循环荷载下湖相软土动力特性研究.

随着我国交通建设的迅猛发展，越来越多的高 等级公路需要从软土地区通过。因受地形条件限 制，软土路堤通常较低，在交通动荷载影响下容易产 生不均匀沉降，引起路面结构附加应力，继而造成路 面结构破坏［1］。
目前，已有众多学者对软土在循环荷载下的动 力特性进行了研究［2 － 10］，并取得了一些重要结论。 其中，Matsui 等采用 0. 02 ～ 0. 5Hz 频率的动荷载，对
循环荷载下湖相软土动力特性研究*
曾向军1 邓宗伟1 高乾丰2 朱志祥3 聂如松3
（ 1． 湖南城市学院土木工程学院，湖南益阳 413000； 2． 湘潭大学土木工程与力学学院，湖南湘潭 3． 中南大学土木工程学院，长沙 410075）
411105；
摘 要： 以洞庭湖区沉积软土为对象进行循环振动三轴试验，研究不同动应力幅值、振动频率和围压下 湖相软土的动力特性。结果表明： 湖相软土轴向累积应变多呈稳定型增长，动应力幅值越大，累积应变越大， 振动频率或围压越大，累积应变越小； 动孔隙水压力随动应力幅值的增大而增大，受振动频率的影响较小，同 时随围压的变化规律不统一，有待进一步研究； 动应力幅值或振动频率越大，动弹性模量越小，围压越大，动 弹性模量越大，且动弹性模量随振动次数的增加存在衰减现象，衰减规律亦受动应力幅值、振动频率和围压 的影响。道路运营初期是软基沉降控制的关键阶段，为减小软基沉降，应特别重视对浅层软土的处理，并严 格控制车载质量和车速。
图 1 动应力幅值对轴向累积应变的影响曲线 Fig． 1 Axial accumulated strain curves influenced by cyclic
stress amplitude
工业建筑 2015 年第 45 卷第 3 期
2. 1. 2 振动频率对累积应变的影响 图 2 是动应力幅值为 40 kPa、围压为 50 kPa，而
1. 2 动三轴试验方案 用动应力幅值和振动频率的变化模拟车辆荷
载，以不同围压反映土体的埋置深度，试验方案如表 2 所示，共 27 个试样。试验时固结应力比均取 1. 0， 当轴向应变达到 10. 0% 或孔压接近围压时终止试 验［11］。根据孔隙比与天然含水量计算的结果显示， 软土的饱和度在 97% 以上，且因瞬间加载下饱和土 体几乎不发生排水和体积变化，因此试验排水条件 设为不排水。
天然密度 / 天然含 （ g·cm － 3 ） 水量 / %
1. 82
40. 9
塑限 / %
32. 8
液限 / %
40. 6
黏聚力 / 内摩擦 压缩模 MPa 角 / （ °） 量 / MPa
12. 6 4. 4 5. 1
表 2 动三轴试验方案 Table 2 Dynamic triaxial test scheme
振动频率分别是 1，3，5 Hz 的试验条件下振动频率 对软土轴向累积应变的影响曲线。从试验结果可 知，软土的最终轴向累积应变随振动频率的增加而 减小，同时，在不同振动频率下轴向累积应变的发展 规律也不同。振动频率较小（ f = 1 Hz） 时，软土轴向 累积应变 随 振 动 次 数 迅 速 增 加，当 振 动 次 数 超 过 1 000 次时达到破坏； 当振动频率较大（ f = 5 Hz） 时， 轴向累积应变在振动 500 次左右即可基本稳定，之 后几乎不再增长，而振动频率为 3 Hz 时累积应变的 发展规律介于两者之间。振动频率对土体累积应变 的影响一直以来存在较大争议，本文结果与 Matsui、 章克凌和陶振宇、张茹等的结论［2，9 － 10］一致。
试验用土为取自洞庭湖周边的软黏土，由常规 室内土工试验得到软土的基本物理力学性质指标， 见表 1。试样用原状土制备，其直径为 39. 1 mm，高 80. 0 mm，试验前试样充分饱和，饱和度均达到 97% 以上。
表 1 洞庭湖软土基本参数 Table 1 Basic parameters of Dongting Lack soft soil
Mechanics，Xiangtan University，Xiangtan 411105，China； 3． College of Civil Engineering，Central South University，Changsha 410075，China）
Abstract： Selecting the sedimentary soft soil in Dongting Lake district for dynamic triaxial test，the dynamic characteristics of soft soil under different stress amplitude，vibration frequency and different confining pressure were studied． The test results showed that the axial accumulated strain of lacustrine soft soil was mostly stable growth，and increased with the increase of stress amplitude，decreased with the increase of vibration frequency or confining pressure． The higher the cyclic stress amplitude，the greater the dynamic pore water pressure． The vibration frequency had less influence on dynamic pore water pressure，and the variation of dynamic pore water pressure affected by confining pressure was not uniform，needing further study． Dynamic elastic modulus decreased with the stress amplitude and vibration frequency increasing，and increased with the confining pressure increasing． Dynamic elastic modulus decayed with loading cycles，and the attenuation law was also subjected to the stress amplitude and vibration frequency and the confining pressure． The early operation period is the critical stage for settlement control of soft subgrade． In order to reduce the settlement，particular attention should be paid to the treatment of shallow soft soil； overweight and overspeed should not be allowed． Keywords： cyclic loading； lacustrine soft soil； dynamic characteristics； dynamic triaxial test； subgrade settlement
关键词： 循环荷载； 湖相软土； 动力特性； 动三轴试验； 路基沉降 DOI： 10. 13204 / j． gyjz201503023
STUDY OF DYNAMIC CHAＲACTEＲISTICS OF LACUSTＲINE SOFT SOIL UNDEＲ CYCLIC LΒιβλιοθήκη BaiduADING
Zeng Xiangjun1 Deng Zongwei1 Gao Qianfeng2 Zhu Zhixiang3 Nie Ｒusong3 （ 1． College of Civil Engineering，Hunan City University，Yiyang 413000，China； 2． School of Civil Engineering and
工业建筑 2015 年第 45 卷第 3 期 109
载产生较大的孔压和轴向应变［2］； 刘添俊等研究了珠 江三角洲软土在压缩循环荷载下的轴向累积应变和 累积孔压，表明存在一个临界循环应力，当循环应力 大于或小于临界循环应力时累积轴向应变和累积孔 压随循环次数呈破坏型或衰减型曲线变化［6］； 刘飞禹 等研究了循环荷载下初始偏应力、荷载频率、超固结 比及循环应力比对杭州软土动弹性模量衰减的影响， 表明动弹性模量随应变的增大而减小，随初始偏应力 的增加而提高，而振动频率对动弹性模量衰减规律的 影响很小［7］。随着内陆地区经济的发展，逐渐形成了 环湖经济区，需要在软基上修建城际道路。为保证道 路路基的稳定和安全，有针对性地研究湖相软土在循 环荷载作用下的动力特性具有重要意义。
2 轴向累积应变 饱和软黏土在循环荷载作用下的轴向累积应变
110
a—随振动次数变化； b—随动应力幅值变化 —■—Δσd = 20 kPa； —●—Δσd = 40 kPa； —▲—Δσd = 60 kPa；
—◆—N = 1 次； —★—N = 10 次； ——N = 100 次； ——N = 1 000 次； ——N = 10 000 次
动应力幅值 Δσd / kPa 20
40
60
振动频率 f / Hz 1 3 5 1 3 5 1 3 5
不同围压 σ3 下的试样
50 kPa
100 kPa
150 kPa
T111
T112
T113
T121
T122
T123
T131
T132
T133
T211
T212
T213
T221
T222
T223
T231
T232
Industrial Construction Vol. 45，No. 3，2015
塑性指数为 55 的黏土进行动三轴试验，表明孔压和 轴向应变均随循环振动次数的增加而增加，低频荷
* 国家自然科学基金资助项目 （ 51308198 ） ； 湖南省科技计 划项目 （ 2013GK3086） ； 湖南省教育厅一般项目（ 13C119） 。 第一作者： 曾向军，男，1974 年出生，硕士，高级工程师。 通信作者： 邓宗伟，teapotd@ 163． com。 收稿日期： 2014 － 11 － 20
本研究通过对洞庭湖区软土的循环动三轴试验， 考察动应力幅值、振动频率和固结围压等加载条件对 湖相软土动变形、动孔隙水压力和动弹性模量等动力 特性的影响，并在此基础上建立累积应变和动孔压的 经验模型，为湖相软土路基的动力分析提供参考。
1 湖相软土动三轴试验 1. 1 仪器与土样制备
试验采用 DDS － 70 微机控制单向电磁式振动 三轴仪。
T233
T311
T312
T313
T321
T322
T323
T331
T332
T333
εa包括可恢复的弹性应变（ 单幅动应变） εd和累积塑 性应变 εp两部分。 2. 1 轴向累积应变发展规律 2. 1. 1 动应力幅值对累积应变的影响
取振动频率和围压相同，但动应力幅值不同的 3 个试样（ T131、T231、T331） ，分析动应力幅值对软土 轴向累积应变的影响，如图 1 所示。由图 1 可知，在 其他条件一定时，动应力幅值越大，饱和软黏土轴向 累积应变也越大，尤其是当振动次数达到 1 000 次时， 动应力幅值从 20 kPa 增加至 40 kPa，轴向累积应变 由 2. 15% 增加到 6. 46% ，增幅达到 300% 。由此可 见，动应力幅值对软土轴向累积应变的影响非常显 著。因此，为了减小运营期间道路的不均匀沉降，应 严格控制车载重量和车速，杜绝超载、超速。