈非線性減小的趨勢,在相同循環振次時,土體軟化指數隨著動應力幅值的增大而減小。

(2) 黃土在不同加載方式作用下,軟化指數減小速率在循環振次100次以內較快,后期隨循環振次增加,黃土逐漸趨于密實,土體軟化速率逐漸趨于平穩。

(3) 黃土在雙向荷載作用下,當軸向動荷載較小時,徑向荷載的施加,將加速黃土的軟化程度,隨著軸向動荷載的增加,徑向荷載對土體軟化的影響逐漸減弱,其對于黃土變形的影響存在一臨界軸向循環動應力。

(4) 軸向荷載較小時,雙向荷載的加載方式對于黃土動變形影響顯著。如實際地震發生過程時,現有單向荷載加載方式模擬地震作用進行黃土場地震陷評估顯然不安全,深入開展不同動應力加載方式下黃土累積變形特征研究極具重要的科研和工程意義,可實現我國西北地區黃土場地震陷評估或路基土體變形計算,有效控制路基的整體穩定和工后沉降量,以期根據路基土參數預測后期沉降。