，，

(1.溫州市鐵路與軌道交通投資集團有限公司, 浙江 溫州 325000； 2.哈爾濱工業(yè)大學(深圳) 土木與環(huán)境工程學院, 廣東 深圳 518000)

1 研究背景

我國沿海地區(qū)及鄰近內陸城市廣泛分布著軟黏土地層。近些年來，隨著經濟不斷繁榮發(fā)展、交通設施迅速發(fā)展，我國高速鐵路、高速公路、城市地鐵、市政道路擁有量位于世界前列，并且將會長期處于高速發(fā)展期。這些交通設施在運營期間，由于長期受到交通荷載作用，路基沉降問題導致的道路安全性和適用性降低，一直是工程界關注的重點和難點。

對于交通荷載下路基土體特性試驗研究，目前國內外已有大量研究成果，研究方法主要集中在動三軸系統(tǒng)和空心圓柱扭剪系統(tǒng)。①利用動三軸系統(tǒng)：Parr[1]以倫敦軟黏土為研究對象，建立了累積塑性應變速率與循環(huán)次數的關系模型；Monismith等[2]建立了在循環(huán)荷載下飽和軟黏土累積應變的指數型模型；Li等[3]通過一系列試驗，考慮了動偏應力、靜強度等因素對Monismith模型提出修正；劉國清等[4]研究了超固結比對交通荷載下軟黏土變形特性影響；劉添俊等[5]進行了交通荷載下正常固結飽和軟黏土累積應變速率研究；郭林等[6]進行了交通荷載下回彈應變和累積變形特性試驗研究；劉新峰等[7-8]進行了交通荷載作用下超固結軟黏土地基長期沉降研究；張濤[9]進行了地鐵荷載下不同固結度軟黏土沉降研究；王軍等[10]對交通荷載作用下超固結軟黏土孔壓-軟化模型進行了研究。② 利用空心圓柱扭剪系統(tǒng)：沈揚等[11]進行了小角度主應力軸循環(huán)旋轉應力路徑下超固結軟黏土性狀試驗研究；郭林[12]模擬交通荷載進行循環(huán)荷載下正常固結軟黏土特性研究；肖軍華等[13]研究主應力軸旋轉對地鐵荷載作用下正常固結軟黏土累積變形的影響。

國內外利用動三軸系統(tǒng)進行的交通荷載下軟黏土特性試驗研究，其研究對象為正常固結和超固結軟黏土。軟黏土路基在實際交通荷載下所受到的主應力的方向是不斷變化的，而動三軸系統(tǒng)只能施加軸向的循環(huán)荷載，主應力軸的方向始終是不變的，不能模擬主應力軸旋轉的應力路徑。空心圓柱扭剪系統(tǒng)由于同時施加循環(huán)的軸向應力和剪應力，可以模擬交通荷載下軟黏土主應力軸旋轉的應力路徑，但目前針對交通荷載作用下的研究對象均為正常固結軟黏土。在實際工程當中，由于地面挖方或者超載預壓等地基處理作用，地基都存在或多或少的超固結性。目前，尚未開展利用空心圓柱扭剪系統(tǒng)進行交通荷載下超固結軟黏土的研究。

本文利用GDS空心圓柱扭剪系統(tǒng)模擬交通荷載，對不同超固結比飽和軟黏土進行不排水循環(huán)加載試驗，研究超固結比對交通荷載作用下飽和軟黏土特性的影響。以期進一步完善交通荷載作用下飽和軟黏土室內試驗，為工程施工設計提供參考。

2 土樣制備和試驗儀器

2.1 土樣制備

土樣采用溫州地區(qū)軟黏土。制作步驟為：

(1)將原狀黏土切割成為體積不超過200 cm3、最大邊長不超過10 cm的黏土塊，放置于溫度為100 ℃的烘箱中，烘干時間≥48 h，保證黏土塊的自由水基本上完全散失。烘干之后，密封保存，以免從空氣中吸收水分而變潮，影響粉碎效果。

(2)用粉碎細度為50～200目的粉碎機將烘干的黏土塊進行粉碎，為保證粉碎效果，每次粉碎的質量不超過2 kg。將粉碎的土粉用振動篩進行篩析，振動篩孔徑為0.3 mm，篩析剩下的粗顆粒不再使用，以保證制取試樣的均勻性，篩析得到的土粉要密封保存。

(3)稱量振動篩篩析得到的土粉23 kg，清水18.4 kg，配備含水率為80%的泥漿，先用手將土粉和水充分混合，再用打漿機將泥漿攪拌均勻，以無手感可觸的顆粒為攪拌符合要求。

(4)將配置的泥漿通過漏斗傾倒在高壓固結儀里面，泥漿上下底層分別攤鋪一塊透水石，砝碼通過杠桿、圓盤施加壓力至透水石，對泥漿進行分級加載，通過3種分級荷載(12.52550 kPa, 12.5255075 kPa,12.5255075100 kPa)分別制取50，75，100 kPa荷載下的重塑軟黏土飽和土樣。

表1 重塑土樣基本物理性質指標Table 1 Physical properties of remolded test soil

2.2 試驗儀器

試驗儀器采用GDS空心圓柱扭剪儀，可以施加獨立控制的內圍壓(Pi)和外圍壓(Po)以及自定義波形的軸力和扭矩，扭矩的存在可以通過施加剪應力實現主應力軸的旋轉(最大主應力與豎直方向角度不斷變化)，該應力路徑可以很好地模擬真實情況下的交通荷載。

3 試驗方案

3.1 加載方案

將制備好的試樣用切土器制作成高200 mm，外直徑100 mm,內直徑60 mm的空心圓柱體。首先將制取好的空心圓柱試樣裝入空心圓柱扭剪儀里進行反壓飽和，用B(孔壓系數)值檢測試樣飽和度，當B值>0.98的時候，認為試樣已經完全飽和。飽和完成之后進入固結階段，將50，75，100 kPa下制得的重塑土樣均在50 kPa內外圍壓下各向同性固結，當試樣每小時排水量<100 mm3視為固結完成，這樣就形成了正常固結土(超固結比OCR=1.0)和超固結比為1.5和2.0的超固結土。最后一個階段為循環(huán)荷載加載階段，加載過程當中內外圍壓始終保持為50 kPa，關閉反壓器開關以及排水閥門，進行不排水循環(huán)加載試驗。

圖1 某城市地面軌道路線數值分析模型及計算結果Fig.1 Numerical analysis model and results of urban rail line

3.2 加載波形

為獲得交通荷載作用下路基土體單元所受的動應力，筆者曾對某城市地面軌道路線進行了數值計算[14]，見圖1。軌道采用60 kg/m型鋼軌，橫截面尺寸為15.3 cm×7.8 cm；混凝土軌枕長2.6 m，間距0.6 m。為減小邊界效應的影響，地基模擬范圍為60 m×60 m。圖1(a)為剖分網格后的幾何模型。圖1(b)為輪載分布示意圖，列車軸重采用250 kN，相應單輪輪重125 kN。路基層參數選擇見文獻[14]。圖1(c)為數值分析計算得到的路基單元體所受的應力路徑，其中橫坐標為移動荷載到單元體距離y與輪軌長度L的比值，σz為豎向應力；σy為水平應力?？梢钥闯?，交通荷載作用下，土單元體上的豎向偏應力由0增加到峰值再減小到0，而剪應力的方向會產生變化，從而造成主應力軸旋轉。

本試驗對試樣同時施加循環(huán)軸向應力和循環(huán)剪應力，用以模擬圖1(c)中的土單元體應力路徑，加載頻率均為1 Hz。本研究共設計了4種不同荷載下的循環(huán)加載試驗，共計12個，詳見表2。

表2 試驗加載方案Table 2 Schemes of loading test

4 試驗結果

4.1 應力路徑分析

圖2 主應力軸旋轉應力路徑Fig.2 Rotation stress path of principal stress axes

實際交通工程當中隨著車輪的移動會產生剪應力，造成主應力軸的旋轉。圖2為空心圓柱扭剪儀模擬出的交通荷載的應力路徑。由于施加循環(huán)剪應力，廣義偏應力q，大主應力方向和垂直方向的夾角α都在不斷發(fā)生變化，與只能施加循環(huán)軸向應力，主應力軸方向始終不變的GDS動三軸系統(tǒng)相比，更符合交通荷載的實際情況。

4.2 典型試驗結果分析

試樣在循環(huán)加載過程中的應變由2部分組成:一部分是隨循環(huán)次數不斷增長的不可恢復的累積應變z,p;另一部分是在卸載過程中可恢復的回彈應變εz,r。為更清楚地表達各個應變分量之間的關系，繪出循環(huán)荷載下的應力-應變關系曲線，見圖3。各應變之間的關系公式εz=εz,p+εz,r。為研究循環(huán)荷載下軟黏土的回彈模量，將其定義為MZ[12],計算式為

式中σampl為豎向動應力。

圖3 循環(huán)荷載下應變發(fā)展曲線Fig.3 Curves of strain development under cyclic loading

4.3 超固結比OCR對軟黏土應變發(fā)展的影響

圖4為不同超固結比軟黏土累積應變發(fā)展曲線，CSR為循環(huán)應力比。圖4(a)中正常固結土在經歷10 000次循環(huán)后產生了0.055%的累積應變，而超固結比為1.5和2.0的超固結土分別產生了0.035%和0.017%的累積應變，產生的累積應變分別為正常固結土的64%和31%。對于超固結比為1.5和2.0的超固結土來說，10 000個循環(huán)荷載結束時累積應變基本上已經趨于穩(wěn)定;而正常固結土在10 000個循環(huán)結束之后累積應變還未達到穩(wěn)定，隨著循環(huán)次數的加大，累積應變的差異會更大。上述結果說明超固結作用可以限制土體累積應變的發(fā)展，促進累積應變達到穩(wěn)定，且超固結比越大，作用越明顯。

圖4 不同超固結比軟黏土累積應變發(fā)展曲線Fig.4 Curves of accumulated strain development under different over-consolidation ratio

將圖4(b)與圖4(a)比較可以看到，當荷載增加時，在10 000個循環(huán)荷載結束之后，無論是正常固結土還是超固結土，軟黏土的累積應變均沒有達到穩(wěn)定，說明荷載越大，軟黏土在循環(huán)荷載下達到穩(wěn)定所需的循環(huán)次數越大。圖4(c)中，正常固結土和超固結比為1.5的超固結土在循環(huán)開始時應變近似呈直線急速增長且快速達到破壞，而超固結比為2.0的超固結土在經歷10 000次循環(huán)過后累積應變僅在0.3%左右，說明超固結作用可以提高土體的強度。將圖4(c)與圖4(a)、圖4(b)相比較可知,荷載越大，超固結比對累積應變的影響越明顯。這些現象表明，經超載預壓地基處理后，軟黏土抵抗變形的能力有所增加，相同動應力水平下處理后路基沉降將明顯減小。

圖5 不同超固結比軟黏土應力-應變滯回曲線(CSR = 0.4, η = 0.25)Fig.5 Curves of stress-strain hysteresis loop development under different over-consolidation ratio (CSR = 0.4, η = 0.25)

4.4 超固結比對軟黏土應力-應變滯回曲線和回彈模量的影響

圖5為不同超固結比軟黏土在循環(huán)荷載作用下的應力-應變滯回曲線，N為剪切應力與豎向應力之比。圖5中的(a),(b)，(c)試樣超固結比分別為1.0，1.5，2.0，應力路徑均為CSR=0.4，η=0.25。將循環(huán)次數N為10，100, 1 000，10 000時的初始應變歸零對不同循環(huán)次數下的應力-應變滯回曲線進行對比。圖5中，無論是超固結土還是正常固結土，當循環(huán)次數增加的時候，應力-應變滯回曲線均朝向應變軸的方向傾斜，且應力-應變滯回曲線包圍的面積越來越小，說明隨著循環(huán)次數的增加，無論是正常固結土還是超固結土，土體的軟化程度不斷加強，且土體變形越來越以彈性應變?yōu)橹鳌?/p>

從圖5中還可看出，在循環(huán)次數一定時，當超固結比增大時，產生的軸向應變減小，比如在第10次循環(huán)荷載作用下，正常固結土產生了0.068%的軸向應變，而超固結比為1.5和2.0的超固結土分別產生了0.062%和0.054%的軸向應變，說明軟黏土變形模量隨著超固結比的增加而增加。此外，在循環(huán)次數一定時，應力-應變滯回圈的面積也隨著超固結比的增大而減小，即卸載階段的滯回曲線和加載階段的滯回曲線更接近，說明隨著超固結比的增大，軟黏土的黏塑性特征越來越不明顯，彈性特征越來越占主要部分。

另外，正常固結土在不同循環(huán)次數下的應力-應變滯回曲線和超固結土相比就比較離散，且超固結土在較小的循環(huán)次數下就可以達到穩(wěn)定，表明超固結土的軟化速率要低于正常固結土。圖5中的(b)和(c)的應力-應變滯回曲線的差別遠沒有圖5中的(a)的應力-應變滯回曲線的差別大，說明超固結比越大，超固結比的增加對土特性的影響越小。

圖6為10 000個循環(huán)之后不同荷載下回彈模量隨超固結比的變化趨勢，可以看到，雖然回彈模量隨著超固結比的增大而增大，但是增大的速率卻在降低，超固結比越小時，超固結比的增加對土體回彈模量的增加更明顯。

圖6 不同超固結比下回彈模量對比Fig.6 Comparison of modulus of resilience under different over-consolidation ratio

5 結 論

利用GDS空心圓柱扭剪儀模擬交通荷載，對不同超固結比重塑軟黏土展開不排水條件下的循環(huán)加載試驗，研究超固結比對交通荷載下軟黏土累積應變、應力-應變滯回曲線、回彈模量的影響，得到以下結論：

(1)在交通循環(huán)荷載下，當循環(huán)次數相同時，軟黏土孔壓隨超固結比的增大而減小。表明經超載預壓地基處理后，相同動應力水平下軟黏土軟化程度將有所降低。

(2)在交通循環(huán)荷載下，當循環(huán)次數一定時，超固結比越大，土體累積應變越小，且超固結比越大，土體累積應變達到穩(wěn)定所需的循環(huán)次數越小。表明在交通荷載下，當通過的車輛次數一定時，路基軟黏土在經過超載預壓地基處理后，路基沉降會大大降低。

(3)在交通循環(huán)荷載下，超固結比越大，應力-應變滯回曲線隨循環(huán)次數的變化越不明顯，應力-應變滯回曲線越集中，土體隨循環(huán)次數的軟化程度越弱，彈性越明顯。當循環(huán)次數相同時，超固結比越大，應力-應變滯回曲線朝應變軸傾斜的程度越小，土體的回彈模量越大。且超固結比越小，超固結比的增加對回彈模量的增加越明顯。