杜雅峰,夏歡歡,劉會平,王 巍

(1.華北水利水電學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院,河南 鄭州 450011;2.成都理工大學(xué)四川省數(shù)學(xué)地質(zhì)重點實驗室,四川 成都 610059;3.河南省地礦局第二地質(zhì)勘查院,河南 許昌 461000)

0 前 言

海積軟土主要以淺海相沉積為主,土層為淤泥質(zhì)粘土和淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土,呈流塑狀態(tài),富含有機質(zhì),其特點為高含水率、高壓縮性、高靈敏度、低強度等工程特性并具有顯著的蠕變特性。軟土體的蠕變特性對于土體固結(jié)、邊坡穩(wěn)定及地基承載力等有著重大影響。眾所周知,應(yīng)力、應(yīng)變并不是簡單代數(shù)關(guān)系,而包括復(fù)雜的隨時間變化的規(guī)律。軟土經(jīng)常會因為長期荷載作用下,出現(xiàn)基礎(chǔ)沉降過大,或出現(xiàn)基礎(chǔ)偏移等蠕變現(xiàn)象[1-2],這些蠕變變形是隨著時間的推移逐漸發(fā)展,經(jīng)過長時間的發(fā)展,其變形量不容忽視。

目前,國內(nèi)外學(xué)者在蠕變現(xiàn)象和機制、蠕變特性試驗以及蠕變本構(gòu)模型等方面取得了一定的研究成果。在土的蠕變特性試驗方面,王常明、肖樹芳[3]對深圳、上海、珠海地區(qū)的海積軟土進(jìn)行了一維固結(jié)蠕變試驗,提出了時間效應(yīng)系數(shù),并對固結(jié)蠕變過程中土的微觀結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行了研究;朱鴻鵠等[4]對珠江三角洲的軟土進(jìn)行了一系列的排水和不排水的三軸蠕變試驗,分析了軟土在不同的應(yīng)力水平和排水條件下的蠕變特性,同時建立了相應(yīng)的排水和不排水條件下的Singh-Mitchell蠕變模型;周秋娟等[5]對廣州南沙軟土做了一系列室內(nèi)蠕變試驗,系統(tǒng)地探討了軟土的蠕變變形特性。本文以廣州地區(qū)海積軟土為研究對象,考慮原狀土先期固結(jié)壓力的影響,進(jìn)行了不同固結(jié)圍壓下的三軸固結(jié)不排水蠕變試驗,分析這類軟土蠕變特性對變形的影響規(guī)律,為軟土地基的沉降和工后沉降計算提供依據(jù)。

1 試驗方案

1.1 試驗設(shè)備及試樣

采用江蘇省氵粟陽市永昌工程試驗儀器廠生產(chǎn)的2FSR-6型二聯(lián)式非飽和土三軸蠕變試驗儀。該系統(tǒng)主要由三軸壓力室、軸向變形量測系統(tǒng)、軸向力加載系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集器、計算機等組成。

試驗所用軟粘土取自廣州某工地,屬海積軟粘土,土質(zhì)均勻,天然含水率較高,高壓縮性,低強度,含有少量云母貝殼碎屑,靈敏度較高,具有較強的結(jié)構(gòu)性,取土深度為13 m左右,物理性質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 試驗土體物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

1.2 試驗方法

(1)結(jié)構(gòu)屈服強度的確定

本文通過一系列標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗,得到了結(jié)構(gòu)性軟粘土的e-logp曲線,并根據(jù)文獻(xiàn)[6]中結(jié)構(gòu)屈服強度的確定方法,測出該軟粘土的結(jié)構(gòu)屈服強度(先期固結(jié)壓力)約在30 kPa～55 kPa之間。

(2)三軸壓縮試驗

常規(guī)三軸試驗在應(yīng)變控制式三軸儀上進(jìn)行。試驗采用φ=39.1mm,H=80mm的原狀土樣。進(jìn)行不固結(jié)不排水剪(UU)試驗,固結(jié)不排水剪(CU)試驗以及固結(jié)排水剪(CD)三軸試驗。

(3)三軸蠕變試驗

試驗對土樣進(jìn)行恒定荷載蠕變試驗研究,具體室內(nèi)試驗步驟如下:①土樣切制:將土樣制成直徑61.8mm、高120mm的試樣;②反壓飽和24 h;③小心安裝在三軸壓力室內(nèi),避免試樣擾動,密封容器開始試驗;④排水固結(jié)24 h;⑤三軸蠕變試驗:由于設(shè)備砝碼豎向荷載最小加載量12.5 kPa,故各級荷載分別取12.5 kPa,25 kPa,37.5 kPa,50 kPa,并選取圍壓 σ3分別為 20 kPa、50 kPa、100 kPa三種周圍壓力進(jìn)行試驗分析,以測定當(dāng) σ3小于先期固結(jié)壓力、接近先期固結(jié)壓力以及高于先期固結(jié)壓力三種情況下軟土的蠕變特性。當(dāng)1天內(nèi)豎向位移小于0.01mm時,則認(rèn)為蠕變達(dá)到穩(wěn)定,施加下一級荷載。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 三軸壓縮試驗成果及分析

圖1是常規(guī)三軸壓縮試驗所得的不同固結(jié)圍壓和排水條件下的偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變關(guān)系曲線,表2為各種試驗條件下的強度參數(shù)。

圖1 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

結(jié)果表明:

(1)土體在不同的固結(jié)狀態(tài)及排水條件下,受剪過程中的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系是有明顯不同的:圖1(a)的UU試驗與圖1(b)的CU試驗均有比較明顯的屈服點,并且圖1(a)與1(b)的曲線都較好的復(fù)合了雙曲線的特征;而圖1(c)的關(guān)系曲線則表現(xiàn)出了一定的線性關(guān)系,特別是軸向應(yīng)變大于2%之后,線性特性更加明顯,曲線整體沒有明顯的屈服點。

(2)從這三張圖并結(jié)合表2可以非常明顯地看出:剪切過程中排水與否對土體的抗剪強度有較大影響,土體排水條件越好,土體固結(jié)作用越明顯,抗剪強度越高。

表2 不同試驗條件下的抗剪強度

(3)三軸試驗測定的抗剪強度會受到剪前和剪切時固結(jié)程度的影響。

2.2 三軸蠕變試驗

三種圍壓下的全過程加載曲線如圖2(a)～2(c)所示。再由分級加載曲線經(jīng)“陳氏加載法”進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,進(jìn)而得到“分別加載”下的蠕變曲線,如圖3(a)～3(c)所示。

圖2 三軸全過程蠕變曲線

圖3 分級加載轉(zhuǎn)化為分別加載蠕變曲線

從圖2、圖3中可以得出:

(1)在偏應(yīng)力水平小于某一σs1時,蠕變變形很小,偏應(yīng)力加載時的瞬間瞬時變形也較小,但隨著加載時間的不斷增長,蠕變變形也隨之增加,但蠕變曲線只出現(xiàn)衰減蠕變階段。如在圍壓為50 kPa的試驗條件下,加載12.5 kPa荷載后最終穩(wěn)定的蠕變變形量為0.408%,其中前一小時變形量達(dá)0.4%,之后逐漸趨于穩(wěn)定。

(2)偏應(yīng)力水平增大并接近某一 σs2時,蠕變曲線將出現(xiàn)衰減蠕變及穩(wěn)定的粘塑性蠕變階段,即當(dāng)荷載大小一定時,其加載后的變形量并不是隨著加載時間的增高無止境的增大,而是隨著加載時間增加而增高,單位時間內(nèi)變形量增加值逐漸減小,后停滯,變形量逐漸趨于一穩(wěn)定值,這是由于荷載值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于軟土結(jié)構(gòu)屈服強度,所以在試驗加載初期,軟土的變形主要以彈性變形為主,所能達(dá)到的變形量很小。

(3)隨著偏應(yīng)力水平的增大,土體在荷載加載時的瞬時變形有明顯增大,表現(xiàn)為加載瞬間土體豎向變形達(dá)到前一應(yīng)力水平所發(fā)生的豎向變形的數(shù)倍,這是由于所施加的荷載達(dá)到或超過了結(jié)構(gòu)屈服強度,軟土結(jié)構(gòu)性開始破壞,并隨著荷載的不斷施加,軟土結(jié)構(gòu)性的破壞程度逐漸加大,此時軟土的變形量主要以彈塑性或塑性變形為主,但是由于土體的結(jié)構(gòu)性并沒有完全破壞,此時土體的變形量仍舊是有限的。如在50 kPa圍壓的試驗條件下,當(dāng)偏應(yīng)力值增加至25 kPa后,軸向變形在5 min的時間內(nèi)就從0.408%達(dá)到了2.48%。隨后的6 h內(nèi),軸向應(yīng)變逐步增加至3.76%,之后逐步趨于穩(wěn)定。

(4)在試驗過程中,觀察到也有另外的一種情況發(fā)生:試樣發(fā)生急劇變形并非一定發(fā)生在荷載加載之后的很短時間內(nèi)。相反,在增加新的荷載后的數(shù)小時內(nèi),試樣蠕變變形增加較為平緩,之后急劇增大,這種情況在所進(jìn)行的一系列試驗中有數(shù)次出現(xiàn)。如圖2(a)、圖3(a)中的情況,當(dāng)荷載增加至25 kPa后的 6 h內(nèi),土體的變形量從 1.2%緩慢增加至2.7%,但之后一個小時內(nèi),土體的豎向變形量以非?？斓乃俣仍黾又?.36%,之后逐步穩(wěn)定在9.19%。

(5)當(dāng)軸向應(yīng)力水平達(dá)到σs3時,軟土結(jié)構(gòu)性的破壞程度將增大,造成軟粘土的變形量也加大,土體將出現(xiàn)破壞型蠕變,試樣將在非常短的時間(幾分鐘到幾小時)內(nèi)發(fā)生破壞。如圖2(a)、圖3(a)中q=37.5 kPa階段。

(6)以上所出現(xiàn)的臨界應(yīng)力值 σs1、σs2、σs3主要取決于土性。

(7)不同圍壓對蠕變試驗的結(jié)果影響顯著:由圖中可看出,在相同的軸向力作用下,固結(jié)圍壓越低,土體發(fā)生蠕變變形更為快速,更為顯著,也就是說,在相同的軸向加載作用下,圍壓越大,相同時間產(chǎn)生的蠕變越小。

2.3 應(yīng)力-應(yīng)變等時曲線

圖4為土樣在三種不同圍壓作用下取得的應(yīng)力-應(yīng)變等時關(guān)系曲線。對三張曲線圖進(jìn)行對比分析可以發(fā)現(xiàn),不同固結(jié)圍壓下,三軸固結(jié)不排水蠕變的應(yīng)力-應(yīng)變等時曲線表現(xiàn)出一定的蠕變規(guī)律。

圖4 三軸等時應(yīng)變曲線

由圖4可以看出:

(1)當(dāng)軟土試樣處于低應(yīng)力(小于25 kPa)水平條件下,其值小于軟土結(jié)構(gòu)屈服強度,土樣隨時間的增長,受壓軟土內(nèi)部的孔隙被壓實,使土體的結(jié)構(gòu)性強度得到提高,土體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生硬化,硬化過程占優(yōu)勢,軟土處于較微弱的線性粘彈性變形,這部分的變形表現(xiàn)為線性,其變形曲線可近似地看為直線。這部分的變形為衰減變形,直線的斜率隨時間的增大而減小,海積軟土蠕變速率幾乎與時間無關(guān),表現(xiàn)出近似線性流變特性。

(2)當(dāng)偏應(yīng)力逐步增大,接近或大于屈服應(yīng)力時,海積軟土的應(yīng)力-應(yīng)變等時曲線發(fā)生明顯的轉(zhuǎn)折,其蠕變變形量與蠕變變形速率逐漸增大,并逐漸向應(yīng)變軸彎曲,表現(xiàn)出顯著的非線性粘塑性。如圖4(b),軸向力分別達(dá)到25 kPa和37 kPa時,等時關(guān)系曲線出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折。圖4(c)中,軸向力達(dá)到25 kPa時,同樣出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折,蠕變性狀表現(xiàn)出了非線性粘塑性,這是由于當(dāng)軸向荷載較大并超過土體的屈服應(yīng)力時,軟土結(jié)構(gòu)性開始破壞,土體的變形加劇,發(fā)生應(yīng)變軟化,在土體的內(nèi)部所產(chǎn)生的應(yīng)力影響超過受壓產(chǎn)生的硬化。

以圖4(c)為例,可以發(fā)現(xiàn),偏應(yīng)力為37.5 kPa下,1 h試樣發(fā)生的軸向應(yīng)變達(dá)6.2%,而5 h時試樣發(fā)生的應(yīng)變到達(dá)8%,之后的應(yīng)變速率更是逐漸減小,并逐漸達(dá)到穩(wěn)定,這也就說明了土樣蠕變具有非線性特性。

(3)從圖4(b)和圖4(c)可以發(fā)現(xiàn),隨著試驗荷載加載到50 kPa后,三軸等時應(yīng)變曲線并沒有表現(xiàn)出文獻(xiàn)[7]所描述的等時曲線越來越密集的情況,相反,曲線變形越來越大,且越來越疏松。這是由于試驗荷載達(dá)到或已超過土體的屈服強度,軟土的結(jié)構(gòu)遭到了明顯破壞,土體出現(xiàn)破壞型蠕變造成的。

2.4 孔壓-時間曲線

由試驗原始數(shù)據(jù)中整理出來不同圍壓作用下的孔隙水壓力-時間關(guān)系曲線,如圖5所示。分析可知,孔壓隨圍壓的增加而增加;而相同圍壓下,當(dāng)偏應(yīng)力水平較低時,孔壓一般隨偏應(yīng)力水平的增加而增加,表現(xiàn)為在每一級偏應(yīng)力作用下,孔壓都是加荷瞬間上升,然后趨于穩(wěn)定;當(dāng)偏應(yīng)力水平較高,試樣發(fā)生快速破壞時,孔壓出現(xiàn)不穩(wěn)定情況,并伴有一定減小趨勢。究其原因是由土介質(zhì)相鄰顆粒接觸所產(chǎn)生的黏滯效應(yīng)引起的[8]。軟土的蠕變是土顆粒骨架此時在圍壓下被壓密后,偏應(yīng)力水平較高時出現(xiàn)了剪脹趨勢,而土樣排水被限制,所以孔壓出現(xiàn)減小現(xiàn)象。三軸不排水蠕變試驗中孔壓的變化趨勢在國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)中報道的還不多,從以上試驗中可以看出孔壓變化不僅與偏應(yīng)力水平有關(guān),同樣與圍壓的 大小相關(guān)。

圖5 孔壓-時間變化曲線

3 結(jié) 語

(1)剪切過程中排水與否對土體的抗剪強度有較大影響,土體排水條件越好,土體固結(jié)效應(yīng)越明顯,抗剪強度越高。

(2)廣州海積軟土具有較強的非線性蠕變特性,非線性特性通過偏應(yīng)力水平的增大而逐漸顯現(xiàn),應(yīng)力-應(yīng)變等時曲線同樣也表現(xiàn)出比較明顯的非線性特征。

(3)土樣在偏壓力應(yīng)力作用下,孔壓在加荷初期有明顯的上升,之后趨于穩(wěn)定,隨著時間的增加孔壓出現(xiàn)不穩(wěn)定并伴有減少的情況,孔壓增量與偏應(yīng)力增量并非線性關(guān)系。

[1]劉漢龍,扈勝霞,Ali Hassan.真空-堆載預(yù)壓作用下軟土蠕變特性試驗研究[J].巖土力學(xué),2008,29(1):6-12.

[2]謝 寧,孫 均.上海地區(qū)飽和軟粘土流變特性[J].同濟大學(xué)學(xué)報,1996,24(3):232-237.

[3]王常明,肖樹芳.海積軟土固結(jié)蠕變的實效本質(zhì)研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報,2000,8(增刊):334-336.

[4]朱鴻鵠,陳曉平,程小俊,等.考慮排水條件的軟土蠕變特性及模型研究[J].巖土力學(xué),2006,27(5):693-698.

[5]周秋娟,陳曉平.軟土蠕變特性試驗研究[J].巖土工程學(xué)報,2006,28(5):626-630.

[6]周宇泉,胡 昕,洪寶宇,等.從微細(xì)結(jié)構(gòu)方面解釋某黏性土壓縮特性的差異[J].水利水電科技進(jìn)展,2006,26(1):31-33,36.

[7]李 肖.濱海軟黏土加速蠕變特性研究[D].天津:天津大學(xué),2011.

[8]高彥斌.飽和軟黏土一維非線性流變-固結(jié)耦合分析[J].巖土力學(xué),2006,27(8):116-121.