网纹红土蠕变应变率试验研究★

何玉荣 李建中

(1.湖南科技学院土木与环境工程学院，湖南 永州 425199; 2.中南大学地球科学与物理信息学院，湖南 长沙 410083)

1 概述

黏性土体具有蠕变特性。蠕变变形发展一般分为衰减蠕变阶段、稳定蠕变阶段和破坏阶段3个阶段。许多工程问题(如边坡变形、地基不均匀沉降、地下工程失稳等)都是由于持力层蠕变变形持续发生引起的，因此深入系统研究土的蠕变特性对维持土体的长期稳定，保证各类工程结构物的正常运行和安全使用，预防和减少各类工程事故的发生具有重要的意义[1-4]。目前，许多学者在蠕变变形特征、变形机制及本构方程等方面做了大量的研究[5-8]，而对蠕变应变率随时间的发展规律研究的很少。蠕变应变率是蠕变变形所处阶段与发展趋势判断的重要依据，进行这方面的研究是预测和防治边坡失稳、确保工程顺利施工的基本前提[9-11]。网纹红土是长江中下游及周边地区岩土工程施工中常见的土体。网纹红土的土力学特性直接影响着地(路)基、基础、基坑以及边坡等工程的设计与施工。近20年来在 岩土工程实践中积累了一些针对网纹红土土力学特性进行岩土工程设计与施工的经验，但是，由于没有对网纹红土的蠕变特性等基础性问题进行系统的研究，设计人员与工程技术人员往往凭经验办事，无法从理论上正确认识网纹红土的蠕变特性，因而也很难确保能够针对网纹红土的岩土工程施工与设计合理、安全而且经济。目前针对网纹红土进行的诸如土体变形计算、土体强度测试等都是根据相关的国家或者行业规范加上工程技术人员的经验做出。由于各种规范相对比较笼统、个人经验往往带有局限性，因此，在具体实践中很难得到与实际情况相吻合的结果。特别是，目前所有的规范所给出的计算方法大多只考虑了土的弹性，而实际上，网纹红土的蠕变变形在土体变形中所占比重更大。所以，有必要对网纹红土的蠕变特性进行较为系统的研究。本文对长沙岳麓山地区网纹红土进行了分别加载条件下的初始加载、卸载、重复加载蠕变试验，通过分析网纹红土蠕变应变率的变化规律，着重研究了应变率与时间、应力之间的关系。

2 试验方案

土样采用横截面积为30 cm2、高度为2 cm的圆柱体。土样的物理性质参数为:土粒比重为2.71,天然含水率为23.83%～26.88%,天然密度为1.90 g/cm3～1.95 g/cm3。蠕变试验仪器是采用双面排水侧限的WG型三联低压固结蠕变仪。文中进行了不同应力水平下(50 kPa，100 kPa，200 kPa，400 kPa，800 kPa)的分别加载蠕变试验,每级应力下的蠕变试验开展了初始加载、卸载、重复加载3个过程。试验中以变形小于0.005 mm/24 h为变形达到稳定的标准。蠕变试验都是土样在上一级荷载作用下变形达到稳定以后,再对其施加下一级的荷载。为了降低偶然误差,本文的试验是将3个土样进行了平行试验,试验结果取3个土样的算术平均值。

3 试验结果及分析

图1是分别加载条件下,以每级荷载加载起始时刻为该级荷载蠕变初始时间,蠕变应变率随蠕变时间的变化曲线。

从图1中可以发现:

(1)

其中,a,n均为常数。

(2)

或：

(3)

其中，m为常数；Δσ为该级应力与上一级应力差值的绝对值。

对式(2)，式(3)两边取对数整理后,得到:

(4)

令：

A=mlnΔσ+lna

(5)

可以得到:

(6)

为了确定式(2)，式(3)中的各项参数,进行如下处理:

n=∑ni/k

(7)

其中,ni为该过程中某一应力下的斜率;k为加、卸载应力水平级数。

对于图1曲线中任意一点都有:

(8)

A=∑At/l

(9)

其中，l为某一应力下所取时间点的数目。

2)基于式(5)和求得的A值,以A为纵坐标,以lnΔσ为横坐标,绘制图形,并添加线性趋势线。发现其线性相关系数均大于0.9,表示其线性关系很密切。根据所绘图形可求得初始加载、卸载、重复加载各过程的斜率m及截距lna。至此,式(2),式(3)中的3个参数n,m和a都已求出(如表1所示)。

表1 式(2),式(3)中的各参数值

结合表1中的各参数值和式(2)，式(3),可以得出任意时刻的分别加载蠕变应变率。利用式(2)，式(3)拟合分别加载蠕变试验初始加载、卸载、重复加载过程中的蠕变应变率,其结果如图2～图4所示。

从图2～图4中可以看出初始加载、卸载、重复加载过程中的蠕变应变率被拟合的很好。式(2)，式(3)能较好地描述网纹红土分别加载条件下蠕变应变率变化规律。

4 结论