软粘土的单剪实验研究

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本文作者：丁金伟 胡黎明 郑文棠 单位：广东省电力设计研究院 清华大学水利水电工程系水科学与水力水电工程国家重点实验室

0引言

实际工况的水平地基中，土体一般处于侧限应力状态，当剪切波在土体中传播时，土体的竖向应力保持不变。循环单剪试验能够模拟土体在这种条件下的动力反应，为土动力学理论的实际工程应用提供试验依据。对于分析这类水平地基土的失稳和破坏，Seed和Idriss［1］做了两个基本的假设:(1)地基土振动主要来自土中的剪切波竖向传播;(2)可以用多层性质单一的土层来模拟水平地基。以这种假设条件为前提，可以通过分析侧限条件下的土体单元的变形特性来分析水平地基的剪切变形。在循环剪切荷载作用下的水平地基中的一个土体剪切单元变形和应力状态如图1所示，其中初始竖向应力为σ'V0，初始水平向应力为K0σ'V0(K0是静止土压力系数)。受水平荷载作用过程中，由于受超静孔隙水压力的影响，竖向应力和水平向应力变成σ'V和Kσ'V(K是剪切过程中的土压力系数)。在总应力动力反应分析和有效应力动力反应分析方法中，采用上述假设来处理实际问题都被工程实例证实简单有效。单剪试验是在直剪试验的基础上改进而来，它用一系列的环形薄环代替直剪仪中的刚性剪切盒，剪切过程中没有明显的应力应变不均匀现象，试样内所施加的应力被认为是纯剪应力。静单剪仪最早由Roscoe［2］用来做水平场地的力学分析，1968年Peacock和Seed［3］把静单剪仪进行了改进，使其可以施加循环剪切荷载。1970年Finn［4］等人系统地研究了单剪试验中边界条件对试样的应力和变形的影响，他们明确了单剪试验中要保证试样简单剪切变形的基本要求。单剪仪提供完全理想的边界条件是很困难，但是试验经验和理论分析表明当采用完全刚性侧向变形限制，单剪试验中试样的绝大部分都会处于纯剪的应力状态。虽然单剪试验有缺陷，但是因为单剪试验过程中应力状态和设计的工程状态相近而被广泛采用。

1试验简介

本文海洋软粘土的单剪试验在DCSS动静单剪仪(见图2)上进行。DCSS动静单剪仪使用圆柱土样，土样在水平方向上用约束环固定来确保横截面面积不变，然后施加剪切荷载，通过有效的高度控制，防止试验过程土样在垂直方向发生位移，保持体积不变，实现单剪状态。试验中采用尺寸为高度2cm、直径7cm的圆柱土样。首先把调制好的土膏在固结仪上固结，然后将其切割成设备要求的土样，安装在单剪仪上，重新施加竖向应力2h，以克服在制备土样过程中因为应力释放带来的土样体积膨胀。试验采用的天津新港的海积软粘土的物理性质和强度指标如表1所示。本文进行了不同竖向应力下的静单剪试验和不同频率、不同超固结比的应变控制动单剪试验。

2试验内容及成果分析

2.1单剪试验试验过程中保持竖向压力不变，进行单剪试验，剪切的速率为1mm/h，试样的高度为2cm，水平剪切应变的速率为1.4×10－4m/s。单剪试验结果如图3所示，从图3(a)水平向剪应力—剪应变关系曲线可知，在单剪试验中该土水平剪应力并没有出现峰值，而是随着水平剪应变的增加而增大，呈应变硬化趋势。本文以10%的剪应变所对应的剪应力作为破坏剪应力，土样的抗剪强度如表2所示。如果采用莫尔—库仑准则来描述其强度，单剪试验中应力莫尔圆发展过程采用“同心圆”法，施加法向应力时按侧限压缩状态对待，水平向正应力如下式。假定剪切过程中竖向正应力σV保持不变，随着剪应力的增大，应力状态便构成一系列的同心圆，直到与强度包线相切(见图4)，计算该土的有效内摩擦角为23°。

2.2循环单剪试验在循环荷载作用下，应力应变曲线表现为一系列的滞回圈(见图5)。软粘土的动力特性可用土在循环荷载作用下的应力应变关系来描述:等效剪切模量指动应力和动应变中可以恢复部分之间的关系，阻尼比可用加载和卸载中的应力—应变滞回圈的面积来度量。绘制每一次循环荷载作用下的应力—应变曲线可以得到滞回圈，各个参数的定义如图5所示，其中G是等效剪切模量，Gmax是最大等效剪切模量，!a、!a分别是一个滞回曲线中的剪应力和剪应变的幅值。本次循环单剪试验是在应变控制条件下进行的，试验过程中通过调控单剪仪的轴向活塞，以此来保证试验过程中试样的体积保持不变。为了研究循环应变频率以及土样的固结比的影响，本文进行了对比试验，试验的条件分别为:(1)循环应变频率对比试验，土样正常固结，循环应变的频率分别为0.05Hz、0.1Hz、0.2Hz;(2)超固结土样对比试验，土样的超固结比分别为1、2和4，循环应变的频率为0.2Hz。动剪切频率对比试验测得的骨干曲线如图6所示:相同的条件下，循环频率越低，其对应的应力幅值就越小，等效剪切模量也就越低。因为在相同条件下，剪切速度越慢，则土样有更多的时间变形，孔隙水压力上升越大，其有效应力降低越大，故剪切模量越低，同时骨干曲线也变得更平缓。笔者在单剪试验中观察到，当频率大于0.1Hz，频率的影响逐渐消失，不同频率循环剪切条件下得到的骨干曲线区别不明显，该土样的动三轴试验中也观察到过类似的现象，但是频率影响开始弱化的阈值在两种试验中并不相同，在循环单剪试验中，当频率高于0.1Hz时，频率的影响几乎可以忽略，而在相同土的动三轴试验中，这个值约为0.2Hz［5］。可能的原因是单剪试验中土样的高度比较小，土样的超静孔隙水压力消散较快。超固结比对比试验测得的骨干曲线如图7所示，从图中可以看出，超固结比越高，相同剪应变条件下对应的剪应力和等效剪切模量越大。本文中所用海积土对于含水量和固结压力非常敏感，当固结压力大约为300kPa时，充分固结的土样压缩模量较大，并且逐渐呈现脆性材料的特点。在较大超固结比土样循环单剪试验时，剪切破坏常常不是出现在土样的内部，而是在土样和上下帽的接触面上破坏。由于不同超固结比土样的快速剪切单剪试验得到的应力应变曲线与循环剪切试验得到的骨干曲线具有特征可比性，即不同固结比土样的快速剪切试验中的应力应变相互关系，一定程度上反映出循环剪切试验中骨干曲线的特征［6］。为了评价超固结比的影响，本文对具有不同超固结比的土样进行了快速剪切单剪试验，剪切速率为0.8mm/min，试验结果见图8，试验结果显示:随着超固结比的增大，该土的应力应变曲线逐渐从应变硬化型变成应变软化型，而且对于超固结土，应力应变的曲线开始阶段非常陡，几乎是线性增加。如前文所述(见图7)，超固结比对该土的骨干曲线影响不明显，原因可能是该土在超固结状态下强度很高，导致循环单剪中剪滑面易出现在土样与仪器接触的上下表面而非土样内部，超固结比越大，这种趋势也越明显。作者尝试了多种方法来提高土样帽与土样之间的摩擦力，希望能够达到改善超固结比土循环单剪试验结果的目的，如在土样帽表面凿螺纹、打孔等，效果均不理想，所以要避免因为循环单剪试验的结果而低估超固结比的影响。

2.3剪应变幅值和循环振次的影响分析本文采用了应变控制方式，在大应变条件下研究了循环振次对该土动力学性质的影响。在循环单剪试验中，强度的衰化主要发生在最初的100周次内。本文选择500次作为试验的终止条件。该系列的循环单剪试验应变幅值分别控制在0.5%、1%、3%和5%，频率均为0.2Hz，等效剪切模量G(GN为第N个循环周次的等效剪切模量)和阻尼比D(DN为第N个循环周次的阻尼比)与剪切应变的关系曲线如图9、图10所示。可以看出，在应变控制的循环单剪试验中，等效剪切模量随着循环振次的衰化在起始循环周次内比较明显，经过一定数量周次的循环剪切以后，逐渐进入一种相对稳定的状态，此时的抗剪强度还能够维持相当的值，进入相对稳定状态的周次跟应变幅值相关，应变幅值越小，进入相对稳定状态所需要的振次越少。循环振次对阻尼比的影响较小，从图10中可以看出，在循环剪切过程中，阻尼比基本保持不变。

3结论

本文对天津新港软粘土进行了一系列基于应变控制的单剪试验，分析了土样剪切速率、超固结比和循环振次对该软粘土的动力学性状影响，得出以下结论:(1)剪切频率越高，相同应变幅值对应的应力幅值和等效剪切模量就越大，存在剪切频率的阈值，当频率高于该阈值时，剪切速率对等效剪切模量的影响可以忽略，但是该阈值在不同试验方式中测量的结果不同，在本文的循环单剪试验中，频率阈值为0.1Hz，而在动三轴试验中，频率的阈值为0.2Hz。(2)在循环单剪中，超固结比越大，相同的应变幅值对应的应力幅值和等效剪切模量就越大，但是其影响不明显;而静单剪试验结果显示，超固结比对其抗剪强度的影响是显著的。根据静单剪与动单剪的相关性判断，循环单剪中超固结比的影响易被低估。(3)等效剪切模量随着循环振次增加而衰化，这种衰减主要发生在循环的初始阶段，经过一定周次循环单剪后，土体会进入相对稳定的状态，这个循环周次跟应变幅值相关，应变幅值越小，土体进入相对稳定状态所需要的循环振次越少，反之亦然。(4)循环振次对阻尼比的影响较小。