广州地区花岗岩残积土长期累积变形特性研究_周宏.pdf

第 18 卷增刊 2地 下 空 间 与 工 程 学 报Vol.182022 年 12 月Chinese Journal of Underground Space and EngineeringDec.2022广州地区花岗岩残积土长期累积变形特性研究周宏(中铁十一局集团有限公司,武汉 430061)摘要:广州地区花岗岩残积土分布广泛,研究循环荷载作用下残积土的累积变形特性对该地区高铁、地铁、公路等地基的长期变形控制至关重要。以广州非饱和花岗岩残积土为研究对象,采用室内 GDS 动三轴仪,考虑了不同循环荷载幅值和围压两个因素,开展了循环荷载作用下广州花岗岩残积土的累积变形特性和规律的实验研究。结果表明:循环振动荷载幅值和围压对花岗岩残积土的累积变形影响显著,循环荷载幅值与累积变形正相关,而围压与累积变形负相关;在一般交通振动荷载应力幅值下(小于 60 kPa),花岗岩残积土的累积塑性变形随循环荷载次数的增加呈现上升趋势,但不会无限增加,而是随着循环次数增加逐渐趋于稳定;广州花岗岩残积土的累积变形随振动次数之间不是简单的指数函数关系,而更符合双曲线函数关系;基于试验数据和已有研究成果,推荐了适合广州地区花岗岩残积土循环累积变形预测模型。研究成果可为广州地区交通荷载作用下花岗岩残积土地基长期变形控制提供一定的参考。关键词:残积土;累积塑性应变;循环荷载;动三轴试验中图分类号:TU441文献标识码:A文章编号:1673-0836(2022)增 2-0627-07Long-Term Cumulative Deformation Characteristics of Granite Residual Soil in GuangzhouZhou Hong(China Railway 11 Bureau Group Co.,Ltd.,Wuhan 430061,P.R.China)Abstract:Granite residual soils are widely distributed in Guangzhou,and the study of the cumulative deformation characteristics of residual soils under cyclic loading is essential for the long-term deformation control of foundations of high-speed railways,subways,and highways in the region.In this paper,an experimental study on the cumulative deformation characteristics and laws of granite residual soils in Guangzhou under cyclic loading was carried out by using an indoor GDS dynamic triaxial instrument with two factors,different cyclic load amplitude and surrounding pressure,as the research object.The results show that the cyclic vibrating load amplitude and the surrounding pressure have significant effects on the cumulative deformation of granite residual soil,and the cyclic load amplitude is positively related to the cumulative deformation,while the surrounding pressure is negatively related to the cumulative deformation.Besides,under the general traffic vibration load stress amplitude(less than 60 kPa),the accumulated plastic deformation of granite residual soil shows an increasing trend with the increase of cyclic load,but it will not increase infinitely,it gradually stabilizes with the increase of cyclic load.This indicates that the accumulated deformation of granite residual soil in Guangzhou is not a simple exponential function with the number of vibrations,but more in line with the hyperbolic function.In addition,based on the experimental data and the existing research results,a prediction model for the cyclic cumulative deformation of granite 收稿日期:2022-06-13(修改稿)作者简介:周宏(1982),男,湖北孝感人,高级工程师,主要从事地铁工程施工等工作。E-mail:321785384 基金项目:校企联合攻关项目(2019056083)residual soils in Guangzhou is recommended.The research results can provide some reference for the long-term deformation control of granite residual soil foundation under the traffic load in Guangzhou.Keywords:residual soil;cumulative plastic strain;cyclic load;dynamic triaxial test0引言花岗岩残积土广泛分布在东南沿海地区,它是花岗岩经风化而残留在原地的残留物,是一种特殊土体。花岗岩残积土具有均匀性差、遇水软化、易崩解等不良工程特性,在交通工程日益发达的今天,穿越该土层时所面临的相关工程问题仍亟需解决。因此,循环荷载作用下花岗岩残积土的动力特性、变形特性等问题受到了越来越多的关注。目前主要有花岗岩残积土的水稳定性、结构强度和动强度等方面的研究,如尹松等1通过对压实花岗岩残积土的累积塑形应变规律曲线分析,结合地区多雨的气候特点指出压实花岗岩残积土的动力特性易受湿热环境的影响,并提出在道路建设中应作为下路提填料,这样受气候和动荷载的影响较小。同样地,周德泉等2通过三联固结仪进行湿化试验和侧限压缩研究循环荷载作用下花岗岩残积土的湿化规律,指出超载越大,湿化土的水稳定性越强。花岗岩残积土具有保留母岩结构强度的特性,李志勇等3针对全风化花岗岩在重复荷载下的动强度特性通过动三轴试验,得出全风化花岗岩的动强度值随交通重复荷载作用而大幅衰减,陈志波等4针对福州地区原状花岗岩残积土的动强度特性同样采用了动三轴试验的试验方法,得出经过长期循环荷载作用,原状花岗岩残积土的动强度特性 同 样 大 幅 降 低。针 对 这 一 特 性,刘 新 宇等5对土样原始结构与微观裂隙研究,对厦门地区花岗岩残积土采用不同冲击频率和振幅影响的循环冲击试验,得出花岗岩残积土产生冲击破坏的根本原因是冲击能量耗散引起的结构损伤及塑形变形的累计,此外低频与超高频冲击下更容易产生较高水压,导致有效应力降低,引起强度下降。同样在厦门地区,李江等6对该地区原状花岗岩残积土的动力特性进行研究,通过室内三轴不排水动力剪切试验研究了残积土的强度、应力路径、孔隙压力等动力学性质。变形特征方面,祝方才等7对衡阳地区花岗岩残积土通过非饱和的动三轴试验分析了吸力、净围压对非饱和花岗岩残积土的变形特征的影响。汤连生等8在花岗岩残积土蠕变模型基础上推导建立了动应力累积理论模型,通过理论与实验的对比得出应力累积随蠕变的变化而变化,应力累积的发生是土壤材料的变形引起的,且应变不一定引起应力积累。上述研究成果为研究循环荷载作用下花岗岩残积土变形、强度等动力特性在实际工程应用中提供了重要的理论基础,但在某些问题上,目前的研究仍较少,亟需完善。比如对花岗岩残积土长期累积变形特性方面,特别是长期交通振动荷载作用下变形随振动次数的变化规律等方面的认识不足。为此,本文以广州花岗岩残积土为研究对象,采用室内 GDS 动三轴仪研究循环荷载作用下花岗岩残积土长期累积变形特性,分析不同循环荷载应力幅值和围压下变形随循环振次的变化规律和预测模型。研究成果可为广州花岗残积土地区地铁、高铁等交通振动荷载作用下的地基长期变形控制提供一定的参考依据。1动三轴试验1.1试验材料本次试验采用广州市番禺广场地铁车站底部的花岗岩残积土作为试验对象,土样分类标准依据广东省建筑地基基础设计规范9(DBJ 15-312016)进行划分,根据实测标贯击数 N 划分为强风化岩(N70)、全风化岩(70N40)和残积土(N小于 40),所用土样的常规物理参数如表 1。表 1花岗岩残积土基本力学性质Table 1Basic mechanical properties of granite residual soil含水率/%湿密度0/(gcm-3)孔隙比e塑性指数IP液性值数IL压缩性系数0.1 0.2/MPa-1模量ES/MPa直剪快剪内聚力/kPa内摩擦角/()26.61.90.814.900.54.319.827.6注:数据有室内试验测得,残积土的静止侧压力系数为 0.5826地 下 空 间 与 工 程 学 报第 18 卷1.2试验仪器本次试验所采用的实验仪器为英国 GDS 公司生产的 GDS 室内岩土三轴试验仪,如图 1 所示。该仪器主要由压力室、伺服控制器、压力控制器和控制电脑几部分构成。可以通过电脑软件独立控制动态或静态的轴向应力和围压,并且可以根据实验需要施加正弦波、三角波等加载形式。在试验过程中可以高精度测量轴压、围压、动应变、动应力、孔隙压力等参数,参数可直接从配套软件中得到,并且试验全程无需手动调整和测量,可以得到精度较高的试验数据。根据软件中的直接测量数据可以进行动弹性模量、动阻尼比等特性的分析。图 1GDS 室内岩土动三轴实验仪Fig.1GDS geotechnical dynamic triaxial experimental instrument1.3试验方案本次试验所用试样均为重塑土样,土体饱和度作为试验变量之一,根据室内试验测得的湿密度和所需饱和度配置不同土样。在此基础上在动三轴试验过程中分别改变初始固结围压和循环荷载幅值,探究对土体动力应变特性的影响。采取单一变量原则,在其他参数不变的情况下改变其中一项参数,具体各组试验参数见表 2。在研究循环荷载幅值的影响时,根据车站现场实际情况以及相关资料,本次实验所采用的循环荷载幅 值 分 别 为 20 kPa、30 kPa、40 kPa、50 kPa、60 kPa。根据埋深以及上覆土层平均重度,计算残积土原位状态下所受竖向压力。确定了轴向固结压力在 200400 kPa 范围内进行取值。另外为了使试样恢复到原始土层的受力状态,需要进行非等向的排水固结,根据勘察资料以及其他文献资料,试验土样的静止侧压力系数取 0.5,所以固结围压