考虑主应力轴旋转的交通荷载下黏土变形特性试验研究_樊金甲.pdf

第 40 卷第 2 期2023 年 2 月公路交通科技Journal of Highway and Transportation esearch and DevelopmentVol.40No.2Feb 2023收稿日期:20210915作者简介:樊金甲(1971)，男，陕西西安人，硕士，正高级工程师.(fjjia )doi:10.3969/j.issn.10020268.2023.02.006考虑主应力轴旋转的交通荷载下黏土变形特性试验研究樊金甲(杭州交通投资建设管理集团有限公司，浙江杭州310013)摘要:软黏土广泛分布于东南沿海地区，工程性质极差。为探讨考虑主应力轴连续旋转的复杂交通荷载应力路径作用下饱和软黏土的变形特征，对温州地区饱和原状软黏土进行了一系列不同加载条件下的动态空心圆柱扭剪试验。研究了动应力幅值和主应力轴旋转程度对饱和软黏土轴向应变、滞回曲线等力学特性的影响。利用此结果和应力应变滞回曲线，再结合前人给出的动骨干曲线模型，提出了考虑主应力轴连续旋转的交通荷载下的修正 HardinDrnevich(HD)动骨干曲线模型。结果表明:在交通荷载作用下，饱和软黏土轴向应变和回弹应变随着竖向循环应力比(CS)和扭转动应力比的增大而呈现增长趋势，土体存在刚度软化现象;对比考虑主应力轴连续旋转和不考虑主应力轴连续旋转的交通荷载，发现前者会加剧试样变形，甚至导致试样提前破坏;试样在前期阶段轴向应变与回弹应变逐渐增大，在第 1 000 次循环下轴向应变与回弹应变基本达到稳定值;该模型所得的预测值与试验值较吻合，与传统的 HD 骨干曲线模型相比，该模型能很好体现土体在考虑主应力轴旋转的复杂交通荷载应力路径作用下的变形特征，更符合实际，弥补了骨干曲线在交通荷载研究领域的空白。关键词:道路工程;骨干曲线;动空心圆柱扭剪仪;软黏土;交通荷载;主应力轴旋转中图分类号:TU443文献标识码:A文章编号:10020268(2023)02003608Experimental Study on Deformation Characteristics of Clay under Traffic LoadConsidering Principal Stress Axis otationFAN Jin-jia(Hangzhou Transport Investment and Construction Management Group Co，Ltd，Hangzhou Zhejiang 310013，China)Abstract:Soft clays are widely distributed in the southeast coastal area of China with poor engineeringproperties In order to investigate the deformation characteristics of saturated soft clay under complex trafficload stress path considering continuous rotation of principal stress axis，a series of dynamic hollow cylindertorsional shear tests on saturated undisturbed soft clay in Wenzhou area under different loading conditions arecarried out The influences of dynamic vertical stress amplitude and principal stress rotation degree on themechanical properties of saturated soft clay such as axial strain and hysteresis curve are studied Based on thisresult，the stress-strain hysteresis curves and the dynamic backbone curve model proposed by the formerscholars，a modified HardinDrnevich(HD)dynamic backbone curve model under traffic loading withprincipal stress axis rotation is proposed The test result shows that(1)under traffic loading，the axial strainand resilient strain of saturated soft clay increase with the increasing vertical cyclic stress ratio(CS)andtorsional dynamic stress ratio，and the phenomenon of stiffness softening exists in soft clay;(2)comparingthe traffic loads with and without continuous rotation of the principal stress axis，it is found that the formerwill aggravate the deformation of the sample and even lead to failure of the sample in advance;(3)the axial第 2 期樊金甲:考虑主应力轴旋转的交通荷载下黏土变形特性试验研究strain and resilient strain increase gradually in the early period，and reach the stable value basically at the1 000th cycle;(4)the predicted value obtained by this model is in good agreement with the test value，compared with the traditional H D backbone curve model，this model can well reflect the deformationcharacteristics of the soft clay under complex traffic loading stress path with principal stress axis rotation，which is more in line with the reality，and fills the blank of backbone curve in the field of traffic loadresearchKey words:road engineering;backbone curve;dynamic hollow cylinder apparatus;soft clay;trafficloading;rotation of principal stress axis0引言软黏土为软弱黏性土简称，形成于第四纪晚期，广泛分布于我国沿海地区，具有天然含水率较高、抗剪强度较低、渗透性较小、压缩性较高等特点1。近年来，我国沿海地区经济发展迅速，交通运输大幅增加，道路工程也在不断建设，这些工程大都建设在软土地层上。交通荷载属于典型循环荷载，在交通荷载长期作用下，路基下土体结构受到扰动，易产生变形、稳定性降低等问题。软黏土工程性质不良，对扰动更为敏感23。因此，为有效提升沿海地区交通设施服役性能，控制维护成本，进行交通荷载下饱和软黏土力学特性研究尤为必要。路基下土体单元在车辆行驶过程中受到的应力变化较为复杂。图 1 为车辆由远驶近再驶远过程中，土体单元所受竖向循环应力 11、水平向循环应力22及剪应力 12的变化情况。由于剪应力在数值及方向上均发生变化，土体单元所受主应力方向发生连续旋转45。在 坐标下的交通荷载应力路径一般呈现为心脏形，如图 2 所示。Powrie 等6 据有限元分析指出，路基下土体单元所受剪应力随着土体深度衰减速度快于轴向应力，如图 3 所示。因此，土体在交通荷载作用下所受剪应力与轴向应力比值将随着深度增加而减小，即不同深度的土体所受主应力旋转程度有所不同。骨干曲线是土体动力特性研究中反映非线性应力应变关系的重要指标之一。Hardin 等78，汪明元等9 给出了动弹模和动阻尼比随剪应力幅值变化的表达式。黄娟等10 发现围压对泥炭质土的动变形特性影响最大，加载频率次之。丁瑜等11 采用砂与红黏土混合土样的三轴试验发现含细粒砂土的骨干曲线符合双曲线模型。廖红建等12，周文权等13，张勇等14 根据不同加载条件下的循环加载试验结果，指出了土的骨干曲线变化规律，并给出了动应力应变关系表达式。Huang 等15 采用双向三轴仪模拟交图1单循环交通荷载作用下土体单元所受应力分量时程曲线Fig.1Time history curves of stress components of soilelement under one-way cyclic traffic load图 2交通荷载典型心形应力路径示意图Fig.2Schematic diagram of typical cardioid stress path bytraffic loading通荷载，提出了考虑循环围压和振动次数的宁波软黏土主骨架曲线模型。当前，在大量学者研究基础上，骨干曲线模型大致分为 3 种:Hardin-Drnevich双曲 线 模 型78，1617，amberg-Osgood 模 型1819，及 Martin-Darvidenkov 模型。其中，Hardin-Drnevich(HD)模型常用于描述软黏土动力特性。此外，以上研究均基于三轴试验结果，三轴应力状态下的循环荷载并不能真实反映交通荷载中的主应力轴旋转作用，且以上研究的周期有限，在长周期循环荷载73公路交通科技第 40 卷图 3土体应力分量随深度的衰减速度变化示意图6 Fig.3Schematic diagram of attenuation rate of soil stresscomponent varying with depth下的土体骨干曲线研究较为少见。Cai 等20 利用空心圆柱扭剪仪对试样施加循环正应力与剪应力，证明了此种方法可以较好地模拟交通荷载。对此，本研究利用 GDS 动空心圆柱扭剪仪开展模拟交通荷载作用的饱和软黏土循环扭剪试验，分析了主应力轴旋转程度对土体力学特性的影响情况，并对 HD 骨干曲线模型进行了考虑主应力轴连续旋转作用的修正。1试样准备和试验仪器1.1试验土样与取样方法试验用土样均为原状土，取自温州某工地一个约 10 m 基坑的底部。为保证原状土的质量，将均匀涂抹凡士林的薄壁开刃圆筒管(直径 150 mm，长250 mm)缓慢地插入基坑底部，然后小心地将薄壁管取出，并将两端密封后运送回实验室，存放在恒温恒湿室内以备使用。试验所用软黏土的基本物理力学指标经测试，如表 1 所示。为了验证原状土的取土质量，根据 Lunne 等21 提出的方法，对温州土进行侧限压缩试验，根据此前研究中同一批次土样22 的验证结果，可知采用本研究取样方法所获得的原状试样扰动程度较小，取土质量良好。1.2试验仪器试验 所 用 仪 器 为 GDS 动 空 心 圆 柱 扭 剪 仪(DHCA)。该仪器可单独控制轴力 W，扭矩 MT，外围压 p0和内围压 pi，从而控制土体单元的应力状态(轴向应力 z，径向应力 r，切向应力 和剪应力表 1温州土的物理力学指标Tab.1Physical and mechanical indicators of Wenzhousoft clay物理力学指标测量值密度2.662.69天然含水率/%5659天然密度/(gcm3)1.681.71初始孔隙比1.551.59液限/%64塑性指数36黏粒含量/%55粉粒含量/%41z)。该仪器还可实现轴力与扭矩的动力加载波形的自定义，进而独立控制 3 个主应力的大小和大主应力方向角，从而实现主应力轴连续旋转，可用以模拟交通荷载。根据 Hight 等23 的研究，土体单元在 DHCA 中的应力与应变分量可由表 2 中的算式得出。表 2计算方程Tab.2Equations应力分量/kPa应变分量/%轴向分量z=W(r2or2i)+por2opir2i(r2or2i)z=zH环向分量r=poro+piriro+ri=uo+uiro+ri径向分量=poropirirorir=uouirori剪切分量z=T232(r3or3i)+4(r3or3i)3(r2or2i)(r4or4i)rz=(r3or3i)3H(r2or2i)大主应力(变)1=z+2+z2()2+2z槡1=z+2+z2()槡+2z中主应力(变)2=r2=r小主应力(变)3=z+2z2()+2z槡1=z+2z2()2+2z槡2试验过程在进行试验之前，首先利用特制推土器将土样从取样管中缓慢取出，然后用标准试样切样器24 将取出的土样切制成试验所需尺寸(外径 100 mm，内径 60 mm，高 200 mm)。随后将试样装入动空心圆柱扭剪仪。首先进行反压 300 kPa、有效围压 20 kPa的饱和步骤，饱和时间为 24 h，通过 B 值检测来确83第 2 期樊金甲:考虑主应力轴旋转的交通荷载下黏土变形特性试验研究定试样的饱和度，当 B 值大于 0.97 时，认为试样饱和完成。然后进行有效围压 100 kPa 的各向等压固结，固结时间约 48 h，当试样的体积变化小于100 mm3/h 时，认为固结完成。在这之后，保持内外围压不变，采用自定义波形对试样施加轴力和扭矩，进行不排水循环扭剪试验，加载波形如图 4 所示。图 4加载波形示意图Fig.4Schematic diagram of loading waveforms试验中，为区分竖向循环荷载作用及不同程度的主应力轴旋转作用，采用竖向循环应力比 VCS 和扭转动应比 这 2 个指标进行定义，二者定义如下:VCS=cycz2p0，(1)=cyczcycz，(2)式中，cycz和 cycz分别为循环轴向应力幅值和循环扭剪应力幅值;p0为固结完成后有效平均主应力。扭转动应比 越大则主应力轴旋转程度越大，当扭转动应比 为 0 时对应单维度循环加载试验。试验方案详见表 3，共进行 10 个考虑不同 VCS和 值的循环扭剪试验，所有试验的加载频率为0.1 Hz，每一圈循环记录 50 个点。除一个试样在试验过程中提前破坏(轴向应变超过 5%)，其余试验的循环次数均为 1 000 次。3试验结果3.1轴向应变图 5 为不同加载条件下轴向应变 z随循环周次N 的发展情况。与单维度循环加载试验结果相似，前期试样应变迅速增长，短期内完成大部分应变累积，随后应变增长速率逐渐放缓，试验后期应变发展逐渐趋于稳定(除破坏试样 T0.200.50 外)。对于常见单维度循环加载试验，VCS 越大，试验受扰动后所产生的轴向应变越大。而在同一 VCS 下，高表 3循环扭剪试验加载方案Tab.3Loading scheme of cyclic torsional shear test试验编号循环轴向应力幅值/kPa循环扭剪应力幅值/kPa竖向循环应力比扭转动应力比循环周次/次T0.050.50105.00.050.501 000T0.100.00200.00.100.001 000T0.100.25205.00.100.251 000T0.100.502010.00.100.501 000T0.150.00300.00.150.001 000T0.150.25307.50.150.251 000T0.150.503015.00.150.501 000T0.200.00400.00.200.001 000T0.200.254010.00.200.251 000T0.200.504020.00.200.50125图 5不同动应力加载下轴向应变随循环次数发展情况Fig.5Axial strain vs.number of cycles under differentdynamic stress loads93公路交通科技第 40 卷扭转动应力比 对应的试验产生的轴向应变更大，说明即使竖向应力水平相同，不同主应力轴旋转程度仍将显著影响软黏土变形特性。例如，当 VCS=0.15 时，=0.00，=0.25，和=0.50，对应试验的应变发展程度依次递增，应变累积情况依次加剧，回弹应变 z，r(如图 5(a)所示)亦随之增大。以VCS=0.15 为例，当 N=1 000 圈时，试样 T0.150.00(=0.00)，T0.150.25(=0.25)和 T0.150.50(=0.50)对应的回弹应变分别为 0.054 8%，0.101 2%和 0.182 6%。3.2应力应变滞回线以试样 T0.200.25(VCS=0.20，=0.25)为例，图 6 为循环交通荷载作用下典型的应力应变关系曲线。第 10，100，500，950，980，1 000 圈滞回曲线如图 6 箭头所示。在前期加载阶段，滞回曲线比较陡峭，随循环圈数增加，滞回圈不断向右侧移动，且斜率逐渐减小，表明土体在循环交通荷载下饱和软黏土存在刚度软化现象。同时，各滞回圈在试验前期间距相对较大，随试验进行，各圈间距缩小，试验最后 50 圈甚至几乎重叠，说明此时试样轴向应变累积逐渐停滞，应变发展逐渐稳定。图 6典型应力应变滞回曲线Fig.6Typical stress-strain hysteresis curves为更好对比不同循环次数下的滞回曲线，试样T0.200.25 的第 10，100，500，1 000 圈滞回曲线经平移处理后(起始点都从原点开始)如图 7 所示。由于不排水循环交通荷载下土体孔隙水压力的累积，试样回弹应变与循环次数成正相关的关系，很好反映了软黏土刚度弱化的性质。3.3骨干曲线骨干曲线为土体受到不同动应力幅值作用后每一圈应力应变曲线顶点的连线，表示最大动应力与应变的关系，如图 8 所示。在循环荷载的作用下，滞回圈会被拉长，土体表现出刚度软化特征，因此，对于骨干曲线的确定方法并不唯一。通常取各动应图 7典型应力应变滞回曲线对比Fig.7Comparison of typical stress-strain hysteresis curves力水平下同一加载次数下的滞回圈数据来确定骨干曲线。张勇等14 针对同一循环试验下不同圈数的滞回圈进行分析，提出了包含动应力幅值、固结围压和循环周次等影响因素的动骨干模型。廖红建等12 将某一应力幅值下的滞回圈中心移至原点消除累积残余应变，然后采用所有滞回圈均值(共 10 圈)来拟合构造骨干曲线模型。以上学者所采用的骨干曲线模型均为修正 Hardin-Drnevich 模型，而软黏土也常采用这种模型来构造骨干曲线，即对 HD 模型进行参数的修正。图 8土体材料应力应变骨干曲线示意图Fig.8Schematic diagram of stress-strain backbonecurve of soil materialHD 模型通常表现为双曲线形式，即:cycz=z，ra+bz，r，(3)式中，cycz，z，r分别为动应力幅值及回弹应变;a，b 均为与试验相关的参数，其中，a 为土体最大回弹模量 的 倒 数1Emax;b 为 土 体 极 限 动 应 力 的 倒 数1z，max14，如图 8 所示。根据图 6 所示的应力应变滞回曲线可知，试样04第 2 期樊金甲:考虑主应力轴旋转的交通荷载下黏土变形特性试验研究在 1 000 次循环之后，轴向应变发展趋于稳定，因此，可采用该稳定状态进行骨干曲线的构造，即采用第 1 000 次循环滞回圈来对 HD 模型进行考虑主应力轴连续旋转的骨干曲线修正。图 9 展示了不同主应力轴旋转程度下的骨干曲线，该骨干曲线呈典型双曲线型，且随主应力轴旋转程度增加，骨干曲线形态受到明显影响，主应力轴旋转程度越高则骨干曲线越低，表明主应力轴旋转作用将明显衰弱软黏土动力特性。采用式(3)对曲线拟合。拟合结果与原试验数据能很好地吻合。图 9不同扭转动应力比下的骨干曲线Fig.9Backbone curves with different s图 10 为骨干曲线参数 a，b 与扭转动应力比 的关系，参数 a 与扭转动应力比 呈较好的线性关系，可表示为:a=0.002+0.001。(4)式(4)说明土体最大弹性模量的倒数与主应力轴旋转程度成正比，则有:Emax=10.002+0.001。(5)参数 b 与扭转动应力比 的关系可表示为:b=0.032 52+0.029 9+0.014 8。(6)图 10a、b 与 之间的关系Fig.10elationships between a，b and 将式(4)、(6)代入式(3)，可建立考虑主应力轴连续旋转的修正 HD 骨干曲线模型:cycz=z，r0.002+0.001+(0.032 52+0.029 9+0.014 8)z，r。(7)为验证该修正模型预测能力，开展验证试验Test0.050.25(VCS=0.05，=0.25)，其轴向应变随循环次数发展情况如图 11 所示，在第 1 000 次循环时，应变累积基本达到稳定值。14公路交通科技第 40 卷图 11试验 Test0.050.25 轴向应变随循环次数发展情况Fig.11Axial strain vs.number of cycles in testTest0.050.25图 12 展示了两种骨干曲线模型与实测试验数据的对比结果，在 1 000 次循环后其回弹应变 为0.020 3%。考虑了主应力轴旋转修正的 HD 骨干曲线模型预测结果为 0.019 8%，与实测值误差率为2.46%，而不考虑主应力轴旋转的传统 HD 骨干曲线模型与实测值的误差率达 38.45%。图12考虑主应力轴旋转的骨干曲线与传统的骨干曲线的对比Fig.12Comparison between backbone curve consideringprincipal stress axis rotation and the traditionalbackbone curve与传统的 HD 骨干曲线模型相比，该模型能够很好地体现考虑主应力轴连续旋转的交通荷载作用下软黏土的刚度弱化特性，与实际更加相符。4结论(1)采用动空心圆柱扭剪仪(DHCA)模拟交通荷载可以控制主应力方向轴的连续旋转，与传统未考虑主应力轴旋转的三轴试验相比，土样轴向变形将会加剧。(2)竖向循环应力比 VCS 和扭转动应力比 的改变对软黏土的动力力学性质的影响比较明显。在交通荷载作用下，轴向应变和回弹应变随着 VCS和 的递增而增大，土体存在刚度软化现象。(3)随循环次数增加，轴向应变和回弹应变总体呈现增长的趋势，但是循环发展到第 1 000 次时，两者都几乎达到稳定值。可采用该稳定状态进行骨干曲线模型的建立。(4)传统的 HD 骨干曲线模型并未考虑交通荷载下主应力轴连续旋转对土体的作用。因此，在 HD 模型基础上进行修正，建立考虑主应力轴连续旋转的修正 HD 骨干曲线模型，且与试验结果进行对比，验证了该模型的准确性，从而弥补了骨干曲线在交通荷载研究领域的空白。参考文献:eferences:1郭林，蔡袁强，王军，等 长期循环荷载作用下温州结构性软黏土的应变特性研究 J 岩土工程学报，2012，34(12):22492254GUO Lin，CAI Yuan-qiang，WANG Jun，et al Long-termCyclic Strain Behavior of Wenzhou Structural Soft Clay J Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2012，34(12):22492254 2叶耀东，朱合华，王如路 软土地铁运营隧道病害现状及成因分析 J 地下空间与工程学报，2007，3(1):157166YE Yao-dong，ZHU He-hua，WANG u-lu Analysis onthe Current Status of Metro Operating Tunnel Damage inSoft Ground and Its Causes J Chinese Journal ofUnderground Space and Engineering，2007，3(1):157166 3林清辉，严佳佳，董梅 含应力旋转路径条件下黏土非共轴变形特性 J 公路交通科技，2017，34(3):714LIN Qing-hui，YAN Jia-jia，DONG Mei Non-coaxialDeformation Behavior of Clay with Various Stress otationPaths J JournalofHighwayandTransportationesearch and Development，2017，34(3):714 4ISHIKAWA T，SEKINE E，MIUA S Cyclic Deformationof Granular Material Subjected to Moving-wheel LoadsJ Canadian Geotechnical Journal，2011，48(5):691703 5张树光，陈雷，刘文博，等 主应力轴旋转条件下饱和粉质黏土应变特性及非共轴性的试验研究 J 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