循環動荷載下軟粘土孔隙水壓力影響因素探討

王世彪陳慶豐付立峰

1. 廣東有色工程勘察設計院 廣東 廣州 510080

2. 遼寧省化工地質勘查院 遼寧 錦州 121000

巖土工程

循環動荷載下軟粘土孔隙水壓力影響因素探討

王世彪*1陳慶豐2付立峰2

1. 廣東有色工程勘察設計院 廣東 廣州 510080

2. 遼寧省化工地質勘查院 遼寧 錦州 121000

通過不同循環加載條件下模型試驗和現場原型監測試驗，研究在交通荷載條件下孔隙水壓力累積特性及發展規律，探討路基軟土在循環動荷載下產生累積特性的原因和主要影響因素，通過試驗分析得出了交通荷載下路基軟土中孔隙水壓力累積特性、發展規律以及影響累積特性的主要因素。

循環動荷載 交通荷載 孔隙水壓力 路基軟土 發展規律

1 引言

交通荷載作用下軟粘土中孔隙水壓力的產生、發展、消散及累積規律較為復雜，其影響因素很多，根據室內模型試驗結果和原位監測試驗結果分析，除了土體的物性（如土體類型、擾動程度、含水率、塑性指數、孔隙比等）外，還受荷載強度P、行車速度v、循環加載次數N的影響；另

外對章克凌【1】、周建【2，4】、陶振宇【1】、劉勝群【3】、吳建奇【3】等所做的動三軸循環荷載試驗結果的綜合分析，孔隙水壓力的產生、發展、消散及累積規律還受土體循環應力比η、超固結比OCR、頻率f、主應力方向角α等因素的影響。

通過對廣東省某高速公路試驗段進行的原位監測，就上述幾個影響因素，基于模型模擬試驗結果，對循環動荷載下路基軟土的孔隙水壓力的產生、發展、消散及累積規律進行探討。

2 室內模型試驗與野外現場監測

2.1 室內模型試驗

本試驗的模擬路基土采至廣東某高速公路軟基段施工場地，為淤泥質粉質粘土，取樣深度2m，呈柱狀，可塑，采用薄壁取土器，土試樣質量等級為Ⅰ級。通過室內常規物理力學試驗，得到土的物理力學性質指標如下：土的重度γ=16.8kN/m3,孔隙比e=1.808,含水量w=46.2%,液限wL=48%,塑限wP=27%,密度ρ=1.68g/cm3,塑性指數IP=21,粘聚力 c=2.8kPa,內摩擦角φ=12.80。通過幾何相似與物理相似原理的分析，結合實際試驗條件以及試驗的可行性和可操作性，本文模型模擬試驗是在 1.2m×1.0m×1.2m（長×寬×深）的坑道內完成的，引導車道總長8.0m，引導車道中軸線位置設置導槽。試驗過程中總共埋設3個動土壓力盒，埋設深度分別基層底面以下 15.0cm、45.0cm和85.0cm；埋設3塊沉降板，沉降板由正方形底板（長×寬×厚= 3.0m×3.0m×0.2cm）與長桿（φ=1.0cm）焊接制成，長度分別為 85.0cm、100.0cm和120.0cm，埋設深度與動土壓力盒位置對應基層底面以下15.0cm、45.0cm和85.0cm；埋設孔隙水壓力計1個，埋設深度為基層底面以下 15.0cm。不同荷載等級采用鐵砝碼進行加載，砝碼加載等級分別為10.0kg、30.0kg和50.0kg。當軟粘土預壓固結完之后，模擬交通荷載進行循環動荷載試驗。試驗循環加載次數為1～300次，

* 第一作者簡介：王世彪（1968～），男，主要從事水工環地質、巖土、工程勘察工作，高級工程師

表1 循環動荷載試驗參數Table 1 Parameters of cyclic dynamic load test

試驗內容包含兩部分：常規物理力學性質試驗及模擬交通荷載作用的循環動荷載試驗。常規物理力學性質試驗：在循環動荷載車輛加載前、后分別取樣進行試驗，用于對比分析車輛加載前、后路基土各物性指標的變化，確定車輛加載對路基土的力學性質的影響程度。通過模擬交通荷載作用的循環動荷載試驗，確定循環動荷載下路基土中動孔隙水壓力的累積效應及規律。確定動孔隙水壓力累積的控制因素及其影響規律，主要包括加載次數、車輛載重、車速及路基深度等4個方面。

2.2 野外現場監測

為驗證模型模擬試驗中動應力累積數據的可靠性和精確性，選取廣東省某高速公路某軟基標段作為本次原型監測的試驗段。動應力數據的量測采用陶土式動土壓力盒，采集儀器為配套的HCU-1型多路高速數據采集儀。

3 結果分析

3.1 循環應力比η對孔隙水壓力u的影響

循環孔隙比η分別取0.15、0.30、0.50、0.70所對應震動次數N與孔隙水壓力u的關系（圖1），由圖1可以看出：對應于同一加荷周數隨著循環應力比的增大，孔隙水壓力也不斷增大，當循環應力比較小時，隨著加荷周數的增加，土體的應變、孔隙水壓力逐漸增加，但增加的速率并不快，應變、孔隙水壓力在較大的加荷周數下達到破壞值；當循環應力比逐漸增加到某一值時，孔隙水壓力和應變隨加荷周數的增加迅速增加，并且在加荷周數較少的情況下很快破壞。

圖1 不同循環應力比η下震動次數N與孔壓比u的關系【3】Fig.1 Diagram of vibration times (N) vs. pore pressure ratio (u) under different cyclic stress ratio (η)

3.2 循環加載次數N對孔隙水壓力u的影響

循環加載次數N 與 孔隙水壓力u關系曲線如圖 2，可以看出：在較小荷載強度下，隨著循環加載次數的不斷增加，孔隙水壓力不斷增長，在加載次數較少的情況下，孔隙水壓力較小，但發展迅速，孔隙水壓力累積的速率較大；在較大荷載作用下，隨著循環加載次數的增加，孔隙水壓力發展迅速，累積速率逐漸減小，孔隙水壓力持續累積，其累積總量逐漸增大。

圖2 循環加載次數N 與 孔隙水壓力u關系曲線Fig.2 Diagram of cyclic load times (N) vs. pore pressure (u)

3.3 荷載強度P對孔隙水壓力u的影響

不同荷載強度P下循環加載次數N-孔壓u關系曲線由圖3可以看出：在較小荷載作用下，孔隙水壓力累積趨勢由快變慢，累積速率逐漸減小，孔隙水壓力最終趨于穩定；在較大荷載作用下，孔隙水壓力累積趨勢一直在增大，累積速率逐漸減小，孔隙水壓力持續發展，直至土體破壞。

圖3 不同荷載強度P下循環加載次數N-孔壓u關系曲線Fig.3 Diagram of cyclic load times (N) vs. pore pressure (u) under different load strength (P)

3.4 行車速度v對孔隙水壓力u的影響

不同行車速度v時循環加載次數N -孔壓u關系曲線由圖4可以看出：在荷載強度和加載次數相同的情況下，隨著速度的增大，路基軟土中的孔隙水壓力逐漸增大；各孔隙水壓力累積曲線的增長趨勢比較一致，不同速度下的孔隙水壓力累積速率較接近，隨著荷載次數的增加，累積速率逐漸減小。

圖4 不同行車速度v時循環加載次數N -孔壓u關系曲線Fig.4 Diagram of cyclic load times (N) vs. pore pressure (u) under different vehicle speed (v)

3.5 超固結比OCR對孔隙水壓力u的影響

不同超固結比下孔隙水壓力與振動次數的關系曲線如圖5所示：當循環應力水平較低時，超固結比對孔隙水壓力的影響大，土樣達到破壞時孔隙水壓力有比較大的降低；而當循環應力水平較高時，由正常固結土到超固結比為2時，孔隙水壓力變化明顯，但隨著超固結比的增加，孔隙水壓力變化卻越來越小。

圖5 不同超固結比下孔隙水壓力與振動次數的關系曲線【3】Fig.5 Diagram of pore pressure vs. vibration times under different over-consolidation ratio

3.6 頻率f 對孔隙水壓力u的影響

循環應力比為0.35時頻率對孔隙水壓力的影響曲線由圖6可以看出，對應于相同的加荷周數，頻率較低，產生的應變越大?？梢赃@樣認為，象波浪作用和交通荷載這種長期荷載，可以認為頻率的影響很小，而對于地震荷載作用，由于加荷頻率較小，加荷周數較少，必須考慮頻率的影響。

圖6 循環應力比為0.35時頻率對孔隙水壓力的影響【4】Fig.6 Diagram of frequency vs. pore pressure under cyclic stress ratio 0.35

4 結論

本文根據室內模型試驗和原位監測試驗的結果，探討了循環動荷載下孔隙水壓力累積特性及發展規律，分析了循環加載次數N，行車速度v，荷載強度p，循環應力比η，超固結比OCR，頻率f對動動孔隙水壓力的產生、發展、累積和消散規律的影響，為類似工程的設計及施工積累了寶貴的資料。

1 章克凌, 陶振宇. 飽和軟粘土在循環荷載作用下的孔壓預測[J]. 巖土力學, 1994, 15 （3）: 9～17

2 周建, 龔曉南, 李劍強. 循環荷載作用下飽和軟粘土特性試驗研究[J]. 工業建筑, 2000, 30（11）: 43～47

3 劉勝群, 吳建奇. 循環荷載作用下飽和軟粘土孔隙水壓力變化規律的試驗研究[J]. 鐵道建筑, 2007, （1）: 68～70

4 周建. 循環荷載作用下飽和軟粘土的孔壓模型[J]. 工程勘察, 2000, （4）: 7～10

Influencing factors on pore water pressure of soft clay under cyclic dynamic load

Wang shibiao1Chen Qingfeng2Fu Lifeng2
1.Guang Dong Nonferrous Metals Engineering Investigation Design Institute, Guangzhou, 510080 2. Liaoning Chemical Geology Prospecting Institute, Jinzhou 121011, China

Through the model test and field prototype monitoring experiment under different cyclic load, we research accumulation characteristics and development law of pore water pressure under the traffic load, and we discuss the causes and main factors of accumulation characteristics of soft clay in subgrade under cyclic dynamic load. And then we get the accumulation characteristics, development law of pore water pressure of soft clay in subgrade under the traffic load, and main factors of accumulation characteristics.

cyclic dynamic load，Traffic load，Pore water pressure，soft clay in subgrade，development law

U416.1

A

1006–5296（2017）01–0061–04

2016-07-16；改回日期：2016-07-16按3種車重、3種車速分別進行，共9組試驗，每組試驗做2～3次。