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      海積軟土次固結(jié)性狀的試驗(yàn)研究

      2014-12-31 11:22:36丁榮祥張超杰陳式華魏海云
      浙江水利科技 2014年6期
      關(guān)鍵詞:屈服應(yīng)力土樣增量

      丁榮祥,張超杰,陳式華,魏海云

      (浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

      1 問題的提出

      飽和軟黏土的一維壓縮主要由2部分組成:一部分是由于在總應(yīng)力不變的情況下,隨著孔隙水的排出,有效應(yīng)力逐漸增大,從而導(dǎo)致土體骨架的壓縮,這一部分被稱為主固結(jié);另一部分則由于土顆粒的塑性調(diào)整而導(dǎo)致的土骨架流變特性而引起,由于具有流變特性,土骨架在有效應(yīng)力不變的情況下也會(huì)產(chǎn)生壓縮,這種壓縮被稱為次壓縮(或次固結(jié))。Bjerrum(1967年)[1]、Crawford(1985年)[2]指出土體在受荷之后便會(huì)立即產(chǎn)生次壓縮變形,而不只是在主固結(jié)結(jié)束后產(chǎn)生。這個(gè)觀點(diǎn)符合土體這一具有流變特性的工程材料的力學(xué)特性并已被工程界廣泛接受。本文通過對海積軟土的多級加荷一維固結(jié)蠕變試驗(yàn),研究與流變關(guān)系密切的次固結(jié)系數(shù)的變化和能夠減少軟土流變沉降的加載歷時(shí)。

      2 試驗(yàn)方案

      試驗(yàn)儀器采用有側(cè)限的常規(guī)固結(jié)壓縮儀,土樣面積為30cm2,高度為2cm,共進(jìn)行2組8個(gè)土樣的一維壓縮試驗(yàn)。土樣取自溫嶺市東海塘南片綜合開發(fā)區(qū)3-5淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層,取樣深度19.2~19.7m,為了確保8個(gè)土樣性質(zhì)均一、擾動(dòng)少,2組取樣的鉆孔間距3m,并采用了用薄壁取土器取樣,此外,試樣運(yùn)輸和切割也盡量采取措施減少試樣的擾動(dòng),因此這8個(gè)試樣的性質(zhì)基本是均一的。土樣的主要物理力學(xué)指標(biāo)為:ω=45%,Sr=100%,e0=1.007;壓縮 (固結(jié)):αv0.1~0.2=1.245MPa-1,Esv0.1~0.2=2.14MPa,Cv0.2=1.067×10-3cm2/s;滲透:kh=2.7×10-7cm/s。試驗(yàn)方案見表1。

      表1 試驗(yàn)方案表

      3 壓縮曲線形式與加荷比的關(guān)系

      許多試驗(yàn)表明,加荷比對固結(jié)時(shí)間過程曲線的影響是非常顯著的。Leonards(1964年)根據(jù)曲線形狀將其分為主次固結(jié)階段之間有一明顯最大曲率點(diǎn)的Ⅰ型、主次固結(jié)階段無法明顯分開的Ⅱ型和二者的過渡型Ⅲ型3種類型。從試樣zk5-8-5、zk5-8-6、zk5-8-7和zk5-8-8在荷載300kPa下持續(xù)26d后,分別施50,100,200,500kPa等不同荷載增量后的變形曲線可以看出 (見圖1~4),本試驗(yàn)土樣也呈現(xiàn)出了這一規(guī)律。從荷載和結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力的關(guān)系來看,如果荷載遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力,則壓縮曲線為Ⅱ型;如果荷載接近結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力,則壓縮曲線為Ⅲ型;如果荷載遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力,則壓縮曲線為Ⅰ型。

      圖1 試樣zk5-8-5固結(jié)蠕變試驗(yàn)圖

      圖2 試樣zk5-8-6固結(jié)蠕變試驗(yàn)圖

      圖3 試樣zk5-8-7固結(jié)蠕變試驗(yàn)圖

      圖4 試樣zk5-8-8固結(jié)蠕變試驗(yàn)圖

      4 次固結(jié)系數(shù)的變化

      關(guān)于次固結(jié)系數(shù)的變化,可以從2個(gè)角度來觀察:一是不同初始狀態(tài)和荷載增量下,荷載持續(xù)某一固定時(shí)間內(nèi)的次固結(jié)系數(shù)變化;二是同一荷載下,不同時(shí)間段內(nèi)的次固結(jié)系數(shù)的變化。

      圖5和圖6是試樣zk5-8-4的e-log(P)曲線和e-log(t)曲線,圖7是不同初始狀態(tài)和荷載增量下,荷載持續(xù)24h內(nèi)的次固結(jié)系數(shù)變化??梢钥闯?,在荷載達(dá)到結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力之前,e-log(t)曲線平緩,蠕變速率較低,土體的變形較小;在達(dá)到結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力之后,e-log(t)曲線變陡,蠕變速率增大,變形明顯增大。而且,在這個(gè)過程中,次固結(jié)系數(shù)也在不斷變化:在結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力之前,次固結(jié)系數(shù)隨著荷載的增加而顯著增大,在荷載大于結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力之后,次固結(jié)系數(shù)增加到最大值,之后緩慢減小,但結(jié)構(gòu)屈服前的次固結(jié)系數(shù)遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)屈服后的。

      圖5 試樣e-log(P)曲線

      同一荷載下不同時(shí)間段內(nèi)的次固結(jié)系數(shù)的變化與壓縮曲線的形狀相關(guān),對于Ⅰ型壓縮曲線,次固結(jié)系數(shù)隨著荷載持續(xù)時(shí)間的延長而減小 (見表2);對于Ⅱ型的壓縮曲線,在加載后一定時(shí)間內(nèi),次固結(jié)系數(shù)是逐漸增大的 (見表3);而對于Ⅲ型的壓縮曲線,在加載后一定時(shí)間內(nèi),次固結(jié)系數(shù)是先增大后減小的 (見表4)。

      圖6 試樣zk5-8-4固結(jié)蠕變試驗(yàn)圖

      表2 土樣zk5-8-7在500kPa下不同持續(xù)時(shí)間時(shí)的次固結(jié)系數(shù)表

      表3 土樣zk5-8-5在350kPa下不同持續(xù)時(shí)間時(shí)的次固結(jié)系數(shù)表

      表4 土樣zk5-8-6在400kPa下不同持續(xù)時(shí)間時(shí)的次固結(jié)系數(shù)表

      5 壓縮指數(shù)和次固結(jié)系數(shù)的關(guān)系

      因次固結(jié)系數(shù)變化較復(fù)雜,故本文僅研究同一初始狀態(tài)和相同荷載增量下,荷載持續(xù)某一固定時(shí)間內(nèi)的次固結(jié)系數(shù)變化。

      從圖5可以看出,壓縮指數(shù) (e-log(P)曲線的斜率)隨著壓力的增大,值逐漸增大,這樣的變化規(guī)律與次固結(jié)系數(shù)的變化規(guī)律極其相似。Mesri&Godlewski(1977年)[3]總結(jié)了22種黏土的次固結(jié)試驗(yàn)結(jié)果指出,對于同一種原狀土次固結(jié)系數(shù)與壓縮指數(shù)的比值是一個(gè)常數(shù),其值在0.025~0.100。經(jīng)計(jì)算,本次試驗(yàn)次固結(jié)系數(shù)和壓縮指數(shù)的比值在0.020~0.028,基本維持恒定,這與Mesri的結(jié)論是相符的。

      6 應(yīng)力歷史對次固結(jié)系數(shù)的影響

      為了研究應(yīng)力歷史對次固結(jié)的影響,試樣zk5-8-5、zk5-8-6、zk5-8-7和zk5-8-8在施加到荷載300kPa之前的加載方式完全相同,在荷載300kPa下持續(xù)26d后,分別施50,100,200,500kPa等不同的荷載增量,試驗(yàn)成果見圖1~4。由圖1~4對比可知,4個(gè)試樣在施加不同荷載前的變形規(guī)律完全相同,之后的變形就各有特色。

      對比分析這幾個(gè)圖可知,試樣在26d的持續(xù)荷載下,產(chǎn)生了明顯的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,使得變形狀況與應(yīng)力水平相關(guān):在下一級荷載增量不大的情況下,變形曲線上主次固結(jié)的分界逐漸模糊,曲線幾乎成了直線,次固結(jié)變形很小;隨著荷載增量增加,主固結(jié)與次固結(jié)分界明顯,次固結(jié)變形部分增大。此外,通過對次固結(jié)系數(shù)研究發(fā)現(xiàn),在小荷載增量下,次固結(jié)系數(shù)前期 (24h內(nèi))較小,基本與原狀土在超固結(jié)狀態(tài)下的次固結(jié)系數(shù) (也是24h內(nèi))相同,后期逐漸長大,但仍小于正常固結(jié)狀態(tài)下的值 (約60%);在大荷載增量下,次固結(jié)系數(shù)基本不隨時(shí)間變化,與原狀土在正常固結(jié)下的值基本相同,不同荷載增量下次固結(jié)系數(shù)見表5。

      對于試樣zk5-8-5和zk5-8-6,在分別施加荷載增量50,100kPa荷載增量并持續(xù)12d后,再次分別加載250,50kPa,試驗(yàn)成果見圖1和圖2,可以看出,本次加載試樣zk5-8-5的變形曲線出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折,次固結(jié)變形曲線與該土樣在荷載300kPa下的變形曲線基本平行;而對土樣zk5-8-6,因本次荷載持續(xù)時(shí)間短,不能產(chǎn)生足夠的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力,與試樣zk5-8-5在荷載增量50kPa次固結(jié)相比,次固結(jié)變形明顯小,次固結(jié)系數(shù)為0.00667,但小于該土樣在荷載300kPa下正常固結(jié)狀態(tài)時(shí)的值。

      次固結(jié)變形是由于土骨架的流變?nèi)渥冏饔卯a(chǎn)生的。上述試驗(yàn)表明,這類蠕變變形可以增加土的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力,提高土體的抗變形能力,在一定荷載范圍內(nèi)可以大大減小土的次壓縮性,但當(dāng)荷載增大至某一值后,這種效應(yīng)便會(huì)消失。

      表5 不同荷載增量下次固結(jié)系數(shù)的變化表

      7 結(jié)語

      通過上述對固結(jié)過程中3個(gè)黏滯性效應(yīng)的分析,可以得出以下結(jié)論:

      (1)對于結(jié)構(gòu)性土,次固結(jié)系數(shù)與應(yīng)力水平密切相關(guān),在固結(jié)荷載小于結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力時(shí),次固結(jié)系數(shù)隨著荷載的增加而顯著增大,在荷載大于結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力之后,次固結(jié)系數(shù)增加到最大值之后緩慢減小,但結(jié)構(gòu)屈服前的次固結(jié)系數(shù)遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)屈服后的。根據(jù)試驗(yàn)成果,海積軟土在超固結(jié)階段也有明顯的次固結(jié)現(xiàn)象,在對這類土的工后沉降計(jì)算中須考慮這一因素。

      (2)同一種原狀土次固結(jié)系數(shù)與壓縮指數(shù)的比值在較小的范圍內(nèi)變化,可以看作是一個(gè)常數(shù);歷史應(yīng)力和加荷比對次固結(jié)變形都有很大的影響。

      (3)次固結(jié)變形是由于土骨架的黏滯性蠕變作用產(chǎn)生的,這類蠕變變形可以增加土的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力,提高土體的抗變形能力,在一定荷載范圍內(nèi)可以大大減小土的次壓縮性,但當(dāng)荷載增大至某一值后,這種效應(yīng)便會(huì)消失。海堤一般都建在深厚的海相軟土層上,工后沉降時(shí)間漫長,蠕變次固結(jié)沉降占的比例較大,據(jù)本文的試驗(yàn)成果,如采用合理的加載施工工藝,在一定程度上可以大幅減少工后沉降。

      [1] Bjerrum L. Engineering geology of Norwegian normally consolidation marine clays as related to the settlement of building[J].Geotechnique,1967,17(12):81-118.

      [2] Crawford C B.State of the art:evaluation and interpretation of soil consolidation tests[C] //Proc.ASTM Symp.consolidation behavior og soils.Fort Lauderdale,1985,STP892,PP:71-103.

      [3] MesriG,GodlewskiP M.Time and stresscompressibility interrelationship [J].ASCE Journal of Geotechnical Engineering Division,1977,103(GT5):1067-1070.

      [4] NagarajT S, Pandian N S, Narasimha Raju P S R.Compressibility behavior of soft cemented soil[J].Geotechnique,1998,48(2):281-287.

      [5]沈珠江.軟土工程特性和軟土地基設(shè)計(jì)[J].巖體工程學(xué)報(bào),1998,20(1):100-111.

      [6]殷宗澤,張海波,朱俊高,等.軟土的次固結(jié) [J].巖土工程學(xué)報(bào),2003,25(9):521-526.

      [7]魏汝龍.軟黏土的強(qiáng)度和變形[M].北京:人民交通出版社,1987.

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