振動頻率和時間對擾動狀態下軟黏土壓縮特性的影響

苗永紅，范江橋，殷 杰

(江蘇大學 土木工程與力學學院，江蘇 鎮江 212013)

軟黏土廣泛分布在我國沿海地區，由于經濟快速發展，因此很多建筑物、隧道、高速公路、橋梁等不可避免地建設在軟土地基之上。軟黏土具有含水量大、孔隙比高、壓縮性強、強度低、滲透性差等不利因素[1]，在外荷載作用下，土體破壞表現出較大的突發性，對工程安全造成潛在威脅。

建立在重塑土力學性質基礎上的理論體系不能很好地用于實際工程，原因在于天然軟黏土在沉積過程中產生了結構性，包括組構和顆粒間的黏結作用[2-3]，表現在原狀土樣相對重塑(完全擾動)土樣在相同初始條件下具有更高的孔隙比和強度。在工程施工過程中，不可避免地對土體產生擾動作用，導致軟土的結構性破壞，壓縮性增強，強度降低，引發各類工程問題，因此需要探明擾動對軟土結構性的影響規律和作用機制。國內外學者圍繞擾動對軟土的力學特性和結構性開展了大量的研究，取得了許多有意義的成果，如基于土的壓縮特性提出擾動度的概念[4-6]，基于重塑土樣提出土的固有壓縮特性的概念[7]，基于強度提出靈敏度及觸變性定量評價方法[8-9]等。已有的關于擾動影響的研究主要集中在擾動后軟土的壓縮強度等特性，少有研究關注施工機械的振動頻率、振幅、時間等擾動源特性的影響。鄧永鋒等[10]的研究表明，振動時間對軟土壓縮特性有顯著的影響。

本文中采用電磁振動臺制備不同振動頻率、時間條件下的擾動土樣，對比原狀土樣及重塑土樣，開展室內一維壓縮試驗，探討振動頻率、時間對不同擾動程度試樣壓縮性狀的影響規律和作用機理。

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗土樣取自江蘇省連云港市某工程場地，采用內徑、高度均為30 cm的大直徑聚氯乙烯(PVC)管獲取原狀土樣，取土深度為2.5 m，場地的地下水位為1.5 m。依據國家標準GB/T 50123—2019《土工試驗方法標準》[11]測定土樣的基本物理性質指標，結果如表1所示。由表可知，土樣液限和塑限分別為56.4%和28.6%，相應的塑性指數為27.8。根據國家標準GB/T 50145—2007《土的工程分類標準》[12]，土樣屬于高液限黏土。

表1 試驗土樣的基本物理性質指標

1.2 試驗方案

采用內徑為6.18 cm、高度為2 cm的環刀，制備一組原狀土樣，并將環刀上、下用玻璃片封住，采用保鮮膜纏繞后，置于電磁振動臺上，設置不同的振動頻率和振動時間，制備不同擾動程度的土樣，用于一維壓縮試驗，具體試驗工況如下：振動時間分別為10、30、60 min，振動頻率分別為1、5、10 Hz。為了對比，平行制備原狀土樣與重塑土樣進行一維壓縮試驗。

2 結果與分析

圖1所示為原狀土樣、重塑土樣以及振動頻率分別為1、5、10 Hz且振動時間分別為10、30、60 min時制得擾動土樣的一維壓縮曲線。從圖中可以看出，原狀土樣的壓縮曲線位于不同試驗工況(振動頻率、時間)時擾動土樣壓縮曲線的上方，隨著豎向壓力的增大，孔隙比隨豎向壓力的變化呈現出倒S型，與已有的天然原狀土樣的壓縮曲線一致[4,13]。不同條件下的擾動土樣也呈現出類似倒S型壓縮曲線。一方面，當振動頻率相同時，振動時間長的土樣壓縮曲線位于振動時間短的土樣壓縮曲線下方，并且振動時間越長，壓縮曲線位置越低，表明當振動頻率一定時，土樣的壓縮性隨振動時間的增加而減弱，主要原因在于振動時間越長，振動傳遞到土樣的能量越大，土樣內部擾動越大，在相同豎向壓力時的孔隙比越低；另一方面，當振動時間相同時，振動頻率高的土樣的壓縮曲線位于振動頻率低的壓縮曲線下方，表明當振動時間一定時，土樣的壓縮性隨振動頻率的增加而減弱，主要原因在于振動頻率越大，土樣通過振動吸收的能量越大，土樣內部擾動越大，導致在豎向壓力相同時孔隙比有所降低。此外，重塑土樣則呈現單線性壓縮曲線，位于所有擾動土樣壓縮曲線的下方。原狀土樣以及不同程度的擾動土樣的壓縮曲線隨著豎向壓力的增大而逐漸與重塑土樣的壓縮曲線趨于一致。

e—孔隙比；p—豎向壓力;1、5、10 Hz—振動頻率；10、30、60 min—振動時間。圖1 不同振動頻率、時間時土樣的e-lg p曲線

針對圖1中的e-lgp(e為孔隙比，p為豎向壓力)曲線，當采用傳統的Cassagrande方法確定屈服壓力時，最大曲率點難以確定，容易造成誤差。采用ln(1+e)-lgp雙對數坐標表示時，壓縮曲線可以由雙直線很好地表示[13]，雙直線交叉點對應的豎向壓力即為土的先期固結壓力,如圖2所示。從圖中可以看出，原狀土樣的先期固結壓力為64.7 kPa，而根據取樣深度及土的天然重度，估算出土樣的上覆壓力約為29.5 kPa，超固結比為2.2，土樣呈現出超固結土的性質。需要指出，連云港原狀土樣屬于正常固結土，其先期固結壓力大于土的上覆壓力，原因是受到土結構性的影響。原狀土樣的超固結比被稱為似超固結比或屈服應力比，與應力歷史引起的超固結比本質上是不同的[14]。受到土結構性影響的天然軟黏土的先期固結壓力也被稱為屈服壓力py，當豎向壓力小于py時，對應的壓縮曲線段稱為屈服前階段，當豎向壓力大于py時，對應的壓縮曲線段稱為屈服后階段。圖2中不同工況時擾動土樣的壓縮曲線在ln(1+e)-lgp坐標下均呈現出良好的雙折線型，可以確定不同工況時擾動土樣的屈服壓力py。

e—孔隙比；p—豎向壓力；py—屈服壓力；1、5、10 Hz—振動頻率；10、30、60 min—振動時間。圖2 不同振動頻率、時間時土樣的ln(1+e)-lg p曲線

圖3所示為不同試驗工況時屈服壓力py隨振動時間t和振動頻率f的變化。從圖中可以看出，一方面，當振動頻率一定時，py隨振動時間的增加而線性減小，并且振動頻率越高，py越??；另一方面，當振動時間一定時，py隨振動頻率的增加而線性減小，并且振動時間越長，py越小。當振動時間從10 min增至30 min且振動頻率為1 Hz時，py從63.2 kPa減小到62 kPa，減小了1.7%，而當振動頻率為10 Hz時，py從58.1 kPa減小到49.1 kPa，減小了15.4%。當振動時間從10 min增至30 min且振動頻率從1 Hz增至10 Hz時，py減小的幅度從1.7%變為15.4%，表明屈服壓力受振動頻率和時間的影響較顯著，主要原因是原狀土樣在高頻率、長時間的振動作用下，振動對土樣施加的擾動能量增加，土樣內部結構的擾動程度逐漸增加，結構性的影響因擾動而逐漸減少。

為了定量評價土體的擾動程度，Hong等[4]基于土樣在ln(1+e)-lgp坐標下的壓縮曲線，提出擾動度D的定量計算公式[4]，即

(1)

式中：Cclb為擾動土樣屈服前壓縮指數，即擾動土樣在屈服前階段壓縮曲線的斜率；Cclr為重塑土樣壓縮指數，即重塑土樣在ln(1+e)-lgp坐標下的壓縮曲線的斜率。擾動度D定義示意圖如圖4所示。通過開展一維壓縮試驗可以確定擾動土樣在不同工況時的Cclb和Cclr，代入式(1)即可計算得到擾動度D。

e—孔隙比；Cclb、Ccla—擾動土樣屈服前、后壓縮指數；Cclr—重塑土樣壓縮指數；py—屈服壓力。圖4 擾動度D定義示意圖

圖5所示為屈服壓力py隨擾動度D的變化。從圖中可看出，擾動引起py呈線性減小，關系式為

py=-0.58D+73.1。

(2)

圖6所示為擾動度隨振動時間和振動頻率的變化。從圖中可以看出，D隨振動時間和振動頻率的增加而呈現線性增加的趨勢。本文中擾動度與振動時間的關系數據與文獻[10]中連云港軟土擾動度與振動時間的關系數據進行對比，即振動時間為30、60、90 min時的擾動度分別為11.9%、20.5%、29.4%，得出D隨振動時間和振動頻率的增加而呈現線性增大的結論。主要原因是土樣在振動時間和振動頻率增加的情況下，土樣結構發生擾動，并且擾動程度越來越大。

R—相關系數。圖5 屈服壓力py隨擾動度D的變化

圖7、8所示分別為Cclb、擾動土樣屈服后壓縮指數Ccla隨振動時間和振動頻率的變化。從圖7(a)中可以看出，當振動頻率一定時，隨著振動時間的增加，Cclb不斷增大。本文中擾動土樣屈服前壓縮指數Cclb、振動時間的數據與文獻[10]中連云港軟土擾動土樣屈服前壓縮指數Cclb、振動時間數據進行對比，即振動時間為30、60、90 min時，擾動土樣屈服前壓縮指數Cclb分別為0.027、0.046、0.065，得出擾動土樣屈服前壓縮指數Cclb隨振動時間的增加而呈現線性增加的結論。從圖7(b)中可以看出，隨著振動頻率的增加，Cclb不斷增大。從圖8(a)中可以看出，隨著振動時間的增加，Ccla不斷減小，頻率增加導致振動頻次增加，因此土樣吸收能量增加。從圖8(b)中可以看出，隨著振動頻率的增加，Ccla不斷減小。

Burland[7]采用孔隙指數將初始含水質量分數為液限的1.0～1.5倍的重塑土樣壓縮曲線歸一化為固有壓縮曲線(ICL)，孔隙指數Iv[7]為

(3)

(4)

經過大量數據擬合，得到ICL定量表達式[7]為

Iv=2.45-1.285lgp+0.015(lgp)3。

(5)

采用孔隙指數Iv將不同試驗工況(振動頻率、時間)時獲得的壓縮曲線進行處理，結果如圖9所示。從圖中可以看出，重塑土樣的壓縮曲線很好地歸一化為ICL，原狀土樣Iv-lgp曲線位于所有曲線最上方，屈服前變化較小，屈服后隨著p的增加，各工況時的Iv-lgp曲線逐漸與ICL重合，其他工況時的Iv-lgp曲線介于重塑土樣和原狀土樣的Iv-lgp曲線之間，擾動土樣屈服前的Iv-lgp曲線位置緩慢降低，擾動土樣屈服后的Iv-lgp曲線位置降低幅度逐漸增加，部分曲線在p較小時穿過ICL。

Iv—孔隙指數；ICL—固有壓縮曲線；p—豎向壓力；1、5、10 Hz—振動頻率；10、30、60 min—振動時間。圖9 不同振動頻率、時間時土樣的Iv-lg p曲線

一方面，在振動頻率相同時，振動時間長的土樣的Iv-lgp曲線位于振動時間短的土樣的Iv-lgp曲線下方，并且振動時間越長，壓縮曲線位置越低；另一方面，在振動時間相同時，振動頻率高的土樣的Iv-lgp曲線位于頻率低的壓縮曲線的下方，說明隨著振動時間和振動頻率的增加，土樣結構破壞越嚴重，越接近重塑土狀態。

3 結論

通過開展不同擾動程度的軟黏土試樣的一維壓縮試驗，研究了振動頻率、振動時間對不同擾動程度土樣的壓縮特性的影響規律及作用機制，主要結論如下：

1)在相同的振動頻率條件下，由壓縮曲線獲得的擾動土樣屈服后壓縮指數Ccla、屈服壓力py隨著振動時間增加而逐漸減小，屈服前壓縮指數Cclb和擾動度D隨時間增加而逐漸增大，并且屈服壓力py隨著擾動度的增加呈線性衰減關系。

2)在相同的振動時間條件下，振動頻率高的土樣壓縮曲線位于振動頻率低的下方，隨著振動頻率的提高，軟黏土相應的壓縮性、擾動土樣屈服后壓縮指數Ccla、屈服壓力py逐漸減小，而擾動土樣屈服前壓縮指數Cclb和擾動度D則隨振動頻率增大而逐漸增大。

3)Burland[7]提出的孔隙指數可以將重塑土樣壓縮曲線歸一化為ICL，不同擾動程度的土樣壓縮曲線位于ICL上方，擾動土樣屈服前Iv-lgp曲線位置緩慢降低，擾動土樣屈服后Iv-lgp曲線位置降低幅度增大，隨著振動頻率和振動時間的增加，不同擾動程度的Iv-lgp曲線都逐漸接近于ICL曲線。