[科普中國(guó)]-欠固結(jié)粘土

簡(jiǎn)介

欠固結(jié)土的力學(xué)特性不同于正常固結(jié)土也有別于超固結(jié)土。欠固結(jié)土的孔壓和強(qiáng)度特性與正常固結(jié)土固結(jié)機(jī)理的本質(zhì)區(qū)別，正常固結(jié)土初始孔壓等于靜水壓力，而欠固結(jié)土前者大于后者。利用現(xiàn)場(chǎng)CPT試驗(yàn)測(cè)定欠固結(jié)土剪切強(qiáng)度的方法，分析了超固結(jié)比對(duì)欠固結(jié)土海洋土力學(xué)特性的影響。此外，還對(duì)比了正常固結(jié)、超固結(jié)與欠固結(jié)土的模量變化規(guī)律。國(guó)內(nèi)學(xué)者中，居俊突破了以往孔壓靜力觸探(CPTU)技術(shù)計(jì)算超固結(jié)比只適用于超固結(jié)土的限制，確定出了由CPTU來定量評(píng)價(jià)欠固結(jié)度的方法。李作勤指出欠固結(jié)土所受應(yīng)力水平的不同是造成孔隙水壓力和剪切應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系變化的重要因素，即不同壓密程度的欠固結(jié)土?xí)憩F(xiàn)出不同的性質(zhì)。劉元雪通過原狀土與重塑土不同應(yīng)力路徑的三軸試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明:欠固結(jié)土結(jié)構(gòu)性的增強(qiáng)可以使土樣的內(nèi)摩擦角增大，對(duì)于欠固結(jié)土結(jié)構(gòu)性的破壞體應(yīng)變要強(qiáng)于剪應(yīng)變。路德春以劍橋模型和修正劍橋模型為基礎(chǔ)，利用插值法理論上得出了可以反映土體欠固結(jié)程度的彈塑性本構(gòu)模型1。

循環(huán)荷載下軟粘土動(dòng)力特性研究關(guān)于循環(huán)荷載作用下的飽和軟粘土動(dòng)力特性，主要有以下研究。挪威土工研究所的Andersen等對(duì)典型的Drammen軟粘土進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究，以期獲得更多的研究成果來支持北海重力式石油平臺(tái)工程的順利進(jìn)行;日本Matsui等主要研究了這種具有高塑性指數(shù)的粘土在孔隙壓力變化發(fā)展方面的動(dòng)力性質(zhì)，并著重分析了殘余孔壓與循環(huán)荷載作用歷史對(duì)于剪切作用的影響;Kagawa等主要研究了軟粘土的動(dòng)剪切模量與阻尼比隨剪應(yīng)變的變化規(guī)律，并進(jìn)一步深入具體研究了軟粘土小應(yīng)變剪切模量的影響因素和計(jì)算方法;Matasovic和Vucetic以具有高塑性特點(diǎn)的VPN粘土為對(duì)象，通過多組不同超固結(jié)比下的室內(nèi)試驗(yàn)，研究了超固結(jié)比對(duì)于土樣軟化的影響;Martin等分析了巖土材料峰值強(qiáng)度各向異性并建立了用來描述巖土材料臨界破壞狀態(tài)和峰值強(qiáng)度的剪切破壞準(zhǔn)則;Jun Wang和Yuan-Qian等分析了初始剪應(yīng)力對(duì)軟粘土強(qiáng)度、應(yīng)變累積及循環(huán)軟化的影響，得到了軟粘土的非線性軟化模型;王軍和蔡袁強(qiáng)等究了杭州飽和軟粘土孔壓、軟化指數(shù)與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系并得到了考慮土體結(jié)構(gòu)性的軟粘土的破壞標(biāo)準(zhǔn)。

隨著雙向循環(huán)三軸儀的出現(xiàn)，對(duì)雙向循環(huán)荷載下土體的動(dòng)力特性研究也有所報(bào)道。與單向軸向加載作用相比，在軸向與徑向復(fù)合加載下土體的的動(dòng)強(qiáng)度大小與變形特點(diǎn)發(fā)生了顯著的變化。Ishihara等通過單元體雙向直剪和單向直剪試驗(yàn)得出:在雙向循環(huán)加載路徑下，土體的破壞剪應(yīng)力比只有單向循環(huán)加載路徑下相應(yīng)剪應(yīng)力比的65%左右。Ishihara等通過砂土的雙向振動(dòng)試驗(yàn)表明:雙向振動(dòng)下土體的峰值孔壓要高于單向振動(dòng)的20%累積變形高于單向振動(dòng)的12%土體的抗液化能力要明顯弱于單向振動(dòng)的情況。栗茂田等通過不固結(jié)不排水雙向循環(huán)荷載試驗(yàn)研究了初始剪應(yīng)力對(duì)重塑飽和軟粘土的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系與孔壓發(fā)展情況的影響，并通過進(jìn)一步分析建立了雙向禍合循環(huán)加載下土體的破壞準(zhǔn)則。ChuanGu、Jun Wang等研究了循環(huán)圍壓和循環(huán)偏應(yīng)力耦合作用下飽和溫州軟粘土的動(dòng)力特性，發(fā)現(xiàn)相比較于單向循環(huán)偏應(yīng)力的作用，循環(huán)圍壓的加入使土樣的累積變形發(fā)展速率大大加快，這也就說明了復(fù)雜的應(yīng)力路徑對(duì)土體的影響很大。

在研究了雙向循環(huán)作用下飽和軟粘土動(dòng)力性質(zhì)后，又有學(xué)者將研究對(duì)象放到了交通荷載所引起的土體在主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)復(fù)雜應(yīng)力路徑下的動(dòng)力特性試驗(yàn)研究與試驗(yàn)?zāi)M上。國(guó)外學(xué)者如Grade等利用空心圓柱系統(tǒng)對(duì)重塑軟粘土進(jìn)行了一系列主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)應(yīng)力路徑試驗(yàn)，得出了主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)對(duì)于長(zhǎng)期循環(huán)荷載作用下軟粘土變形特性的影響不可忽略。國(guó)內(nèi)學(xué)者沈揚(yáng)根據(jù)進(jìn)行的大量軟粘土試驗(yàn)得出在排水試驗(yàn)中主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)并不會(huì)影響土體的整體強(qiáng)度而是影響土體的原狀各向異性，具體地說便是主應(yīng)力軸單向旋轉(zhuǎn)所造成的固結(jié)效果使土樣的原狀各向異性軸旋轉(zhuǎn)。栗茂田等[[26]也對(duì)飽和軟粘土的主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)研究，但是大多得出的只是試驗(yàn)現(xiàn)象的描述，缺少理論定量的成果。另外，由于試驗(yàn)儀器的局限，上述大部分研究也僅限于考慮主應(yīng)力軸定向旋轉(zhuǎn)的影響而較少涉及連續(xù)旋轉(zhuǎn)的影響，更無法未能模擬出小主應(yīng)力循環(huán)變化的工程實(shí)際情況2。

循環(huán)荷載下軟粘土變形及路基沉降研究方面就交通荷載下軟土地基長(zhǎng)期沉降的分析方法來看，最理想方法無疑是直接將經(jīng)典的動(dòng)力彈塑性模型與Biot動(dòng)力有限元分析相結(jié)合，從而將動(dòng)力問題的應(yīng)力、變形與孔壓禍合在一個(gè)數(shù)值分析中。然而，這種方法需要準(zhǔn)確模擬每一個(gè)循環(huán)加載過程，難以分析高達(dá)數(shù)百萬次交通往復(fù)循環(huán)荷載下的路基變形問題。因此，長(zhǎng)期以來預(yù)測(cè)交通荷載下的路基沉降仍求助于擬靜力方法，即基于室內(nèi)試驗(yàn)建立累積塑性變形與循環(huán)次數(shù)之間直接關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)方法并與分層總和法相結(jié)合最終實(shí)現(xiàn)路基沉降預(yù)測(cè)。

在該方面，Seed等較早地研究了循環(huán)荷載作用下壓縮性粘土的變形特性，但是由于早期試驗(yàn)儀器的不足，并未能確定有效變形的具體數(shù)值。Monismith等has研究了軟粘土路基土在重復(fù)荷載作用下?lián)魧?shí)條件、應(yīng)力水平和應(yīng)力次序?qū)τ谰米冃蔚挠绊?。Jin和Miura考慮初始應(yīng)力場(chǎng)的影響，對(duì)模型進(jìn)行了進(jìn)一步的修正，但確定新引入的參數(shù)仍有一定困難。國(guó)內(nèi)這方面的研究起步較晚，主要針對(duì)加載次數(shù)、加載頻率和波形、應(yīng)力水平及超固結(jié)土超固結(jié)比等影響因素來研究國(guó)內(nèi)不同地區(qū)軟土的循環(huán)加載特征。交通荷載作用下，土體所受應(yīng)力水平遠(yuǎn)小于土體的抗剪強(qiáng)度，但作用數(shù)量巨大，王軍，蔡袁強(qiáng)等研究結(jié)果表明，高循環(huán)次數(shù)下軟粘土應(yīng)變累積模式與低循環(huán)次數(shù)相比相差很大，傳統(tǒng)的模型無法準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)2。

總結(jié)研究對(duì)象主要是溫州地區(qū)的欠固結(jié)軟粘土，由于土的形成歷史的特殊性，因?yàn)榇嬖谥鞣N復(fù)雜的特性，而交通循環(huán)荷載下軟粘土的靜動(dòng)力性質(zhì)研究更是一項(xiàng)比較復(fù)雜和艱難的工作，需要考慮的因素及解決的問題很多。雖然對(duì)欠固結(jié)軟粘土進(jìn)行了不排水剪切試驗(yàn)與循環(huán)三軸試驗(yàn)，并在試驗(yàn)結(jié)果分析的基礎(chǔ)上得出了一些靜動(dòng)力方面的初步性質(zhì)，主要有以下幾個(gè)方面還需要進(jìn)行深入的研究:

1需要考慮更多的影響因素，進(jìn)行更多的相關(guān)的室內(nèi)振動(dòng)試驗(yàn)對(duì)不同初始偏應(yīng)力歷史以及不同振動(dòng)頻率對(duì)溫州欠固結(jié)軟粘土動(dòng)力特性進(jìn)行分析。更進(jìn)一步，如果時(shí)間充足，在相同的控制因素下，進(jìn)行多組試驗(yàn)，減小試驗(yàn)過程中由于土樣的離散性、試驗(yàn)者的操作以及試驗(yàn)儀器所造成的試驗(yàn)結(jié)果誤差。

2試驗(yàn)中如何更貼近實(shí)際地模擬交通荷載也是需要更深入地考慮的。恒定圍壓下的循環(huán)三軸試驗(yàn)對(duì)于交通荷載的模擬是非常粗略的，因而可以考慮進(jìn)一步開展雙向循環(huán)三軸試驗(yàn)來研究在雙向循環(huán)荷載下欠固結(jié)軟粘土的動(dòng)力性質(zhì)。另外，還可以進(jìn)行空心圓柱試驗(yàn)來研究主應(yīng)力軸連續(xù)旋轉(zhuǎn)以及中小主應(yīng)力循環(huán)變化對(duì)欠固結(jié)軟粘土動(dòng)力性質(zhì)的影響3。