不同应力路径下超固结软黏土的永久变形特性

孙 磊

(宿州学院 资源与土木工程学院，安徽 宿州 234000)

软土路基的沉降控制是高速公路、铁路及机场跑道等交通路基建造的关键技术之一。上述交通线路经过区域软黏土分布广泛，如以温州为代表的东南沿海地区广泛分布着滨海相、潟湖相淤泥质土，通常处于饱和状态，具有低渗透性和高压缩性的特点。饱和软黏土在长期交通循环荷载作用下的塑性变形不断累积，到一定程度时将会导致路面车辙甚至塌陷等严重的路基沉降问题，危及行车安全并导致巨额的维护费用。

目前，国内外大量学者通过室内试验对土体动力特性进行了研究[1-12]，并在室内试验或实测的基础上提出了一定的理论模型或经验公式，对于深入理解和预测交通工程的长期沉降具有重要的指导意义。然而,大多数研究都没有考虑以下3个方面的影响：①路基软土由于超载预压等地基加固处理导致的超固结特性；②路基土体在交通荷载作用下同时伴随孔压的产生和消散，介于完全排水和完全不排水之间，即部分排水的实际工况[13]；③交通循环荷载在路基土体中引起的动态应力场，不但存在竖向循环正应力，而且包含较大幅值的水平向循环正应力(循环围压)[14]。

借助GDS 变围压三轴试验系统，在部分排水条件下，本课题结合交通循环荷载作用的特点，对循环偏应力和循环围压耦合作用下温州超固结饱和软黏土的累积变形特性进行了研究，分析了循环围压和超固结比对轴向累积塑性变形规律的影响，以加深对温州软黏土在不同应力路径下变形发展规律的认识，为交通循环荷载作用下的软土路基设计和建造提供了参考。

1 试验条件及方法

1.1 试验土样

试验所用原状土样取自温州高铁南站附近的在建工地，埋深7～8 m；所用软黏土的黏粒(d<0.005 mm)质量分数为 57%，粉粒(0.005 mm≤d≤0.074 mm)质量分数为41%。试验用土的基本物理指标见表1。

表1 试验用土的基本物理指标Tab.1 Physical properties of the tested soil

1.2 试验方案

采用专用切土器制备50 mm×100 mm(直径×高)的单元体原状试样，在试样四周贴上滤纸作为排水路径，然后放入压力室内通过施加反压进行饱和，待B值大于0.98后增大围压进行等向固结(OCR=σ3max/σ30)，通过加载和卸载的方式使土样处于不同的超固结状态，最终施加动荷载前固结围压统一定为100 kPa(σ30)。固结完成之后保持排水阀门处于打开状态以实现部分排水，直接在轴向和径向施加同相位的半正弦波。为了保证试验的稳定性，加载频率采用0.1 Hz，所有试验均加载10 000圈。轴向和径向动应力的耦合将在p-q平面上形成不同的应力路径，可用其斜率ηampl加以表征，如图1所示。本试验采用3种不同的应力路径，即ηampl=3.0、ηampl=1.0和ηampl=0.5，其中ηampl=3.0 为常规的恒定围压(循环围压的幅值σ3ampl=0)循环三轴加载试验(CCP)，应力路径斜率ηampl=1.0和ηampl=0.5为变围压循环三轴加载试验(VCP)。

为了便于对不同超固结试样的试验结果进行对比，定义循环应力比(CSR)为循环偏应力与土体不排水抗剪强度的比值，即

(1)

式中：qampl为循环偏应力幅值；qf为对应超固结比下饱和软黏土不排水静力剪切试验所得的峰值偏应力，超固结比OCR为1、2、4和8时对应的峰值偏应力分别为68.4 kPa、114.2 kPa、147.8 kPa和214.6 kPa[15]。具体试验方案如表2所示。

图1 应力路径示意图Fig.1 Schematic diagram of stress path

表2 试验方案Tab.2 Test schemes

2 试验结果及分析

本研究重点探讨循环偏应力和循环围压耦合应力路径斜率ηampl及超固结比OCR对温州饱和软黏土在部分排水条件下永久轴向应变的影响。图2给出了全部12组试验的永久轴向应变试验结果，从中可以看出，当超固结比相同时，在给定的循环动应力比下，不同应力路径下永久轴向应变与循环次数的变化规律一致：伴随循环次数的增长先迅速增大，随后增长速率逐渐下降并在一定循环次数后趋于稳定。然而，通过对比可以发现，超固结试样要比正常固结试样提前达到稳定状态。正常固结饱和软黏土试样基本在循环2 000圈之后趋于稳定，而超固结饱和软黏土基本在循环1 000圈之后达到稳定状态，说明超固结比对饱和软黏土永久轴向应变的累积速率具有显著影响，也从一个侧面反映了超载预压等地基加固措施具有加快软土路基沉降稳定的作用。图2中的变化曲线还表明，在同样振次和超固结比下，较小的应力路径斜率ηampl值，即较大的循环围压值对应较大的永久轴向应变值。这说明在部分排水条件下，与围压恒定偏应力单独循环加载作用相比，循环围压与循环偏应力的耦合效应将极大促进土体永久轴向应变的发展。

图2 不同应力路径下永久轴向应变与循环次数的关系Fig.2 Relationship between permanent axial strain and loading cycle under different stress paths

为了比较超固结比对饱和软黏土永久轴向应变的影响规律，取所有试样在循环加载10 000圈后的永久轴向应变，按照3种不同的应力路径绘制变化曲线，如图3所示。在双对数坐标下，不同应力路径下的永久轴向应变与超固结比均呈线性关系且基本平行，说明循环荷载下最终稳定的永久轴向应变随超固结比呈指数衰减，衰减指数为-0.37。

图3 不同应力路径下第10 000圈永久轴向应变与OCR的关系Fig.3 Relationship between and OCR under different stress paths

图5进一步给出了归一化永久轴向应变率R与应力路径斜率ηampl的关系，在双对数坐标下两者近似呈线性关系，斜率为-0.28。

图4 归一化永久轴向应变率R与循环次数的关系Fig.4 Relationship between R and cycle numbers

图5 归一化永久轴向应变率R与应力路径斜率ηampl的关系Fig.5 Relationship between R and ηampl

3 结论

通过对正常固结及超固结温州饱和软黏土在部分排水条件下的恒定围压及变围压循环三轴加载试验，分析了超固比及应力路径斜率对饱和软黏土永久轴向应变的影响，主要得出以下结论：

(1) 在同一循环动应力比下，不管是正常固结还是超固结饱和软黏土，在变围压应力路径下的永久轴向应变随循环次数的变化规律与对应恒定围压下基本相同，均随着循环次数的增加而增大并逐渐趋于稳定，超固结土体的永久轴向应变要比正常固结土体提前趋于稳定，且最终的稳定值随超固结比呈指数衰减。

(2)部分排水条件下，由于循环围压的存在，其与循环偏应力的耦合作用促进了不同超固结比试样永久轴向应变的发展。在相同循环动应力比和超固结比下，循环围压幅值越大(ηampl越小)，试样产生的永久轴向应变就越大。通过归一化处理，引入归一化永久轴向应变率R量化循环偏应力和循环围压耦合效应对永久轴向应变的影响程度，同时建立了其与应力路径斜率ηampl的关系，结果表明循环偏应力和循环围压耦合效应对永久轴向应变的影响与超固结比无关。