广州地区海积软土蠕变特性试验研究

杜雅峰,夏欢欢,刘会平,王 巍

(1.华北水利水电学院资源与环境学院,河南 郑州 450011;2.成都理工大学四川省数学地质重点实验室,四川 成都 610059;3.河南省地矿局第二地质勘查院,河南 许昌 461000)

0 前 言

海积软土主要以浅海相沉积为主,土层为淤泥质粘土和淤泥质粉质粘土,呈流塑状态,富含有机质,其特点为高含水率、高压缩性、高灵敏度、低强度等工程特性并具有显著的蠕变特性。软土体的蠕变特性对于土体固结、边坡稳定及地基承载力等有着重大影响。众所周知,应力、应变并不是简单代数关系,而包括复杂的随时间变化的规律。软土经常会因为长期荷载作用下,出现基础沉降过大,或出现基础偏移等蠕变现象[1-2],这些蠕变变形是随着时间的推移逐渐发展,经过长时间的发展,其变形量不容忽视。

目前,国内外学者在蠕变现象和机制、蠕变特性试验以及蠕变本构模型等方面取得了一定的研究成果。在土的蠕变特性试验方面,王常明、肖树芳[3]对深圳、上海、珠海地区的海积软土进行了一维固结蠕变试验,提出了时间效应系数,并对固结蠕变过程中土的微观结构变化进行了研究;朱鸿鹄等[4]对珠江三角洲的软土进行了一系列的排水和不排水的三轴蠕变试验,分析了软土在不同的应力水平和排水条件下的蠕变特性,同时建立了相应的排水和不排水条件下的Singh-Mitchell蠕变模型;周秋娟等[5]对广州南沙软土做了一系列室内蠕变试验,系统地探讨了软土的蠕变变形特性。本文以广州地区海积软土为研究对象,考虑原状土先期固结压力的影响,进行了不同固结围压下的三轴固结不排水蠕变试验,分析这类软土蠕变特性对变形的影响规律,为软土地基的沉降和工后沉降计算提供依据。

1 试验方案

1.1 试验设备及试样

采用江苏省氵粟阳市永昌工程试验仪器厂生产的2FSR-6型二联式非饱和土三轴蠕变试验仪。该系统主要由三轴压力室、轴向变形量测系统、轴向力加载系统、数据采集器、计算机等组成。

试验所用软粘土取自广州某工地,属海积软粘土,土质均匀,天然含水率较高,高压缩性,低强度,含有少量云母贝壳碎屑,灵敏度较高,具有较强的结构性,取土深度为13 m左右,物理性质指标见表1。

表1 试验土体物理力学性质指标

1.2 试验方法

(1)结构屈服强度的确定

本文通过一系列标准固结试验,得到了结构性软粘土的e-logp曲线,并根据文献[6]中结构屈服强度的确定方法,测出该软粘土的结构屈服强度(先期固结压力)约在30 kPa～55 kPa之间。

(2)三轴压缩试验

常规三轴试验在应变控制式三轴仪上进行。试验采用φ=39.1mm,H=80mm的原状土样。进行不固结不排水剪(UU)试验,固结不排水剪(CU)试验以及固结排水剪(CD)三轴试验。

(3)三轴蠕变试验

试验对土样进行恒定荷载蠕变试验研究,具体室内试验步骤如下:①土样切制:将土样制成直径61.8mm、高120mm的试样;②反压饱和24 h;③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;④排水固结24 h;⑤三轴蠕变试验:由于设备砝码竖向荷载最小加载量12.5 kPa,故各级荷载分别取12.5 kPa,25 kPa,37.5 kPa,50 kPa,并选取围压 σ3分别为 20 kPa、50 kPa、100 kPa三种周围压力进行试验分析,以测定当 σ3小于先期固结压力、接近先期固结压力以及高于先期固结压力三种情况下软土的蠕变特性。当1天内竖向位移小于0.01mm时,则认为蠕变达到稳定,施加下一级荷载。

2 试验结果及分析

2.1 三轴压缩试验成果及分析

图1是常规三轴压缩试验所得的不同固结围压和排水条件下的偏应力-轴向应变关系曲线,表2为各种试验条件下的强度参数。

图1 应力-应变关系曲线

结果表明:

(1)土体在不同的固结状态及排水条件下,受剪过程中的应力-应变关系是有明显不同的:图1(a)的UU试验与图1(b)的CU试验均有比较明显的屈服点,并且图1(a)与1(b)的曲线都较好的复合了双曲线的特征;而图1(c)的关系曲线则表现出了一定的线性关系,特别是轴向应变大于2%之后,线性特性更加明显,曲线整体没有明显的屈服点。

(2)从这三张图并结合表2可以非常明显地看出:剪切过程中排水与否对土体的抗剪强度有较大影响,土体排水条件越好,土体固结作用越明显,抗剪强度越高。

表2 不同试验条件下的抗剪强度

(3)三轴试验测定的抗剪强度会受到剪前和剪切时固结程度的影响。

2.2 三轴蠕变试验

三种围压下的全过程加载曲线如图2(a)～2(c)所示。再由分级加载曲线经“陈氏加载法”进行数据处理,进而得到“分别加载”下的蠕变曲线,如图3(a)～3(c)所示。

图2 三轴全过程蠕变曲线

图3 分级加载转化为分别加载蠕变曲线

从图2、图3中可以得出:

(1)在偏应力水平小于某一σs1时,蠕变变形很小,偏应力加载时的瞬间瞬时变形也较小,但随着加载时间的不断增长,蠕变变形也随之增加,但蠕变曲线只出现衰减蠕变阶段。如在围压为50 kPa的试验条件下,加载12.5 kPa荷载后最终稳定的蠕变变形量为0.408%,其中前一小时变形量达0.4%,之后逐渐趋于稳定。

(2)偏应力水平增大并接近某一 σs2时,蠕变曲线将出现衰减蠕变及稳定的粘塑性蠕变阶段,即当荷载大小一定时,其加载后的变形量并不是随着加载时间的增高无止境的增大,而是随着加载时间增加而增高,单位时间内变形量增加值逐渐减小,后停滞,变形量逐渐趋于一稳定值,这是由于荷载值远远小于软土结构屈服强度,所以在试验加载初期,软土的变形主要以弹性变形为主,所能达到的变形量很小。

(3)随着偏应力水平的增大,土体在荷载加载时的瞬时变形有明显增大,表现为加载瞬间土体竖向变形达到前一应力水平所发生的竖向变形的数倍,这是由于所施加的荷载达到或超过了结构屈服强度,软土结构性开始破坏,并随着荷载的不断施加,软土结构性的破坏程度逐渐加大,此时软土的变形量主要以弹塑性或塑性变形为主,但是由于土体的结构性并没有完全破坏,此时土体的变形量仍旧是有限的。如在50 kPa围压的试验条件下,当偏应力值增加至25 kPa后,轴向变形在5 min的时间内就从0.408%达到了2.48%。随后的6 h内,轴向应变逐步增加至3.76%,之后逐步趋于稳定。

(4)在试验过程中,观察到也有另外的一种情况发生:试样发生急剧变形并非一定发生在荷载加载之后的很短时间内。相反,在增加新的荷载后的数小时内,试样蠕变变形增加较为平缓,之后急剧增大,这种情况在所进行的一系列试验中有数次出现。如图2(a)、图3(a)中的情况,当荷载增加至25 kPa后的 6 h内,土体的变形量从 1.2%缓慢增加至2.7%,但之后一个小时内,土体的竖向变形量以非常快的速度增加至8.36%,之后逐步稳定在9.19%。

(5)当轴向应力水平达到σs3时,软土结构性的破坏程度将增大,造成软粘土的变形量也加大,土体将出现破坏型蠕变,试样将在非常短的时间(几分钟到几小时)内发生破坏。如图2(a)、图3(a)中q=37.5 kPa阶段。

(6)以上所出现的临界应力值 σs1、σs2、σs3主要取决于土性。

(7)不同围压对蠕变试验的结果影响显著:由图中可看出,在相同的轴向力作用下,固结围压越低,土体发生蠕变变形更为快速,更为显著,也就是说,在相同的轴向加载作用下,围压越大,相同时间产生的蠕变越小。

2.3 应力-应变等时曲线

图4为土样在三种不同围压作用下取得的应力-应变等时关系曲线。对三张曲线图进行对比分析可以发现,不同固结围压下,三轴固结不排水蠕变的应力-应变等时曲线表现出一定的蠕变规律。

图4 三轴等时应变曲线

由图4可以看出:

(1)当软土试样处于低应力(小于25 kPa)水平条件下,其值小于软土结构屈服强度,土样随时间的增长,受压软土内部的孔隙被压实,使土体的结构性强度得到提高,土体结构产生硬化,硬化过程占优势,软土处于较微弱的线性粘弹性变形,这部分的变形表现为线性,其变形曲线可近似地看为直线。这部分的变形为衰减变形,直线的斜率随时间的增大而减小,海积软土蠕变速率几乎与时间无关,表现出近似线性流变特性。

(2)当偏应力逐步增大,接近或大于屈服应力时,海积软土的应力-应变等时曲线发生明显的转折,其蠕变变形量与蠕变变形速率逐渐增大,并逐渐向应变轴弯曲,表现出显著的非线性粘塑性。如图4(b),轴向力分别达到25 kPa和37 kPa时,等时关系曲线出现了转折。图4(c)中,轴向力达到25 kPa时,同样出现明显转折,蠕变性状表现出了非线性粘塑性,这是由于当轴向荷载较大并超过土体的屈服应力时,软土结构性开始破坏,土体的变形加剧,发生应变软化,在土体的内部所产生的应力影响超过受压产生的硬化。

以图4(c)为例,可以发现,偏应力为37.5 kPa下,1 h试样发生的轴向应变达6.2%,而5 h时试样发生的应变到达8%,之后的应变速率更是逐渐减小,并逐渐达到稳定,这也就说明了土样蠕变具有非线性特性。

(3)从图4(b)和图4(c)可以发现,随着试验荷载加载到50 kPa后,三轴等时应变曲线并没有表现出文献[7]所描述的等时曲线越来越密集的情况,相反,曲线变形越来越大,且越来越疏松。这是由于试验荷载达到或已超过土体的屈服强度,软土的结构遭到了明显破坏,土体出现破坏型蠕变造成的。

2.4 孔压-时间曲线

由试验原始数据中整理出来不同围压作用下的孔隙水压力-时间关系曲线,如图5所示。分析可知,孔压随围压的增加而增加;而相同围压下,当偏应力水平较低时,孔压一般随偏应力水平的增加而增加,表现为在每一级偏应力作用下,孔压都是加荷瞬间上升,然后趋于稳定;当偏应力水平较高,试样发生快速破坏时,孔压出现不稳定情况,并伴有一定减小趋势。究其原因是由土介质相邻颗粒接触所产生的黏滞效应引起的[8]。软土的蠕变是土颗粒骨架此时在围压下被压密后,偏应力水平较高时出现了剪胀趋势,而土样排水被限制,所以孔压出现减小现象。三轴不排水蠕变试验中孔压的变化趋势在国内外相关文献中报道的还不多,从以上试验中可以看出孔压变化不仅与偏应力水平有关,同样与围压的 大小相关。

图5 孔压-时间变化曲线

3 结 语

(1)剪切过程中排水与否对土体的抗剪强度有较大影响,土体排水条件越好,土体固结效应越明显,抗剪强度越高。

(2)广州海积软土具有较强的非线性蠕变特性,非线性特性通过偏应力水平的增大而逐渐显现,应力-应变等时曲线同样也表现出比较明显的非线性特征。

(3)土样在偏压力应力作用下,孔压在加荷初期有明显的上升,之后趋于稳定,随着时间的增加孔压出现不稳定并伴有减少的情况,孔压增量与偏应力增量并非线性关系。

[1]刘汉龙,扈胜霞,Ali Hassan.真空-堆载预压作用下软土蠕变特性试验研究[J].岩土力学,2008,29(1):6-12.

[2]谢 宁,孙 均.上海地区饱和软粘土流变特性[J].同济大学学报,1996,24(3):232-237.

[3]王常明,肖树芳.海积软土固结蠕变的实效本质研究[J].工程地质学报,2000,8(增刊):334-336.

[4]朱鸿鹄,陈晓平,程小俊,等.考虑排水条件的软土蠕变特性及模型研究[J].岩土力学,2006,27(5):693-698.

[5]周秋娟,陈晓平.软土蠕变特性试验研究[J].岩土工程学报,2006,28(5):626-630.

[6]周宇泉,胡 昕,洪宝宇,等.从微细结构方面解释某黏性土压缩特性的差异[J].水利水电科技进展,2006,26(1):31-33,36.

[7]李 肖.滨海软黏土加速蠕变特性研究[D].天津:天津大学,2011.

[8]高彦斌.饱和软黏土一维非线性流变-固结耦合分析[J].岩土力学,2006,27(8):116-121.