基于一维固结仪的黄土蠕变试验方法

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(西安科技大学 建筑工程学院，西安 710054)

1 研究背景

黄土作为基础工程建设的建筑材料、建筑环境和载体，与时间有关的黄土变形、强度与稳定性的问题越加突显，如挡土墙所受土压力随时间变化、边坡随时间的发展所引起的稳定性的降低乃至地基的长期沉降、隧道施工及运营时的地表沉降和变形、桩基础中由于桩间土应力逐渐减小，桩体内力逐渐增大等问题[1-4]。长期以来，很多学者致力于上述问题，尤其是黄土蠕变问题的研究，取得了一系列优秀成果[5-8]。实际工程中虽基本均为多维问题，但一维的理论研究仍有重要意义，另外，从试验角度来讲，一维问题容易控制，容易得出较为有价值的结论。近年来，基于一维固结仪展开对黄土蠕变的研究也越来越多：葛苗苗等[9]基于一维高压固结仪对黄土的长期蠕变试验，提出了符合压实黄土变形规律的经验模型；王松鹤等[10]根据杨凌黄土的单向固结试验资料，对比原状与扰动黄土，根据蠕变曲线特性，分析得到了能很好模拟该地区黄土蠕变特性的蠕变曲线和特征参数；董晓宏等[11]则对经历过冻融循环的黄土进行单向固结试验，研究了冻融循环次数、法向压力对冻融黄土固结蠕变特性的影响。

利用一维固结仪研究黄土蠕变，大多得出如图1(a)所示结果，这是因为由于环刀的限制，土体不会破坏，而正常的蠕变试验所得曲线应该如图1(b)所示，包含了衰减阶段、稳定阶段、加速蠕变阶段。

图1蠕变曲线
Fig.1Creepcurvesobtainedfromconventionalconsolidationapparatusandtypicalcreepcurves

作者通过在传统一维固结仪的基础上，在试样中心处沿直径钻孔，为土体破坏提供空间，同时在通过将原有环刀尺寸由2.0 cm×6.18 cm(高×直径)增大至6.0 cm×6.18 cm，以减少开孔对土体结构性影响，并在试样中间沿直径方向钻孔、在孔内放置摄像探头的方法，观测土体内部变化，实现了在固结仪上进行黄土蠕变试验。

2 试验方案

2.1 试验取样

黄土土样取自唐家塬隧道，根据隧道埋深及监测断面具体位置，取土深度在12 m左右，该位置属Q3黄土。其物理指标如表1所示。

表1 黄土基本物理力学指标Table 1 Basic physical and mechanical indicators

试验在南京土壤仪器厂WG型固结仪(图2)上进行，土样制成高为6.0 cm，直径为6.18 cm的圆柱形试样，并在试样中心沿直径方向钻孔，改进后的固结仪结构图如图3所示。

图2 WG型单杠杆固结仪Fig. 2 WG-type single lever consolidation instrument

图3改进后的固结仪及实物
Fig.3Schematicdiagramofimprovedconsolidationinstrumentandphotoofringknife

2.2 试验步骤

(1)在固结仪底的透水石上放一滤纸，将环刀和土样放入压缩仪，套上导环，在土样顶面放上滤纸，再加上透水石，继而放上加压上盖，最后将固结容器置于加压框架正中，并安装百分表。

(2)施加1 kPa的预应力，使仪器之间的连接部位充分接触，并将百分表调零。

(3)根据分组加载的原则，本试验不同含水率试样分别加载125，175，225，275 kPa。

(4)根据固结试验记录表，并在其时间间隔内尽可能多的记录数据，以保证数据的饱满。

本试验综合考虑不同含水率(23.8%，20.1%，15.5%)，不同垂直压力(125，175，225，275 kPa)条件下的黄土蠕变特性，当土样达到24 h的变形量不超过0.002 mm的标准时，认为土体达到稳定。

3 试验原理

利用固结仪进行蠕变试验时，环刀的侧向限制使试样不能产生侧向变形，同时给试样提供了围压，所以得到的ε-t曲线只能如图1(a)所示，并不能得到试样的加速蠕变阶段。为了表征土体蠕变试验的全过程，尤其是图1(b)所示CP段加速蠕变特性，将原环刀尺寸由2.0 cm×6.18 cm(高×直径)增大至6.0 cm×6.18 cm，并在土样中心沿直径方向钻孔，用来表征土体的内部孔隙。而钻孔的意义在于一方面可以为土体破坏提供空间；另一方面也可以利用内窥设备直观地观察蠕变过程中试样的破坏。

对于试样开孔孔径的大小，作者根据3种不同孔径大小的试验，得到结果如图4所示。

图4不同孔径下试样蠕变曲线(175kPa)
Fig.4Creepcurvesofspecimenwithdifferentapertureunderloadingof175kPa

图4显示的是所加荷载为175 kPa下孔径分别为5，8，10 mm的蠕变曲线。由此可以看出随着钻孔孔径的增大，试样在加载瞬间的应变值也随之增大，但是3条蠕变曲线的基本形式保持一致。说明钻孔孔径的不同对试样初始应变量有影响，但对土体的整个蠕变阶段的蠕变特性影响不大，由此证明利用本文的试验方案进行蠕变研究是可行的。

4 试验结果及分析

4.1 蠕变曲线及钻孔破坏形态

按照既定试验方案，得到试样的蠕变试验数据，具体结果见如下所述。

4.1.1 含水率ω=23.8%蠕变曲线及分析

图5为试样含水率为23.8%条件下的黄土蠕变规律。阶段Ⅰ为衰减蠕变阶段及稳定蠕变阶段；阶段Ⅱ为加速蠕变阶段。

图5不同竖向荷载作用下含水率ω=23.8%黄土蠕变曲线
Fig.5Creepcurveclusterofloessatamoisturecontentof23.8%

从图5中可以看出：在施加竖向荷载为125 kPa及175 kPa时，试样呈现出典型衰减蠕变特性，即土体应变速率由最大值逐渐减小至0，此时土体应变趋近于某一固定值。当竖向荷载为275 kPa时，试样呈现为非衰减蠕变特性：试样首先经历衰减蠕变及稳定蠕变阶段，持续蠕变至点B处时，孔壁开始出现不平整现象，孔右上角出现土屑脱落；此时将涂有凡士林的小棒插入孔中与孔壁轻微接触，可发现小棒上有土屑附着；试样应变速率增加，进入加速蠕变阶段，最终土屑充满整个孔洞，试样达到破坏。当荷载为225 kPa时，试样蠕变规律与275 kPa时基本一致，但由于竖向荷载减小，导致总体应变量减小，同时由稳定蠕变阶段进入加速蠕变阶段时间变长，同时加速蠕变阶段应变速率减小。

图6为含水率ω=23.8%、竖向荷载275 kPa下黄土试样在试验前与试验完成后的钻孔形态对比，通过对比发现，试验完成后，钻孔出现大量土体剥落，同时钻孔形状由圆形变为近似椭圆形。

图6竖向荷载275kPa条件下含水率ω=23.8%
黄土试样钻孔形态对比
Fig.6Comparisonofboreholeofloesssampleswithamoisturecontentof23.8%underverticalloadof275kPa

4.1.2 含水率ω=20.1%蠕变曲线及分析

图7为试样含水率为20.1%条件下的黄土蠕变规律。阶段Ⅰ为衰减蠕变阶段及稳定蠕变阶段；阶段Ⅱ为加速蠕变阶段。从图7中可以看出：在施加竖向荷载为125 kPa及175 kPa时，试样呈现出典型衰减蠕变特性；当竖向荷载为275 kPa时，试样首先经历衰减蠕变及稳定蠕变阶段，持续蠕变至B点处时，试样应变速率增加，进入加速蠕变阶段；当竖向荷载为225 kPa时，试样同样依次经历衰减蠕变、稳定蠕变阶段及加速蠕变阶段。

图7不同竖向荷载作用下含水率ω=20.1%黄土蠕变曲线
Fig.7Creepcurveclusterofloessunderdifferentverticalloadsatamoisturecontentof20.1%

图8为含水率ω=20.1%、竖向荷载275 kPa条件下黄土试样在试验前与试验完成后的钻孔形态对比，通过对比发现，试验完成后，钻孔出现大量的土体剥落，同时钻孔形状发生变化。

图8竖向荷载275kPa条件下含水率ω=20.1%黄土试样钻孔形态对比
Fig.8Comparisonofboreholeofloesssampleswithamoisturecontentof20.1%underverticalloadof275kPa

4.1.3 含水率ω=15.5%蠕变曲线及分析

图9为试样含水率为15.5%条件下的黄土蠕变规律。从图9中可以看出在上述4种荷载作用下，试样均呈现衰减蠕变特性。同时可以发现，在竖向荷载为275 kPa时的试样在稳定蠕变阶段应变呈近似直线增大，而其他3条曲线基本平直，即试样应变量趋于某一固定值。

图9不同竖向荷载作用下含水率ω=15.5%黄土蠕变曲线
Fig.9Creepcurveclusterofloessatamoisturecontentof15.5%underdifferentverticalloads

图10为含水率ω=15.5%、竖向荷载275 kPa条件下黄土试样在试验前与试验完成后的钻孔形态对比，通过对比发现，试验完成后，钻孔表面不再光滑，出现大量错综裂纹，但未出现明显的土体剥落现象，同时钻孔左上部形状发生较为明显的下沉现象。

图10竖向荷载275kPa条件下含水率ω=15.5%
黄土试样钻孔形态对比
Fig.10Comparisonofboreholeofloesssampleswithamoisturecontentof15.5%underverticalloadof275kPa

从图5—图10可以看出，不同含水率土样的蠕变曲线展现出了以下性质：

(1)相同含水率在不同压力作用下，变形随着时间的增长而增长，而且压力越高，瞬时变形及蠕变变形也越大。

(2)所加压力一定时，含水率愈大，土体的初始变形愈大，试样的蠕变变形也愈大。

以上由试验展现出来的性质，与一般蠕变试验得出的结论一致，也从侧面证明了本文研究方法的正确性。

4.2 应变速率与时间的关系

为更好地分析黄土蠕变特性，将含水率23.8%和20.1%的蠕变曲线绘制成应变速率与时间的关系曲线，如图11、图12所示。

从图11和图12可以看出，在应力不高的情况下，应变速率随时间逐渐下降，最后变为0，符合蠕变过程中减速蠕变阶段的特点。在应力较高的情况下，应变速率展现出先减小，后趋于稳定，然后急剧增大的特点，符合蠕变所经历的减速、等速、加速蠕变的3个阶段。

图11 含水率23.8%试样应变速率与时间关系曲线

图12含水率20.1%试样应变速率与时间关系曲线
Fig.12Strainrateversustimeofloesssamplewithamoisturecontentof20.1%

同时，由于含水率的不同，图11和图12展现出含水率越高，初始应变速率越大，试样破坏时间越短的特点，这是由于黄土的湿陷性，结构迅速破坏面产生显著附加沉陷，土的结构破坏而发生显著附加变形所导致。

5 结 语

基于一维固结仪，本文提出一种改进的利用固结仪进行黄土蠕变试验的方法，该方法可以较好地得出黄土蠕变过程的3个完整阶段，同时可以全程观测蠕变过程中土体的变化，便于从内部了解土体的蠕变特点，另外，该试验方法具有操作简单，影响因素少，数据可靠性较强等优势。但在试验过程中，试样含水率的保持，仪器自身以及操作等问题，都会影响到试验数据，另外，本文只研究了一维问题，而实际工程中更多的是多维问题，有待于进一步深入的研究。