间歇振动荷载致黏土刚度软化试验研究.pdf

文章编号-0008-08NO.9(Ser.300)JOURNALOFRAILWAYENGINEERINGSOCIETY第9 期（总3 0 0）Sep2023程报学道铁2023年9 月间歇振动荷载致黏土刚度软化试验研究童立红薛威徐长节刘明明（华东交通大学，南昌3 3 0 0 13）摘要：研究目的：黏土在间歇动载作用下的刚度软化是黏土重要的动力特性之一，同时土体在间歇期会发生内部结构的调整，从而对土体的力学性质产生影响。为探究间歇动载作用下黏土刚度的变化特性，采用共振柱试验系统，对南昌地区粉质黏土在间歇振动荷载作用下的模量软化及恢复进行研究。试验中详细地研究了荷载幅值、含水率、围压等因素对土体模量变化的影响，并引入土体模量演化模型，对土体软化和恢复的关键影响因素进行分析。研究结论：（1)随施加动载幅值的逐渐增加，土体模量软化程度也显著增强；含水率对土体软化指数的影响与其对干密度影响相似；（2)增大围压能够提高土体的抗软化能力，有利于减小土体在间歇性动载下所产生的变形；（3）黏土在间歇动载作用下的软化和恢复可以统一由所引人的理论模型进行描述，证实了所引入的理论模型的适用性；（4）尽管本文是针对区域性土进行的研究，但是采用的分析方法、使用的模型及相应的结论可以推广至其他地区黏土相关性质的研究。关键词：黏土；间歇动载；模量软化；试验分析；理论模型中图分类号：TU411.3文献标识码：AExperimentalStudyonStiffnessSofteningofClayunderIntermittentVibration LoadsTONG Lihong,XUE Wei,XU Changjie,LIU Mingming(East China Jiaotong University,Nanchang,Jiangxi 330013,China)Abstract:Research purposes:The stiffness softening of clay under intermittent dynamic load is one of the importantdynamic characteristics of clay.At the same time,the internal structure of clay will be adjusted in the intermittentperiod,which will affect the mechanical properties of soil.In order to investigate the variation characteristics of claystiffness under intermittent dynamic load,the modulus softening and recovery of silty clay in Nanchang area underintermittent vibration load were studied by using resonance column test system.The influences of load amplitude,watercontent,confining pressure and other factors on the soil modulus were studied in detail,and the soil modulus evolutionmodel was introduced to analyze the key influencing factors of soil softening and recovery.Research conclusions:(1)The softening degree of soil modulus increases significantly with the increase of dynamic loadamplitude.The effect of water content on soil softening index is similar to that on dry density.(2)Increasing confiningpressure can improve the softening resistance of soil and reduce the deformation of soil under intermittent dynamic load.(3)It is found that the softening and recovering of clay under intermittent dynamic load can be described by theintroduced theoretical model,which confirms the applicability of the introduced theoretical model.(4)Although thestudy in this paper is for regional soils,the analytical methods,models used and corresponding conclusions can be米收稿日期：2 0 2 2-0 4-0 6基金项目：国家自然科学基金项目（5 2 2 7 8 3 5 0,5 2 16 8 0 49）；国家自然科学基金高铁联合基金项目（U1934208）；江西省科技合作专项项目(20212BDH81034)*作者简介：童立红，19 8 8 年出生，男，教授，博士生导师。童立红威第9 期徐长节等：间歇振动荷载致黏土刚度软化试验研究薛9generalized to the study of clay-related properties in other areas.Key words:clay;intermittent vibration load;modulus softening;experimental analysis;theoretical model在工程中黏土地基常常需要承受交通、地震等因素引起的循环动载，表现出复杂的动力特性。前期的研究表明，土体含水率 1、主应力方向 2 、超固结比 3 等均对土体的刚度软化有着重要影响。另外，黏土具有触变性,扰动后随着静置时间的增长,其力学性质会发生较大变化。张目极等 4 曾对不同地区的土质开展了触变性试验研究，结果表明不同区域的土体均存在一定的触变性。在受到间歇的非连续性动载时,由于触变性的存在，黏土刚度软化和恢复变得更加复杂。Yildirim和Ersan5】对高塑限黏土进行了间歇的循环加载，得到了加载和停振期土体的应变和孔压变化规律；郑晴晴等 6 设计了不同动应力比、间歇时长和振动时长的动三轴试验，结果表明间歇期动力特性的改变削弱了软土孔压和应变响应，导致其后续加载稳定时的最大残余孔压和应变明显降低。上述研究表明,黏土在间歇期发生了内部结构的调整,从而有着更强的抵抗变形的能力。考虑交通荷载的低频、低幅、间歇性等特点 7 ,间歇的小应变动载更符合路基的实际工况。因此在对沉降变形有着较高要求的工程中，有必要考虑循环加载下路基土体刚度变化的影响。因此本文从模量变化的角度对土体的动力特性进行分析，通过共振柱试验系统对南昌地区典型粉质黏土动力作用下刚度软化及恢复规律进行了试验研究。重点分析了输入动应变、围压、含水率等因素对土体刚度软化及恢复的影响,并通过模量演化模型对试验结果进行描述。1试验方案试验采用的粉质黏土取自南昌某建筑工地，土样的物理参数如下：比重G。=2.6 1,液限wL=38.9%，塑限w。=2 2.2%,塑性指数I.=16.7。土样经烘干、碾碎后调配至目标含水率并击实成样。试样为直径d=38mm、高度h=78mm的标准圆柱体，如图1（a）所示。试验所使用的共振柱系统如图1（b）所示。该系统可以通过控制电压间接控制施加在试样上的动载幅值，从而测得试样在不同动应变下的剪切模量。施加在试样上的围压可通过与压力室相连的气压控制箱进行调节，在试验开始前，先将围压调至目标值并静置固结4h以确保试样进人稳定状态。为了研究不同动载作用下试样模量演化规律，在试验的过程中先保持电压恒定，持续对试样进行加载以获得模量随时间的变化，随后停止振动并静置试样，期间间断性地(a）粉质黏土试样数据采集电压、围压控制(b）共振柱试验系统图1试验试样及测试系统测量模量的恢复情况。恢复阶段，对模量的间歇性测量持续时间很短（不超过2 0 s），以削弱测量所施加的动载对试样模量的影响。此外，为更好地观测模量的恢复，恢复期内，测量间隔时间先密后疏以对应模量的恢复速率，如图2 所示。由于仪器精度和试验时长的限制，完整地模拟真实路基工况较为困难，因此这里采取了设置相似间歇比R的方法：设间歇时间与加载时间之比等于间歇比R,通过控制间歇比R引入间歇效应的影响。以铁路列车荷载为例，普通8 节车厢列车长度18 8.8 m，行驶速度取12 0 km/h，经过一点的时间为5.7 s，间歇时长取48 0 s，得到间歇比等于8 4.2。结合试验数据，动载下模量的软化在8 min后能够达到相对稳定的状态，故试验中持续振动时间设置了8 min（最不利情况）及5min（相对不利情况）。而当间歇比R大于5 时，模量的恢复已基本稳定，为缩短试验时长，试验中的间歇比R为5 6。本文的具体试验方案如下：方案I：控制围压为10 0 kPa，持续振动时间为8min,分别改变输人电压（试验中选取0.1V,0.2V,0.3V,0.4V）、含水率（试验中选取17%，18%，19%，21%，2 3%），研究其对土体模量软化及恢复的影响。2023年9 月报程学道铁10电压值/V固结阶段软化阶段恢复阶段厂扰动较小，可忽略不计输人电压/软化-恢复循环10观测点时间s1图2加载电压变化方案：控制试样含水率为18%，输人电压为0.3 V，改变围压（试验中选取5 0 kPa,100kPa,150kPa,200kPa），并按振动5 min后静置3 0 min重复加载，研究不同围压下土体的模量演化规律试验方案如表1所示表1试验方案试验试样含水率围压电压持续时间一恢复分组编号/%/kPa/V时间/min10.120.21810084030.340.415176187191000.38-40821923105011100180.35-30(循环)1215013202模量演化模型为描述小应变加载下土体的模量变化，引人状态参量对模量演化过程中土体的状态进行描述，并定义：=G(t)/Go(1)式中Go,G(t)一一土体的初始模量和在t时刻的模量；t,to施加动载后的某一时刻和初始时刻。由此，0 0表示土体的模量恢复。状态参量是对土体宏观模量的描述,其演化方程是未知的。为了得到状态参量的演化方程，可以假设其具有泰勒序列表达形式：0=ao+a,+a20+o(0)(2)由于系统处于平衡状态时，要求=0,因此有o=0;另外，系统在外界扰动下最终会趋于稳定,因此lim=0。基于这些条件，忽略式（2）中的高阶项,可得t-0o(t-to)-az0(t-to)=0G(t-to)(3)0(t-to)=G解式（3），得到归一化模量演化式如下：G(t)/Go=b-aln1+c(t-to)(4)式中,参数6 代表了土体在该时刻的初始状态（未扰动时b=1），当土体所受的扰动越严重，则b越小。参数和c则反映了土体模量软化或恢复的趋势与速率。当参数0时,土体处于软化阶段,反之则土体处于恢复阶段。土体模量的软化速率或恢复速率均随参数c的增加而增加。3试验结果及分析3.1电压对模量软化及恢复的影响输人电压直接反映了施加在试样上的激振力大小,故在不同的输入电压下，试样有着不同的初始动应变，如图3 所示，电压与动应变之间存在较好的线性关系。通过改变输入电压，得到在0.1V,0.2V,0.3V，0.4V电压下归一化模量的软化恢复的演化曲线，如图4所示。图4中也给出了理论对比结果。可见，童立红威徐长节等：间歇振动荷载致黏土刚度软化试验研究薛第9 期111.2510-41.00 10-47.5010-55.00 10-52.50 10-500.10.20.30.4电压/V图3初始动应变随输入电压变化1.000.950.900.850.80注：0.11V0.750.2V0.3V;0.4.V0.70拟合曲线0.6505001 000 1500 2 000 2 500 3 000时间s图4不同电压下归一化模量随时间的演化理论与试验结果吻合较好，证明了模量演化模型的适用性。在持续振动阶段，各输入电压下的试样均呈现出不同程度的软化，且随时间的增长趋于稳定。随施加电压的逐渐增加，试样初期的软化速率显著增加，相应地，振动结束后的模量软化程度也显著增强（归一化模量比值G,/G从0.9 5 4降低至0.7 11）。拟合得到了各电压下的模型参数和c，参数值随电压的变化关系如图5（a）所示，可以发现，它们的值均随电压的增大而呈非线性增大。在静置恢复阶段，不同输人电压下试样的模量均随静置时间的增加而升高且最后趋于稳定。如图5(b)所示，参数,c均随电压的增大而呈非线性减小，这反映了试样在经历不同程度扰动后有着不同的模量恢复速率。例如，在0.4V输入电压下试样经历的扰动程度较大，试样的恢复能力较弱,因此静置阶段初期试样的模量恢复速率也相对较低，参数a，c 分别为-0.1039,0.00282；而当输入电压为0.2 V时，试样的扰动程度相对较小，参数a,c分别为-0.0 12 3，0.075 423.2含水率对模量软化及恢复的影响Cokca等 8 研究了含水率变化对非饱和黏土内摩0.120.100.080.060.04注：0.02a;+C00.10.20.30.4电压/V(a）软化阶段0.080.040-0.04注：-0.08一a;-0.120.10.20.30.4电压/V(b)恢复阶段图5拟合参数、c 随电压变化擦角、黏聚力等力学参数的影响,结果表明随着含水量的增加，土体内摩擦角迅速减小，黏聚力在最佳含水率左右达到峰值，然后减小。为探究含水率对土体模量软化及恢复性质的影响，对试验土样进行击实试验得到了干密度变化曲线，如图6 所示。峰值点对应的最优含水率w=18.2%，最大干密度pa=1.77g/cm。按含水率为17%、18%、19%、2 1%和2 3%分别制备土样并击实制样进行试验（实测分别为16.8%、18.1%、19.3%、2 0.5%和2 3.1%），得到不同含水率下归一化模量随时间的变化曲线，如图7（a)所示。取各含水率下软化阶段结束时的归一化模量为软化指数8，软化指数8 随含水率的变化如图7(b)所示。软化指数8直观地反映了振动荷载结束时试样的模量软化程度。由图7(b)可以发现，试样的软化指数随含水率的增加与试样的干密度变化曲线相似，即表现为先升高后降低，在2 0.5%处存在极大值，这表明该含水率下试样软化程度最低，由图8 可以观察到含水率的变化对参数，c 值具有明显影响：在软化阶段，参数先降后升，在2 0.5%处存在极小值点；而参数c随含水率的增加迅速升高，说明含水率越大，参数c对含水率的变化越敏感。恢复阶段、c 在2 0.5%处存在峰值点，表明该含水率下试样的恢复速率最高2023年9 月报程铁学道1.80注：一拟合曲线；1.78试验数据1.761.741.721.701.681.661.6415161718192021222324含水率/%图6干密度与含水率曲线1.00.90.80.7注：16.8%;0.618.1%;19.3%;20.5%;0.523.1%;拟合曲线0.40500100015002000250030003500时间/s（a）不同含水率试样归一化模量随时间变化1.000.950.900.850.800.750.700.650.600.55,161718192021222324含水率/%（b）各试样软化指数随含水率变化图7不同含水率下归一化模量随时间变化0.10注：一一a;70C0.0860500.06D40300.04200.0210001617181920212223含水率/%(a)软化阶段01.0注:-a;0.9一C-0.020.80.7-0.040.60.50.40.060.30.2-0.080.10-0.10-0.117181920212223含水率/%(b)恢复阶段图：拟合参数a、c 随含水率变化3.3不同围压下的模量演化规律为研究土体在间歇循环动载下的模量演化规律，我们周期性地开启和关闭共振柱试验仪器以观察模量的变化规律。图9 为不同围压下,试样的归一化模量与初始模量之间的变化曲线和模型的理论曲线。从图9中可以看出，在间歇动载作用下土体的归一化模量反复地经历软化和恢复，围压对土体的模量演化过程影响显著。注：第一次循环；1.00第二次循环；第三次循环；0.95第四次循环；理论曲线0.900.850.800.750.7002.000400060008000时间/s(a)50kPa围压1.000.950.900.850.80注：第一次循环；第二次循环；第三次循环；0.75第四次循环；理论曲线02.000400060008 000时间/s(b)100kPa围压童立红威薛第9 期徐长节等：间歇振动荷载致黏土刚度软化试验研究11.001.000.95一0.950.900.900.85注：第一次循环；注：第一次循环；0.80第二次循环；0.85第二次循环；第三次循环；第三次循环；第四次循环；第四次循环；0.75理论曲线理论曲线0.8002.00040006000800002.000400060008000时间/s时间/s(c)150kPa围压(d)200kPa围压图9不同围压下归一化模量随时间变化模型参数和c随软化一恢复周期的变化趋势如图10(a）（d)所示。对模型参数进行分析，可以得出结论：随着软化恢复次数的增加，软化阶段的参数和c的值逐渐降低并趋于稳定（但不为零）。这表明试样在经历软化一恢复周期循环后内部结构发生了对振动载荷的适应性调整，试样软化程度减小，同时软化速率下降并最终趋于定值。此外由图10（a）、（b）可知，在软化阶段,随着围压的增加,参数的值减小，振动荷载作用下土体的软化能力减弱（振动结束时归一化模量比值G,/G.升高）；同时参数c的值增大，模量0.18注：-550kPa;0.16-iookPa;X150kPa;0.14200kPa0.120.100.080.060.040.0201234循环次数N/次(a）软化阶段参数a-0.01-0.02-0.035-0.04-0.05注：50kPa;i00kPa;-0.06X150kPa;一200kPa-0.071234循环次数N/次(c）恢复阶段参数a软化的初始速率加快。这说明增大围压能够限制土体的软化，这将有利于减小土体在间歇性动载下所产生的变形，并更快地达到稳定状态。类似地，恢复阶段的参数和c的值逐渐升高并趋于稳定，表明随循环次数的增加土体模量的恢复量逐渐减小，而恢复的速率逐渐加快。另一方面，围压的改变对恢复阶段的模型参数、c 的影响没有表现出明显的规律，这可能是由影响模量恢复的因素较复杂、不同试样之间存在差异性等原因造成的。0.40注：550kPa;0.35-1ookPa;X150kPa;0.30-200kPa0.250.200.150.100.05234循环次数N/次(b)软化阶段参数c1.8注：5 0 kPa:1.61ookPa;A-150kPa;1.4+200kPa1.21.0福0.80.60.40.201234循环次数N/次(d）恢复阶段参数c42023年9 月报程学道铁1.001.04注：5 0 kPa;iookPa;注:5 0 kPa;1.02-200kPa150kPa;0.95150kPa;iookPa;-200 kPa1.000.900.980.96-60.850.940.800.920.750.900.880.7012341234循环次数N/次循环次数N/次(e）软化阶段参数b(f）恢复阶段参数b图10拟合参数随循环次数变化参数6 代表了各个软化及恢复阶段的初始状态。由图10(e）、（f)可知,软化阶段参数b的值逐渐减小并趋于稳定，即间歇动载对土体形成了一定的扰动，使得土体在施加动载时的初始模量逐渐降低；而在恢复阶段参数b的值随循环次数N的增加逐渐增加并趋于稳定，这表明土体在经历反复地软化和恢复后动载对土体的扰动逐渐减小，土体的模量软化程度降低。同时，软化及恢复阶段的参数6 均随围压的增加而整体上升，即围压能够较好地限制动载下土体的刚度软化，这与前文对参数、c 的分析结果一致。从模型参数的变化规律可以看出，在经历有限次数的振动后土体的软化和恢复能力将趋于稳定。因此加载间歇过程中土体的模量演化过程可以用图11表示；随循环次数N的增加，模量变化的上限降低，同时模量变化的下限升高，加载后土体的模量变化范围和变化速率趋于恒定。宏观上来看，土体最开始处于未扰动时的稳定状态，施加动载后土体的内部结构重新调整，并趋于扰动后的稳定状态剪切模量G/MPa未扰动时的初始模量G。土体内部发生了不可逆的塑性应变，使得模量土体的模量恢复上限的恢复上限降低趋于稳定状态1土体在加载-间歇循环中内部结构对于动载的土体的模量软化下限调整，使得模量的软化下限升高11动载施加时间动载结束时间！0第一次动载第二次动载第三次动载第四次动载时间T/s图11加载一间歇循环过程中土体模量随时间变化趋势整体而言，土体在间歇小应变动载下的软化一恢复效应是土体的基本性质，且受围压、含水率和动载大小等因素的共同影响。在经历软化一恢复循环后，土体的软化能力逐渐减弱，恢复能力逐渐升高，并最终趋于稳定；此外，围压的升高会降低土体的软化能力。由于建立的模量演化模型能够较为准确地描述土体刚度的软化及恢复特性，可为工程实际提供参考。4结论本次试验对南昌地区黏土的击实试样进行了试验研究，基于模量演化模型分析了试验电压及土体含水率对土体模量软化及恢复的影响和不同围压下的模量演化，主要得出以下结论：（1）模量演化模型对试验结果的拟合误差在合理From P.7)上接第7 页童立红威徐长节等：间歇振动荷载致黏土刚度软化试验研究薛第9 期范围内，能够较好地描述小应变加载作用下黏土的刚度软化及恢复，不同因素对模量的演化的影响可通过模型参数、b、c 进行定量描述。（2）电压大小直接影响了土体的模量软化及恢复的程度，随电压的增大，试样初期的软化速率和软化程度均增加（参数、增加），同时恢复的速率降低（参数a、c 降低)。（3)不同含水率的试样性质存在较大差异，含水率变化对土体模量软化及恢复的影响存在峰值，在含水率为2 0.5%时试样的软化程度最小，恢复速率最快。（4）由间歇循环动载下模量演化的拟合参数的变化规律可知，在经历软化一恢复循环后，土体内部结构发生了对振动载荷的适应性调整；土体的软化能力逐渐减弱，恢复能力逐渐升高，并最终趋于稳定。此外，围压的升高会提高土体抗软化能力。参考文献：1王峻，石玉成，王谦，等天然含水率状态下原状黄土动强度特性研究 J.世界地震工程，2 0 12（4）：2 3-2 7.Wang Jun,Shi Yucheng,Wang Qian,etc.Study onDynamic Strength Properties of Undisturbed Loessunder Natural Moisture Content J.World EarthquakeEngineering,2012(4):23-27.2Hicher P Y,Lade P V.Rotation of Principal Directionsin Ko-consolidated Clay J.Journal of GeotechnicalEngineering,1987(7):774-788.4王瑞，胡志平，王雷，等.黄土地区重载铁路路堤动力响应及长期沉降 J.铁道工程学报，2 0 2 2（1）：7-12.Wang Rui,Hu Zhiping,Wang Lei,etc.DynamicResponse and Long-term Settlement of Heavy-haulRailway Embankment in Loess Area J.Journal ofRailway Engineering Society,2022(1):7-12.5Magistris F S,Tatsuoka F.Effect of Moulding WaterContent on the Stress-strain Behaviour of a CompactedSilty Sand J.Soils and Foundations,2004(2):85-101.6程培峰，宇德忠，徐云哲，季冻区粉砂土冻胀试验及路基冻胀模型 J.中外公路，2 0 11（2）：2 0-2 2.Cheng Peifeng,Yu Dezhong,Xu Yunzhe.Frost HeaveModel and Test of Silty Sand in Seasonal FreezingRegion J.Journal of China&Foreign Highway,2011(2):20 22.7宋宽.高地下水位粉砂土路堤变形特性研究 D.开封：3Vucetic M,Dobry R.Degradation of Marine Claysunder Cyclic Loading J.Journal of GeotechnicalEngineering,1988(2):133-149.4张目极，殷建风，王巍，等湛江组结构性黏土物理力学特性对其触变性的影响 J工程地质学报，2 0 2 1(4):1240-1246.Zhang Muji,Yin Jianfeng,Wang Wei,etc.Influence ofPhysico-mechanical Parameters of Structural Clay inZhanjiang Group on Its Thixotropy J.Journal ofEngineering Geology,2021(4):1240-1246.5Hiseyin Yildirim,Hayreddin Ersan.Settlements underConsecutive Series of Cyclic Loading J.Soil Dynamicsand Earthquake Engineering,2007(6):577-585.6郑晴晴，夏唐代，张孟雅。考虑间歇效应的循环荷载下软黏土刚度软化特性J.哈尔滨工业大学学报，2 0 2 0(11):88-96.Zheng Qingqing,Xia Tangdai,Zhang Mengya.StiffnessDegradation of Soft Clay under Cyclic LoadingConsidering Intermittency Effect J.Journal of HarbinInstitute of Technology,2020(11):88-96.7Ishikawatatsuya,Sekineetsuo,Miuraseichi.CyclicDeformation of Granular Material Subjected to Moving-wheel Loads J.Canadian Geotechnical Journal,2011(5):691.8Cokca E,Erol O,Armangil F.Effects of CompactionMoisture Content on the Shear Strength of anUnsaturated Clay J.Geotechnical&GeologicalEngineering,2004(2):285.河南大学,2 0 19.Song Kuan.Study on Deformation Characteristics ofSilty Soil Embankment with High Groundwater LevelD.Kaifeng:Henan University,2019.8孙静，公茂盛，熊宏强，等.冻融循环对粉砂土动力特性影响的试验研究 J.岩土力学,2 0 2 0（3）：7 47-7 5 4.Sun Jing,Gong Maosheng,Xiong Hongqiang,etc.Experimental Study of the Effect of Freeze-thawCycles on Dynamic Characteristics of Silty Sand J.Rock and Soil Mechanics,2020(3):747-754.9王欢，曹义康，任俊玺，等.干湿循环下粉砂土改良膨胀土强度特性分析 J.科学技术与工程,2 0 2 1（2 6）：113 3 6-11342.Wang Huan,Cao Yikang,Ren Junxi,etc.Analysis ofStrength Characteristics of Expansive Soil Modified withSilty Sand under Dry-wet Cycle J.S c ie n c eTechnology and Engineering,2021(26):11336-11342.