第27卷 第9期 岩 土 工 程 学 报 Vol.27 No.9 2005年 9月 Chinese Journal of Geotechnical Engineering Sep., 2005 饱和软粘土的循环蠕变特性朱登峰1，黄宏伟1，殷建华2（1.同济大学 地下建筑与工程系，上海 200092；2.香港理工大学 土木及结构工程学系，香港 中国）摘 要：本文介绍对上海淤泥质饱和粘土在长期循环荷载作用下的变形特性的试验研究结果。
考虑到土的各向异性性质，在三轴试验中，在K0固结条件下把土试样恢复到天然的K0应力状态，然后进行排水及不排水单向循环加载蠕变试验。
从试验结果可以观察到一些重要的现象：（1）当循环轴向应力小于初始固结压力的50％时，饱和粘土的循环蠕变可分成三个阶段；（2）循环应变可分成不可逆的累积应变与可逆应变两部分，可逆应变的大小与循环应力幅值近似成线性关系；（3）孔压增长较为滞后，不排水试样孔压增长稳定时其值约为应力幅值50％，而排水试样的残余孔压约为应力幅值的20％。
关键词：饱和粘土；循环荷载；蠕变，K0固结中图分类号：TU 435 文献标识码：A 文章编号：1000–4548(2005)09–1060–05作者简介：朱登峰(1975–)，男，博士生，研究方向是循环荷载作用下软土理论研究及其工程应用。
Cyclic creep behavior of saturated soft clayZHU Deng-feng1, HUANG Hong-wei1, YIN Jian-hua2(1. Department of Geotechnical Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China; 2. Department of Civil and Structure Engineering,The Hong Kong Polytechnic University, Hong Kong, China)Abstract: A study on the deformation behavior of a saturated soft clay under cyclic loading was presented. Considering the intrinsic anisotropy of the soil, a soil specimen was initially restored to the in-situ stress state under K0 consolidation in a triaxial cell, and then the specimen was sheared in the same triaxial cell under axial cyclic loading and tested in a drained or undrained creep condition. The test results showed that: (a) The cyclic creep process of the saturated clays could be divided into three stages if the cyclic axial stress was less than 50% of the initial confining pressure. (b) The cyclic strain could be divided into two parts, that is, a irreversible accumulated strain and a reversible strain. The magnitude of the there was approximately a linear relation between the reversible strain and the amplitude of the cyclic stress. (c) The increase of excess pore water pressure initially lagged behind that of stress. The stable excess pore pressure was about 50% of the stress amplitude for a undrained specimen, however the residual excess pore water pressure was approximately 20% of stress amplitude for a drained specimen.Key words: saturated clay; cyclic loading; creep; K0 consolidation0 前 言软土的循环荷载效应研究开始于20世纪50年代。
早期Seed（1958，1961）及其同事首先开展了低路堤交通往复荷载作用下路基变形特性研究[1，2]，Wilson （1974）、Baligh（1978）等研究了循环荷载作用下非弹性正常固结粘土的一维固结问题，推导出了循环荷载下土超孔隙水压力及沉降的解析解[3，4]。
Andersen （1980，1988）[5，6]研究了粘土的循环剪切强度、变形及孔压变化规律。
Mladen（1988）指出随着超固结比增大，粘土循环剪切模量退化率降低[7]。
Hyde（1986）对粉质粘土试样进行了一系列循环不排水强度试验，显示正常、弱超固结土的循环加载将引起超固结度的明显增长[8]。
Silvestri[9]、Narasimha[10]等人研究结果表明循环荷载作用下粘土的有效固结压力、变形、不排水强度受加载频率影响。
Dutt[11]指出正常固结粘土的循环行为和循环加载及随后单调加载的超固结材料一致。
Liang[12]等根据边界面塑性力学概念，采用二阶应力张量结点不变量及粘土构造张量考虑材料的各向异性，提出动荷载下饱和软粘土的本构模型。
蒋军、陈龙珠（2001）研究了不同加载波形循环荷载作用下饱和重塑粘土的变形特性[13]。
循环荷载可分为短期循环荷载（如地震荷载）和长期循环荷载（交通、风、波浪荷载）两类。
与交通、───────基金项目：教育部新世纪优秀人才支持计划项目收稿日期: 2004–11–23第9期朱登峰，等. 饱和软粘土的循环蠕变特性 1061风、波浪、机器振动等长期循环荷载作用有关的地基问题，由于荷载强度小、作用时间长，影响较大的是变形问题。
如日本某低路堤高速公路，在投入运行后，路基发生了惊人的沉降，5 a后达1～2 m[14]。
这表明在长期循环荷载作用下，粘土变形随时间逐步发展，循环累积变形效应显著，应引起足够重视。
特别是随着近年来国内城市轨道交通、地铁、高速铁路、高速公路迅猛发展，交通荷载对土体长期沉降和不均匀沉降的影响研究日益重要，因此，有必要对循环载荷作用下土体的流变特性进行试验研究。
本文根据对上海淤泥质粘土的循环三轴排水及不排水蠕1 试验仪器试验在英国GDS仪器设备公司生产的2 Hz动态试验系统(DYNTTS)上进行。
该系统主要由三轴压力室、围压控制源、反压控制源、轴向荷载驱动器、量测设备、数据采集器、计算机等组成。
整个系统由计算机控制，可自动实现数据的采集处理及试验过程图形的绘制，并具有多个试验模块，可进行固结、常规三轴、高级加载、应力路径、渗透、动态三轴等试验。
系统的主要技术参数包括：围压及反压控制范围为0～2 MPa，控制精度1 kPa，体积变化控制精度1 mm3，轴向位移测量分辨率0.08 µm，轴向最大荷载10 kN，测量精度高于满量程的0.1％。
层厚约10 m层土的基本物理性质指标为：天然含水率51.6％，天然重度为16.7 kN/m3，比重2.75，孔隙比1.44，液限43.9％，塑限24.0％。
由于天然土的应力应变关系与初始固结条件有关，因此，土的K0值的准确确定对研究土的动态行为，特别对于K0<1的正常或弱超固结粘土是非常重要的[15]。
试验中应尽力重复土由K值控制的这一预剪条件，对试样首先进行K0固结，使土样恢复到现场原位状态。
试验内容分为排水循环蠕变、不排水循环蠕变试验，试验加载控制参数如表1所示。
试验步骤如下：首先将土样在切土架上制成直径5 cm、高10 cm的试样，然后把试样小心安装在三轴压力室内，避免试样扰动，密封容器开始试验；试验第一步进行反压饱和，饱和过程使围压设定略大于反压，保证试样不至于产生体积膨胀，围压与反压匀速增加，反压控制终值等于试样所在土层的静水压力；第二步进行K0固结，恢复试样到原位状态，固结过程中反压力保持不变，围压以非常小的速率增加，通过体变控制保持试样直径不变，试验终止条件以轴向压力达到土样上覆土层压力为标准；第三步进行三轴循环蠕变试验，循环试验采用正弦波加载，循环加载周期为5分钟。
表1 试样的试验加载控制参数Table 1 Testing controls parameter for samples试验类型试样编号试样深度/m轴向控制固结压力/kPa反压控制压力/kPa加载类型不排水循环蠕变C 17.0~17.3 297 162D 15.0~15.3 263 156排水循环蠕变 E 13.0~13.3 220 140正弦波形荷载3 试验结果及分析影响周期荷载作用下粘性土变形和孔压的因素有很多，本次试验考虑了排水条件和剪应力水平对蠕变的影响，关于加载频率对粘土变形和孔压的影响还存在争议，未取得一致的认识，分析可能与粘土的粘滞特性有关[16]。
本次试验也曾变化加载周期，结果显示对粘土的变形及孔压影响不明显。
3.1 不排水循环蠕变不排水循环试验土样C埋深17.0～17.3 m，通过K0固结过程使其恢复到原位状态后，进行分级循环加载试验，每级循环荷载轴向应力起始值（即最小值）等于试样的轴向固结应力，循环应力幅值分别为5，10，15，20 kPa，有效固结围压σ3c，＝48 kPa。
图1显示应力初始加载阶段的典型曲线，偏应力变化基本为正弦波形，偏应变随应力循环周数增加而增大，在一个应力循环内，粘土应力应变关系具有非线性，应力回复产生不可回复的塑性应变，孔压变化具有明显的滞后性，其峰值随循环周数增加而增加，并逐步跟上应力循环变化，这可能是由于循环载荷下粘土试样在轴向和径向形成孔压梯度，孔压量测在试样端部引起。
图2为孔压、偏应变、偏应力与循环周数N的关系曲线，图中P、D、V分别表示每一应力循环的峰值点、基准值点、谷值点，q a表示偏应力幅值。