第1章绪论
1.1饱和软黏土基本概念
软黏土是软弱黏性土的简称，是指天然含水率大，具有压缩性高、强度低等特征的黏质土，通常呈软塑到流塑状态，包括淤泥、淤泥质黏土、淤泥质亚黏土等。软黏土形成于第四纪晚期，多为海相、河相和湖相沉积物。
国外研究的比较广泛的典型软黏土包括挪威的Drammen黏土、英国的Bothkennar黏土、墨西哥城软黏土、美国的Boston蓝黏土以及日本的Ariake黏土等。软黏土在我国分布广泛，在滨海平原、河口三角洲、湖盆地周围、山间谷地均有分布，对于沿海地区，海相软黏土广泛分布，自天津-上海-杭州-宁波-温州-福州-厦门，软黏土的含水量越来越大，压缩性越来越高，强度越来越低，总体呈现出“北强南弱”的特点。由于颗粒成分、沉积环境、地质历史等的影响，我国的软黏土表现出明显的地域性特征，即不同地域的软黏土表现出很大的差异。我国东南沿海各地区地下水位普遍较高，软黏土中水分含量多达到饱和状态。饱和软黏土的含水量较高、渗透性差、压缩性大、强度低，力学特性十分复杂，受到应力强度、应力历史和应力路径等因素的影响，具有明显的结构性和各向异性。
1.2饱和软黏土动力特性研究内容
饱和软黏土动力特性的研究内容十分丰富，主要包括动力特性影响因素、循环软化与动强度、变形与动孔压、临界动应力水平四方面内容。
1.2.1动力特性影响因素
循环荷载作用下黏性土性状的影响因素包括试验方式（循环三轴、循环扭剪、循环单剪、共振柱试验）、试样因素（土的类型、物理性质、结构）、试验方法（应力控制、应变控制）和条件（固结状态、围压大小）及荷载因素（加载波形、振动频率、振幅和振次、初始剪应力）等方面，陈颖平（2007）和王军（2007）等对该问题已有详细介绍，以下主要分析目前研究较少、与交通荷载作用密切相关的几个因素，包括振动频率、排水条件及间歇性振动等。
1. 振动频率
振动频率是指周期振动的频率或不规则振动的主频。针对不同的交通荷载形式（高速公路、高速铁路或机场跑道），其交通工具对应的振动频率往往不同，一般认为交通荷载作用下的振动频率范围在0.1～10 Hz之间（Chazallon et al.，2006）。
Matsui等（1980）采用0.02～0.5 Hz的频率对Ip=55的Senri黏土进行了应力控制式的三轴循环剪切试验，结果表明对于给定的循环次数而言，低频荷载产生较高的孔隙水压力和轴向应变。周建等（2000）、潘林有和王军（2007）、张茹等（2006）通过动三轴试验得到了类似的结论。然而，Yasuhara等（1982）采用频率0.1～10 Hz对Ariake黏土（Ip=58）进行了应力控制式试验，但结论是频率越高，孔压越大，得到了相反的结论。
由此可见，振动频率对饱和软黏土动力特性的影响还未取得一致的结论，这可能是由于试验方法、试验仪器、频率范围、动应力大小、土的黏滞特性等因素的不同引起的。
2. 排水条件
目前循环荷载作用下饱和软黏土动力特性的研究大都针对地震荷载或强风暴荷载，由于循环次数偏少（<1000次），考虑到软黏土的渗透系数很小，试验多在不排水条件下进行。但是由于地基软土要经受经年累月的长期循环作用，严格来说，完全不排水条件是不成立的，路基土在长期循环荷载作用下应该是处于半排水或者说部分排水状态。
Seed（1975）*次利用太沙基（Terzaghi）固结理论结合不排水条件下产生的孔隙水压力分析了砂土液化所引起的沉降。采用同样的方法，Hyodo等（1989）针对部分排水条件下的软土动力特性进行了早期的研究，并提出了计算部分排水条件下路基软土沉降的模型。Sakai等（2003）通过对Ariake软黏土进行一系列不排水和排水条件下的循环三轴试验，基于试验结果提出了计算部分排水条件下软土应变的数值计算方法，并成功将其应用到低路堤工程中。国内蒋军（2002）曾利用HX-100多功能三轴系统对循环荷载作用下土的排水性状进行试验研究。黄博等（2011）利用GDS（global digital system）动三轴仪模拟高速列车荷载时加荷模式、排水条件、加荷次数等因素对试验结果的影响，建议可采用半正弦波在排水条件下进行动力试验模拟高速列车荷载。
相比不排水条件而言，目前针对饱和软黏土进行的部分排水条件下的循环荷载试验还十分少见。未见有文章系统分析排水条件对长期循环荷载作用下饱和软黏土的孔压发展、回弹应变及累积应变的影响。
3. 间歇性振动
实际上，交通工程中循环荷载作用并不是每个时刻均匀分布的，而是在某个时间段比较集中，其他时间又可能相对较少，即土体承受一段时间的循环振动后，有一段时间的停振，然后继续承受循环振动。白冰等（2002）研究了不同冲击遍数情形下土体的孔压和变形规律，指出每遍冲击再固结后，土体抵抗外部动荷载的能力有所提高。王淑云等（2009）研究了粉质黏土周期荷载后的不排水强度衰化特性。Yildirim和Er?an（2007）设计了连续振动停振试验（即振动60min后，允许土样孔压有60min的消散时间），分析了土样在不同阶段的孔压和应变发展规律，该试验假定土样在循环荷载下是不排水的，在振动后的静止段则可以排水，而实际上土体的排水条件不管在振动时还是在停振期应该始终是相同的。
因此，有必要通过间歇性的分阶段循环加载试验分析循环振动后土体动力特性的变化，以及再次承受循环荷载时土体的孔压和应变发展规律。
1.2.2循环软化与动强度
1. 循环软化
饱和软黏土在循环荷载作用下会发生软化，主要基于以下三个原因（周建等，2000）：①渗透系数很低，循环荷载作用下饱和软黏土中产生的孔压来不及消散，孔压的累积使得软黏土有效应力降低，导致土体软化；②循环荷载作用下主应力方向连续旋转，大主应力方向的不断改变引起土体结构重塑，导致土体软化；③当循环应力水平较高时，循环应力会对土体原有结构产生影响，导致土体软化。
Idriss等（1978）较早地研究了循环荷载作用下饱和软黏土的软化特性，提出了软化指数的概念：
（1.1）
通过引入软化参数t建立了软化指数与循环次数之间的关系式：
或 （1.2）
Vucetic和Dobry（1988）探讨了超固结比及塑性指数对土体软化的影响。Matasovic和Vucetic（1992，1995）通过进一步的研究建立了软化参数t与循环剪应变之间的关系，通过t的变化揭示了土体的软化特性。要明伦和聂栓林（1994）对软化参数t进行了修正，解决了当循环次数无限大时模量软化为零的问题。Zhou和Gong（2001）对杭州原状饱和软黏土进行了一系列应力控制动三轴试验，建立了考虑循环应力比、超固结比、频率等因素影响的软化指数模型：
（1.3）
2. 动强度
作用在土上的动应力如能够引起土在破坏意义上的动应变或土在极限平衡条件下的动孔压，则这个动应力即相当于土的动强度。或者说，动强度是在一定动荷载往返作用次数N下土满足某一破坏标准所需的动应力。显然，破坏标准不同，相应的动强度也就不同。因此，合理地制定破坏标准是讨论土动强度问题的前提。目前，对于饱和软黏土的不排水试验，破坏标准主要有3种：应变标准（变形达到某一指定破坏应变）、孔压标准（动孔隙水压力达到某种发展程度）以及屈服标准（动荷载作用过程中变形开始急速转陡）。
孔压标准主要用于判断砂土的液化，目前也有一些研究利用残余孔压作为软黏土的破坏标准（Yasuhara et al.，1992，2003），但对于饱和软黏土而言，由于循环过程中孔压存在滞后现象，因此采用孔压作为破坏标准的准确性值得商榷。目前饱和软黏土中应用*广泛的破坏标准还是应变标准，将双幅或单幅应变达到某一量值时对应的循环次数定义为循环破坏，常见的破坏应变有3%、5%、10%或者15%（Andersen et al.，1980；Hyodo et al.，1994；Li et al.，2006）。陈颖平（2007）则以ε-logN关系*线出现转折点来作为软黏土破坏标准。
1.2.3变形与动孔压
1. 变形特性
循环荷载加载方式分双向加载（two-way，循环拉压）和单向加载（one-way，循环压缩），对于交通荷载而言，单向加载更为符合。图1.1为单向循环加载下饱和软黏土试样的轴向应变发展和应力-应变关系图。可以看出，加载过程中产生的总应变在卸载过程中，一部分变形可以恢复，称为回弹应变，另一部分变形不可恢复，并且随着循环次数的增加不断累积，称为累积应变。
图1.1单向循环加载下饱和软黏土试样的轴向应变发展和应力-应变关系图
目前累积应变的计算方法主要有两种：弹塑性模型和经验方程。在土力学中，已有大量针对砂土或黏土的弹塑性模型提出，包括各向同性硬化模型（Dafalias，1982）、各向异性硬化模型（Mroz and Pietruszczak，1983；Bardet，1990）以及旋转随动硬化模型（Lade and Inel，1997；Hashiguchi and Chen，1998）。采用这些模型计算土体的累积变形时，要模拟每一次循环过程，当计算循环次数达十万、百万次时，计算量巨大，而且往往产生很大的误差（Chazallon et al.，2006）。因此，目前采用弹塑性模型计算大周数循环下的累积应变是不适用的。
相比而言，经验模型直接建立累积应变与循环次数之间的关系式，在计算大周数循环下的累积应变方面具有一定的优势。目前普遍采用的累积应变经验方程是由Monismith等（1975）提出的指数方程：
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