深层粘性土卸荷回弹及反复加卸荷特征试验研究

文/张盛宇、张云 天津市地质矿产测试中心 天津 300111

深层粘性土卸荷回弹及反复加卸荷特征试验研究

文/张盛宇、张云 天津市地质矿产测试中心 天津 300111

通过对深层粘性土的卸荷试验以及模拟地下水位升降的反复加卸荷试验，探求坚硬粘性土的卸荷特征以及不同地下水水位变化对深层粘性土的影响及变化特征。

深层粘性土；卸荷回弹；卸荷比；反复加卸荷试验

一、前言

在地面沉降的研究中，深层地下水汲取与补给交替进行，对深层粘性土层产生类似于加、卸荷后的变形，模拟这种变化室内试验常采用反复加卸荷试验来加以研究。由于取样困难以及仪器的限制对深层坚硬状态下的粘性土卸荷特征以及再压缩特征研究较少，本文利用实际工作中一些试验资料对深层坚硬状态的粘性土的卸荷变形规律以及再压缩特性进行了总结分析。

二、土体卸荷回弹及再压缩

土体作为一种即具有弹性又具有塑性的工程材料，在上覆应力卸除后，应变不会完全恢复，这部分残余变形被称为土体的塑性变形，恢复部分称为弹性变形。

根据弹性增量理论在土体变形阶段应变分为弹性应变和塑性应变两个部分研究。

dεv=dεvε+dεvp

dεv — 总应变增量

dεvε — 弹性增量

dεvp— 塑性增量

在地下抽水引起的地面沉降研究中，不同的汲取与补给方式会引起粘性土层的弹性变形和塑性变形的变化。

三、室内土工试验设计

试验土体取自沧州地面沉降区的粘性土，深层粘性土体呈硬塑——坚硬状态。取土深度及物理性质见表（1）

试验按照《土工试验方法标准》（GB/T 50123-1999）进行物性试验，试验环刀取内径61.8mm，高20mm。为了保湿的需要，在试验过程中在压缩仪的盒中充填湿润的棉纱并用塑料薄膜裹严。

3.1.卸荷试验：

试样按照1：1的加荷比加荷，超过自重后，开始卸荷。为了探究卸荷规律，卸荷按照200kpa卸除，小于200kpa后按1：1卸荷率卸除，直到卸完。

表 （1）取土深度及物理性质表

3.2.反复加卸荷试验：

a.模拟地下水位在同一时间反复升降变化，土层所受压力在某一深度范围内反复变化（即在土层的自重压力之间循环反复加卸荷变化）

b.模拟地下水反复上升后的变化，土体在自重压力固结后，卸荷量逐渐增大，而再压缩量略小于卸荷量。:

四、试验成果及分析

4.1 深层土体卸荷特征.

图（1）为深层粘性土典型卸荷e-p曲线，在加荷阶段开始时由于载荷量较小，土体仍处在回弹阶段，压缩量小于回弹量，表现为土体受压后土体孔隙比反而增大，然后随着压力的增加孔隙比逐渐减小。超过自重压力后卸荷，初期卸荷曲线较平缓，随着卸荷量的不断加大，最终一定阶段产生大量的回弹变形。

图 （1）土样12141孔隙比与固结压力关系曲线

4.1.1 试验参数的选取:

对土体进行卸荷研究，一般采用以下几个参数

○1.卸荷比： R=(pmax-pi)/pmax

式中： pmax：最大上覆荷载或最大固结压力

pi ：第i级卸荷后的上覆荷载或固结应力

○2. 回弹率： λ=(ei-emin)/emin

式中： emin:为最大荷载下最小孔隙比

ei ：第i级荷载下孔隙比。

○3 回弹模量： 表示卸荷应力与回弹应变之比

Er=((pmax-pi)/ (ei-emin))/(1+ ei-)=(pmax-pi)/(n0*λ)

式中：n0：原始初始荷载下的土体的孔隙率。

n0= emin/（1+ emin）

4.1.2 孔隙比—卸荷比变化分析

随着卸荷量的变化土体会产生一定的变形，土体的变形一般采用土的孔隙比（e）来表示，我们以典型的硬粘土的卸荷曲线来分析。如图（2）所示土体变形在卸荷初始阶段变化较小，当卸荷比为0.45时土体回弹变形为总回弹变形的12%左右，当卸荷比为0.7时，回弹变形也不过为总回弹变形的30%，卸荷比从0.8到卸荷完成，产生了总变形量60%的变形量。

从图中我们可以看到曲线存在一个明显的拐点，此点卸荷比0.83,此点前土体卸荷变形按照一定斜率逐渐增加，此点后卸荷变形迅速加大，为土体主要回弹变形阶段。

图 （2）土样12141孔隙比与卸荷比关系曲线

4.1.3 回弹率——卸荷比变化分析

从图（3）中可以看出不同土体回弹率不同，与土体的状态有着密不可分的关系，同为粘性土，在卸荷比为0.2以前，粘性土回弹率相近，回弹率都很小，曲线基本重合，随着卸荷比加大，土体状态越坚硬、固结程度越高其回弹率越大。

图 （3）回弹率与卸荷比关系曲线

4.1.4 回弹模量——卸荷比的变化分

图 （4）土样12141 Er-R与logEr-R关系曲线

从图（4）可以看出Er-R与logEr-R图中分别具有一个拐点，与x轴的交点分别为临界卸荷比（Rcr）与极限卸荷比(Rct)，根据这两个拐点可将卸荷阶段分为3个部分，当0＜R＜ Rcr时回弹变形较小，回弹模量较大，当Rcr＜R＜Rct时，回弹变形随卸荷比的增大逐渐增大，当R＞Rcr＞1时回弹变形急剧增加。

表 （2） 不同土样计算结果表

通过回弹模量与卸荷比的关系曲线，我们可以得到深层粘性土的在卸荷后产生回弹变形的三个不同阶段，从实验结果可以看到粘性土临界荷载比与极限荷载比的变化受到土体本身固结状态的影响，土体状态越硬，塑性指数越小，土体的回弹率越大，两个界限荷载比的数值就越小。

4.2、反复加卸荷试验

对地面沉降的研究中认为对沉降地层进行回灌，相当于固结后的土体进行了卸荷作用，对深层土体的卸荷研究有利于对回灌产生的作用和效果有了进一步的认识。

对深层粘土试样反复加卸荷试验，根据地下水变化的不同，采用不同的试验方法，本次试验分为以下2种情况:

图 （5）模拟地下水位在同一时间反复升降变化

4.2.1模拟地下水位在同一时间反复升降变化，

土层所受压力在某一深度范围内反复变化，土样深度为223.5米，分级进行自重压力固结后，模拟地下水位反复升降幅度为100米。试验结果见图（5）

4.2.2模拟地下水反复上升后的变化，

模拟地下水位在反复升降中逐年回升的状态进行室内试验，土样分级进行自重压力固结后，模拟地下水位上升幅度为40米、70米、100米、120米、160米，水位下降幅度分别为30米、60米、80米、100米、120米。试验结果见图（6）

图 （6）模拟地下水反复上升后的变化

4.2.3 反复加卸荷试验数据分析

土体变形一般包括可恢复的弹性变形和不可恢复的塑性变形。土样所受压力在自重压力p0与p0+Δp之间循环反复加卸荷变化时，可以发现（图5）随着反复加卸荷次数的增加，土样的塑性变形逐渐减少；而弹性变形则接近为一常数，与反复次数无关，所以回弹曲线为一组接近平行的曲线；回弹指数也略有减小，最后趋于稳定，土体塑性变形的影响越来越小，逐渐转化为弹性变形。

再压缩曲线与回弹曲线形成回滞环，回弹曲线在再压缩曲线下方，当再压缩压力恢复到回弹前的压力时，两条曲线不能完全吻合，此时的孔隙比小于回弹前的孔隙比。表明土的再加荷变形中会产生不可恢复的塑性变形。随着加卸荷的次数增多，回滞环依次下落，各环端点连线坡度逐渐变缓。

图（6）模拟了地下水位下降幅度不断减小而水位恢复幅度不断增加的过程， 从图中可见由最大压力所产生的塑性变形决定了土层的最终沉降变形，随后的减小的再压缩并不能增加土体的变形。弹性变形则随着土体卸荷量的增加而增加。

五、小结

1.本文探讨了深层粘性土的卸荷回弹特性 ,从e-p和e-R图上我们可以看到，深层粘土在卸荷量较小时，回弹变形都是较小的，e-R图中曲线具有拐点，此点过后土的回弹变形急剧加大。

2. 从土的Er-R与logEr-R关系曲线上可以看到2个界线点，临界卸荷比(Rcr)，与极限卸荷比(Rct)，两个点将卸荷回弹过程划分成3个阶段，分别是小回弹阶段——增大回弹阶段——强烈回弹阶段。其中极限卸荷比与e-R图中拐点接近。

3.通过回弹率与卸荷比关系曲线，以及对临界卸荷比与极限卸荷比的计算结果可以看出，他们都与土体的状态有着密不可分的关系，同为粘性土体，液性指数越小，土体越坚硬，回弹率越大，临界卸荷比和极限卸荷比都变小。

4.通过模拟水位变化的反复加卸荷试验可以看出，在一定范围内的反复加卸荷条件下，弹性变形接近为一常数，与反复次数无关，回弹曲线为一组接近平行的曲线。

5. 通过模拟了地下水位下降幅度不断减小而水位恢复幅度不断增加的过程，可以看出最大压力所产生的塑性变形决定了土层的最终沉降变形，随后的变小的再压缩量并不能增加土体的变形。而回弹变形随着卸荷的增大而增大。

本文只是对深层坚硬粘性土的卸荷回弹特征以及再压缩性进行了一些初步的探讨，需要在今后的研究工作中不断地充实和进一步深入研究。

[1]李建民等《土样回弹及再压缩变形特征的试验研究》[J].工程勘察，2010，12.

[2]张淑朝.等《土体卸荷回弹试验研究》[J].河北工程大学学报，2008,25(3).

[3]王翠玲.等《地下水人工回灌对地面沉降控制的探讨》[J].山西建筑2007,33(33).

[4]土工试验方法标准[s].(GB/T 50123-1999).

张盛宇(1971)，男，天津市地质矿产测试中心，工程师，主要从事室内土工试验工作。

张云（1983），男，天津市地质矿产测试中心，工程师，主要从事桩基检测及现场土工试验工作。