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單向循環荷載作用下飽和重塑紅黏土的動力特性

作者:未知

  摘 要: 為探究長期循環動荷載作用下紅黏土的塑性累積應變效應,對南昌地區飽和重塑紅黏土進行單向加載循環三軸試驗,研究了動應力比、初始孔隙率、固結圍壓、加載頻率、排水條件對紅黏土塑性累積應變和動孔壓的影響。結果表明:隨著動應力比的增大,紅黏土變形曲線由漸穩型向破壞型過渡;當動應力比小于臨界動應力比時,隨著循環振次的增加,紅黏土的塑性累積應變和動孔壓發展曲線均表現為起始快速增長,后出現拐點,最終趨于穩定;相同的動應力比下,試樣的累積應變和動孔壓隨初始孔隙率、固結圍壓的增大而增大,隨加載頻率的增大而減小,不排水條件下的累積應變要大于排水條件下的累積應變;塑性累積應變越大,應變發展曲線拐點出現越滯后;隨著動應力比的增大,土體的軟化程度也越大,但在較高的循環振次下,軟化程度減弱。
  關鍵詞: 重塑紅黏土;動力特性;循環荷載;三軸試驗;累積應變;動孔壓比
  中圖分類號:TU435    文獻標志碼:A   文章編號:2096-6717(2020)02-0001-09
      Dynamic characteristics of saturated remodeling red clay under uniaxial cyclic loading
  Luo Wenjun1, Wang Haiyang1, Ma Bin2, Chen Xiaofei2
  (1.School of Civil Engineering and Architecture, East China Jiaotong University, Nanchang 330013, P.R.China; 2.China Railway Second Bureau Group Co., Ltd., Chengdu 610000, P.R.China)
  Abstract:  In order to explore the plastic cumulative strain effect of red clay under long-term cyclic dynamic load, saturated remolded red clay in Nanchang area was used for cyclic triaxial test under uniaxial loading.The effects of dynamic stress ratio, initial porosity, consolidation confining pressure, loading frequency and drainage conditions on plastic cumulative strain and dynamic pore pressure of red clay were studied.The results of tests indicate that:with the increase of dynamic stress ratio, the deformation curve of red clay transits from gradual stable type to destructive type.When the dynamic stress ratio is less than the critical dynamic stress ratio, with the increase of cyclic vibration times, the plastic cumulative strain and dynamic pore pressure development curves of red clay both show initial rapid growth, and then the inflection points appear and finally tend to be stable.Under the same dynamic stress ratio, the cumulative strain and dynamic pore pressure of the sample increase with the increase of initial porosity and consolidation confining pressure, and decrease with the increase of loading frequency.At the same time, the cumulative strain under undrained condition is larger than that under drained condition.The larger the plastic cumulative strain is, the later the inflection point of strain development curve appears.With the increase of dynamic stress ratio, the softening degree of the soil increases, but at higher cyclic vibration times, the softening degree decreases.
  Keywords: saturated remolded red clay; dynamic characteristics; uniaxial cyclic load; dynamic triaxial test; cumulative strain; dynamic hole pressure ratio   紅黏土是一種呈棕紅、褐黃等色的特殊黏性土,在江西、湖南、廣西等濕熱多雨地區皆有廣泛分布。隨著鐵路交通事業的飛速發展,很多地段都需要用紅黏土作為路基填料,紅黏土具有弱膨脹性、壓縮性低、結構連接強度高的特點,用作鐵路路基填料可以帶來很高的經濟效益[1]。近年來,鐵路逐漸向高速、重載方向發展,在長期循環荷載作用下,紅黏土路基產生變形和不均勻沉降,嚴重影響了列車運行的安全性和舒適性。因此,研究循環荷載作用下紅黏土的動變形、動孔壓特性具有重要意義。
  通過動三軸試驗研究土體動力特性是巖土領域普遍采用的方法[2-3]。多年來,學者對于紅黏土動力特性的研究已經取得了一些進展。李志勇等[4]為了研究湘南地區紅黏土的動態回彈性能,通過動三軸試驗發現,動態回彈模量與圍壓、壓實度呈正相關,與偏應力呈負相關,土體處于最優含水率時動態回彈模量值最大;穆坤等[5]對廣西原狀紅黏土進行了循環加載動三軸試驗,分析了紅黏土的動應力 動應變關系及固結應力比、圍壓、含水率等對動彈性模量和阻尼比的影響;Fall等[6]通過循環加載三軸試驗,研究了紅黏土不排水條件下的動變形特性;昌思[7]對洞庭湖區飽和原狀粉質黏土的動變形特性進行了試驗研究,得出了動應力幅值、圍壓、固結比和加載頻率對累積塑性應變的影響規律,并建立了累積塑性應變模型。然而,紅黏土作為路基填料擾動性很大,且紅黏土的動力特性受地域差異和應力歷史的影響也很大,目前,對江西紅黏土動力特性的研究相對缺乏,因此,對江西重塑紅黏土做進一步試驗研究顯得尤為重要。
  筆者針對江西飽和重塑紅黏土進行了動三軸試驗研究,分析了動應力比、初始孔隙率、固結圍壓、加載頻率、排水條件對紅黏土塑性累積應變和動孔壓的影響規律。
  1 飽和重塑紅黏土的振動三軸試驗
  1.1 試驗儀器
  試驗在高精度動三軸儀上進行,試驗系統由驅動裝置、壓力室、圍壓/反壓控制器和信息采集儀等部分組成,見圖1。試驗過程由電腦控制,通過內置的GDSLAB軟件來設置試驗參數并記錄試驗數據。該設備可提供最大軸向激振荷載4 kN;壓力室承受的最大圍壓為2 MPa;應變測量精度為10-4;循環加載頻率范圍0~2 Hz,加載波形可以選擇正弦波、方波、三角波和梯形波,也可以自定義加載波形,每個加載周期可以記錄多達100個數據點;試驗控制方式分為應力控制和應變控制。
     1.2 土樣的基本物理參數及試樣制備
  試驗所用土樣取自南昌市孔目湖邊在建32號土建實驗樓旁的殘積紅土層,為保證土樣的均一性,采用重塑土制樣。將土樣風干后用木碾碾碎,過2 mm土工標準篩。試驗測得紅黏土的最大干密度為1.74 g/cm3,最優含水率為16%,擊實曲線見圖2。依據《公路土工試驗規程》[8]對試驗土樣進行了一系列基礎物理試驗,紅黏土的基本物理參數見表1。重塑土的制樣方法有泥漿固結法和分層濕搗法,根據試驗方案,采用后者較為便捷。用最優含水率拌和土樣,在特制的擊實器中分5層擊實制樣,制得的圓柱體試樣尺寸為50 mm×100 mm。嚴格控制每
  層土的質量,為避免制得試樣出現分層現象,在擊實后層與層之間用切土刀刮毛。試樣制備好后放入真空飽和缸中抽氣飽和,抽氣負壓0.1 MPa,抽氣時間2 h,飽和時間10 h以上,然后進行振動三軸試驗。
     1.3 試驗方案設計
  列車荷載作用時間長,振動頻率低,其引起的動應力是一種近似正弦曲線的單向脈沖模式,只對路基土體產生壓縮[9-11],故試驗采用應力控制式單向加載方式,加載波形選用正弦波,
  每個循環周期采集20個數據點。試樣在真空飽和缸中抽氣飽和后,在動三軸儀上稍加反壓即可達到規范要求的飽和度,經B檢測得到試樣的飽和度為97%。然后,在設定的圍壓下進行等向排水固結,試驗前在試樣周圍貼6~8條濾紙條以加速排水固結[12],待超孔隙水壓力完全消散,等于所施加的反壓值時,表明固結完成。固結完成后施加單向循環荷載(單向壓縮),進行動力試驗。試驗加載過程如圖3所示。
  共進行了15組飽和重塑紅黏土動三軸試驗。試驗過程充分考慮了試樣初始孔隙率、固結圍壓、動應力比、加載頻率和排水條件等綜合因素對土體應變及孔壓的影響,共制得3種不同初始孔隙率的試樣,分別為0.65、0.7、0.75;固結圍壓采用50、100、200、400 kPa;定義動應力比R=σd/2σ3(σd為作用在試樣上的動偏應力,σ3為固結圍壓),分別取0.2、0.25、0.3、0.4;根據已有監測結果顯示,列車運行時引起的垂向路基土體響應頻率的區間范圍在0.4~2.6 Hz之間[13],試驗采用的加載頻率為0.5、1.0、2.0 Hz,荷載循環次數為5 000次。不排水試驗的孔隙水壓力從試樣底部測得。詳細試驗方案見表2。
   2 試驗結果分析
  試驗采集的數據點眾多,為便于處理和分析,只選取循環振次N=1、5、10、20、40、60、80、100、150、200、300、400、600、1 000、1 500、2 000、3 000、4 000、5 000所對應的數據進行整理和分析,得出不同影響因素下試樣塑性累積應變和動孔壓比隨循環振次的變化規律。
  2.1  循環荷載作用下塑性累積應變的影響因素分析
  2.1.1 動應力比的影響  為了研究動應力比大小對試樣塑性累積應變的影響規律,在400 kPa固結圍壓下對同一試樣進行了4種動應力比的不排水試驗,圖4為此試驗條件下試樣的塑性累積應變εp與循環振次N的關系曲線圖。
  由圖4可知,動應力比的大小對試樣的塑性累積應變影響很大。從圖中累積應變隨荷載循環次數的發展形態來看,可以將其分為3種類型,即穩定型、臨界型和破壞型。臨界型曲線所對應的動應力比即為臨界動應力比。當動應力比大于臨界動應力比時,試樣在很小的循環次數內即發生破壞,其塑性累積應變曲線發展迅猛(如圖中動應力比為0.4的情形);當動應力比小于臨界動應力比時,累積應變在加載初期迅速增加,然后曲線出現拐點并衰減,最后逐漸趨于穩定,即試樣產生塑性硬化。現實生活中,列車在高速運行時,傳遞給路基土體的動荷載作用時間長,循環次數多,動應力一般小于路基土體的臨界動應力[14]。因此,筆者主要研究動應力比小于臨界動應力比的情況。   2.1.2 初始孔隙率的影響
  圖5為3種不同初始孔隙率的試樣在動應力比0.3和固結圍壓100 kPa下塑性累積應變隨荷載循環次數的變化規律。可以看出,在試驗加載初期,3種試樣的累積應變均迅速增加,隨著循環次數的不斷增大,應變衰減并逐漸趨于平緩。在相同的循環振次下,初始孔隙率越大的試樣產生的塑性累積應變越大,這是因為初始孔隙率大的試樣密實度相對較小,抗剪強度低,在相同的動應力下就會產生較大的塑性變形。由圖5還可以發現,初始孔隙率越大的試樣,其累積應變曲線拐點出現越滯后。初始孔隙率0.65的試樣累積應變曲線拐點出現在循環振次150次,初始孔隙率0.7的試樣累積應變曲線拐點出現在循環振次300次,初始孔隙率0.75的試樣累積應變曲線拐點出現在循環振次400次左右。
  2.1.3 固結圍壓的影響  圖6為初始孔隙率0.65的試樣在相同動應力比不同固結圍壓下的塑性累積應變隨荷載循環次數的發展曲線。由圖6可以看出,3種圍壓下,試樣的累積應變隨著循環振次的增加均表現出起始快速增長,后增長率減小,并逐漸趨于平穩的特征,在相同的循環振次下,圍壓越大,試樣產生的塑性累積應變越大,這可以通過動應力比的定義來解釋,動應力比R=σd/2σ3,當動應力比一定時,圍壓越大,作用在試樣上的動偏應力就越大,那么對于相同密實度的試樣來講,就會產生較大的塑性應變;同樣可以發現,產生塑性應變越大的試樣,其應變曲線拐點的出現越滯后。
  2.1.4 加載頻率的影響  圖7為固結圍壓為100 kPa,試樣軸向作用動應力比為0.3時,在加載頻率0.5、1.0、2.0 Hz作用下,試樣的不排水塑性累積應變隨荷載循環次數的變化曲線。由圖7可以看出,在不同加載頻率作用下,飽和重塑紅黏土的塑性累積應變變化趨勢是一致的,隨著荷載循環次數的不斷增大,塑性累積應變均表現為一開始快速增大,后趨于平穩;加載頻率越小,試樣達到穩定時的塑性累積應變越大,究其原因,在較小的振動頻率下,飽和紅黏土可吸收較大的能量,其動強度和阻尼比也較小[15],此時試樣抵抗振動變形的能力較差,因而會隨著循環振次的增加產生相對較大的累積應變。
  2.1.5 排水條件的影響  圖8為不同排水條件下飽和重塑紅黏土塑性累積應變大小的對比圖。顯然,無論是否排水,循環荷載作用下軸向累積應變都隨著循環振次的增加而增大,增大速率隨著振次的增加有所衰減,最終趨于穩定。在其他條件相同的情況下,試樣在不排水條件下產生的塑性累積應變大于排水條件下產生的塑性累積應變,隨著動應力比的增大,試樣的累積應變也越大,這種變形大小的差異也越大。造成這種差異的原因在于試樣在不同排水條件下,軸向累積應變產生的機理不同。在不排水條件下,試樣不產生體應變,其軸向累積應變的產生只是因豎向動偏應力而引起的,不同的是,在排水條件下,試樣軸向累積應變的產生除了豎向動偏應力的作用外,還與孔壓消散引起的體應變有關[16]。在較高的動應力比下,不排水時,試樣在循環加載過程中會產生較大的超孔隙水壓力,造成試樣極度軟化,從而產生很大的塑性變形甚至破壞;而此時排水情況下,伴隨著試樣中水分的緩慢排出,土體逐漸變得密實,強度有所提高。因此,排水條件下試樣的累積形變量會小于不排水條件下試樣的累積形變量。
  圖9為排水條件下,不同動應力比對試樣體應變的影響曲線。與動應力比對試樣塑性累積應變的影響規律一致,在相同的動應力比下,試樣的體應變隨著循環振次的增加而不斷增大;在相同的荷載循環作用次數下,動應力比越大,試樣產生的體應變越大。
     2.2 滯回曲線分析
  滯回曲線可以很好地反映土體在循環加載過程中的應力 應變關系,通過對滯回曲線線形形態的分析,可以從側面反映出土體強度的發展狀況。依據試驗結果,得出了試樣在不同動應力比條件下的應力 應變滯回曲線,由于試驗結果排水條件對滯回曲線的發展規律影響不大,只作出了試樣在不排水條件下的應力 應變滯回曲線圖,
  如圖10(a)、圖11(a)、圖12(a)。為了更直觀地分析不同循環振次下滯回曲線的形態變化,作出部分循環振次下的滯回曲線,并省略掉產生的累積應變,讓不同循環振次下的滯回曲線都從原點出發,得到圖10(b)、圖11(b)、圖12(b)。
  從圖10(a)、圖11(a)、圖12(a)可以看出,偏應力 軸向應變關系曲線表現為一系列封閉的滯回圈。試驗加載初期,滯回曲線分布較為稀疏,后期則較為密集,說明試驗加載初期試樣累積應變增加迅速,后期逐漸達到穩定。在動應力比為0.2時,隨著應變的不斷累積,滯回圈略有拉長并偏向軸向應變一側傾斜,單個循環周期內滯回圈的面積也有所增大,隨著動應力比的增大,試樣軸向累積應變也不斷增大,應力 應變滯回圈的這種變化也愈加明顯,傾斜程度和面積都越來越大,說明較大的動應力比增大了土體的軟化程度。但如圖10(b)、圖11(b)、圖12(b)所示,3 000次與5 000次循環下的滯回曲線幾乎重合,說明在較大的循環振次下,土體的應變軟化程度減弱了。同時,在較大的動應力比下,由于超孔隙水壓力的不斷累積,使得紅黏土的強度和剛度大大降低,并產生了較大的不可恢復的殘余變形。因此,圖11(a)、圖12(a)沒有像圖10(a)那樣表現為一系列近似平行的曲線。
  2.3 紅黏土殘余孔壓影響因素分析
  不排水時,為了排除固結圍壓對試樣超孔隙水壓力的影響,對超孔隙水壓進行歸一化研究,定義動孔壓比U*=U/Pc=U/((σ1+2σ3)/3),(U為超孔隙水壓力,σ1為軸向應力,σ3為徑向應力)。
  2.3.1 動應力比的影響
  圖13為不同動應力比下試樣動孔壓比隨循環振次的變化曲線。由圖13可知,不同動應力比下飽和紅黏土的動孔壓比都隨著循環次數的增加而增大,在較大的循環次數后出現轉折并逐漸趨向穩定。在相同的循環次數下,動應力比越大,動孔壓比就越大。   2.3.2 初始孔隙率的影響  圖14為不同初始孔隙率試樣的動孔壓比隨循環振次的發展曲線。不難發現,隨著循環次數的增加,3組初始孔隙率試樣的動孔壓比差值逐漸增大;隨著初始孔隙率的增大,動孔壓比也逐漸增大,而且動孔壓比達到穩定狀態時所需要的循環次數逐漸增大。初始孔隙率為0.65的試樣動孔壓比達到穩定狀態時所需要的循環次數為1 000次;初始孔隙率為0.7的試樣動孔壓比達到穩定狀態時所需要的循環次數為2 000次;初始孔隙率為0.75的試樣在循環次數為5 000次時動孔壓比仍沒有達到穩定狀態。
  2.3.3 固結圍壓的影響
  圖15為固結圍壓對試樣動孔壓比的影響曲線圖。可以看出,隨著循環次數的增加,不同固結圍壓下的試樣動孔壓比均表現為先急速增長后逐漸趨于平穩;在相同的循環次數下,固結圍壓越大,試樣的動孔壓比越大。
  2.3.4 加載頻率的影響
  圖16為加載頻率對試樣動孔壓比的影響曲線圖。從圖16可以看出,加載頻率對試樣的殘余孔壓產生了很大的影響,隨著循環次數的增加,不同加載頻率下的孔壓都是先快速增大,然后出現拐點,最終趨于穩定;加載頻率越大,試樣產生的殘余孔壓越小,孔壓達到穩定時所需要的循環次數也越小。加載頻率為0.5 Hz時,試樣孔壓達到穩定所需要的循環次數是2 000次,加載頻率為1.0 Hz時,試樣孔壓達到穩定所需要的循環次數是1 500次,加載頻率為2.0 Hz時,試樣孔壓達到穩定所需要的循環次數是1 000次。
  3 結論
  通過對南昌地區飽和重塑紅黏土的單向循環壓縮動三軸試驗研究,得出以下結論。
  1)隨著動應力比的增大,塑性累積應變也不斷增大,試樣由強化狀態向破壞狀態過渡;當動應力比小于臨界動應力比時,塑性累積應變越大,應變發展曲線拐點的出現越滯后;在相同的動應力比下,試樣初始孔隙率和固結圍壓越大,累積應變越大,加載頻率越高,累積應變反而越小,同時,不排水條件下的累積應變要大于排水條件下的累積應變。
  2)通過對土體應力 應變滯回曲線的分析,發現試驗加載初期,滯回曲線分布較為稀疏,后期則較為密集;隨著循環振次的增加,滯回圈略有拉長并偏向軸向應變一側傾斜,單個循環周期內滯回圈的面積也有所增大,動應力比越大,這種變化越顯著;隨著動應力比的增大,土體的軟化程度也越大,但在較高的循環振次下,軟化程度減弱。
  3)各影響因素下試樣的動孔壓隨荷載循環次數的發展曲線的形態特征基本一樣,均表現為起始快速增長,然后出現拐點,最終趨于穩定;試樣的動孔壓比隨初始孔隙率、固結圍壓、動應力比的增大而增大,隨加載頻率的增大而減小;動孔壓達到穩定時所需要的荷載循環次數,不同的影響因素下表現不一。
  以上結論的得出是動應力比小于臨界動應力比條件下的試驗結果,對于動應力比大于或等于臨界動應力比的情況,需另做研究。
  依據試驗結果建立不同影響因素下的紅黏土塑性累積應變模型,由此可預估不同動荷載作用下紅黏土路基的沉降量及達到穩定變形時所需要的年限,這是接下來要進行的研究工作。
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   (編輯 胡玲)
  收稿日期:2019-10-22
  基金項目:  國家自然科學基金(51768022、51978265);江西省優勢科技創新團隊建設計劃(20181BCB24011)
  作者簡介:  羅文俊(1979- ),女,教授,博士,主要從事鐵路環境振動與噪聲控制及輪軌動力學研究,E-mail:lwj06051979@163.com。
  Received: 2019-10-22
  Foundation items:  National Natural Science Foundation of China (No. 51768022, 51978265); Jiangxi Province Advantage Science and Technology Innovation Team Construction Plan Project (No. 20181BCB24011)
  Author brief:  Luo Wenjun (1979- ), professor, PhD, main research interests: railway environment vibration and noise control and wheel-rail dynamics, E-mail: lwj06051979@163.com.
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