飽和土二維固結(jié)試驗在離心力場條件下的適用性分析

張莎莎，謝永利，劉保健

(長安大學(xué)公路學(xué)院，陜西 西安710064)

0 引言

隨著城鎮(zhèn)建設(shè)事業(yè)及交通行業(yè)的迅猛發(fā)展，工程用地已是寸土寸金，如何合理治理飽和土的工程病害早已成為工程治理中的重要課題之一.目前，離心模型試驗技術(shù)是各類土工物理模型試驗中相似性能最好的試驗方法［1-3］，且已探索出了很多有益的試驗經(jīng)驗［4］.然而，大量離心模型試驗過程中，由于試驗條件限制，通常認(rèn)為其進(jìn)行的都是一維單面排水固結(jié)試驗［5］，對于在有側(cè)限情況下的二維固結(jié)排水模擬試驗基本未見到相關(guān)的報道.

實際工程中，地基的側(cè)向排水會加速超靜水壓力的消散，對其固結(jié)沉降速率有較大影響.為了探索更接近于實際工況的土體固結(jié)特性及其在二維排水條件下飽和土的離心模型試驗特點，研究飽和土樣在離心力場下的適用條件，筆者針對典型區(qū)域飽和土樣海相土、湖相土及河相土分別進(jìn)行了在離心力場條件下的適用性條件分析，為今后采用離心模型試驗研究土體的二維固結(jié)特性進(jìn)行探索性研究.

1 典型區(qū)域土樣的基本工程性質(zhì)

為了使試驗結(jié)果更具有代表性，所取試樣分別為寧波海相土、洞庭湖地區(qū)湖相土及渭河二級階地濕軟黃土，對試驗土樣進(jìn)行了基本工程性質(zhì)的測試，所測項目均做了3組平行試驗.土樣的基本工程性質(zhì)列于表1.

表1 土樣的基本工程性質(zhì)Tab.1 Physico-mechanical properties of soil samples

2 離心模型試驗

2.1 試驗裝置設(shè)計

目前，研究土體固結(jié)壓縮特性最基本的方法是室內(nèi)側(cè)限固結(jié)壓縮試驗，為了與常規(guī)固結(jié)試驗結(jié)果進(jìn)行對比分析，對離心機(jī)所配備的模型箱進(jìn)行了加工改裝.由于常規(guī)固結(jié)試驗的容器是圓柱形，本次試驗亦給模型箱中加工相似形狀的有機(jī)玻璃筒［6］，其徑高比以標(biāo)準(zhǔn)常規(guī)固結(jié)試驗環(huán)刀的徑高比為依據(jù)和參考，并依據(jù)離心試驗?zāi)Ｐ拖涞拈L寬高(700 mm×360 mm×500 mm)的限制來確定.試筒裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示.試筒裝置與離心機(jī)自配模型箱之間的連接支架如圖2所示.

有機(jī)玻璃試筒底部有排水通道，雙面排水試驗時，可以取出有機(jī)玻璃底板;單面排水試驗時，可以將有機(jī)玻璃底板放入筒內(nèi)，并密封.設(shè)計兩種試筒，一種試筒側(cè)面為實體有機(jī)玻璃，一種試筒側(cè)面的有機(jī)玻璃均勻密布排水小孔.

在使用有機(jī)玻璃試筒來模擬土體固結(jié)試驗過程時，由于水自身重力的原因，土體上表面、底面和側(cè)向固結(jié)排出的水可以直接排到外圍的模型箱中，對固結(jié)試驗過程的干擾減小.為使試筒在離心機(jī)轉(zhuǎn)動過程中不產(chǎn)生側(cè)面變形，隨即也設(shè)計了有機(jī)玻璃試筒的卡箍裝置及其在模型箱中的固定裝置(圖2).固定試筒裝置的支架三面有定位螺絲，可有效調(diào)節(jié)鋼支架在離心機(jī)自配模型箱中的位置.在鋼支架中心安置試筒的四周也有4個定位螺絲，可直接幫助調(diào)節(jié)試筒處于模型箱的中心.安裝測量儀器的支架為航空鋁合金材質(zhì)，在安裝時選擇了小跨度，試驗證實在100 g的情況下其變形撓度非常微小可以忽略不計.

試驗采用的離心機(jī)型號是TLJ-3型土工離心機(jī)，其有效半徑為2.0 mg.土體固結(jié)沉降變形測量儀器為ILD1300-100型非接觸式激光位移傳感器，該傳感器可直接對土樣沉降變形進(jìn)行測量，對土樣無干擾.土壓傳感器和孔隙水壓力傳感器均為微型傳感器，它們的型號分別為BW-0.6型和BWL-0.4型.

2.2 試驗方案

為了減少其他因素的干擾，試驗?zāi)Ｐ屯翗硬捎镁|(zhì)土體.因此，對土樣進(jìn)行了晾曬、過2 mm篩、浸水飽和的處理.浸水飽和時間不少于10 d，經(jīng)檢測土樣的飽和度基本達(dá)到99%以上.

模擬二維固結(jié)排水的離心模型試驗圓柱筒的周邊及底層布設(shè)了濾紙，以使在試驗過程中只有水被排出試筒外.模型試驗安排如表2所示.

為了與二維固結(jié)試驗進(jìn)行對比分析，亦做了兩組一維單面排水固結(jié)離心模型試驗，方案見表3.

在試驗過程中，部分試驗加測了土壓力及孔隙水壓力，為了避免埋設(shè)于土中的傳感器對土體的固結(jié)變形過程產(chǎn)生影響，在該種情況下的固結(jié)試驗結(jié)束后，再做相應(yīng)的只架設(shè)非接觸式激光位移傳感器來測試土體的變形.

表2 飽和土樣二維固結(jié)離心模型試驗Tab.2 Schemes of centrifugal modeling tests for two-dimensional consolidation

表3 飽和土樣一維固結(jié)離心模型試驗Tab.3 Schemes of centrifugal modeling tests for one-dimensional consolidation

2.3 離心模型試驗結(jié)果及分析

2.3.1 固結(jié)沉降與時間的關(guān)系

在離心模型試驗過程中，由于飽和軟土的完全固結(jié)是個緩慢的過程［7］，為了節(jié)約試驗時間，通過對測試儀器傳輸?shù)诫娔X中的數(shù)據(jù)進(jìn)行實時監(jiān)控，然后通過數(shù)據(jù)模擬軟件OriginPro7.5來對試驗時間進(jìn)行控制［7-8］，在固結(jié)沉降量基本超過70%的總沉降量時，試驗停止.二維離心模型試驗過程中，各土樣固結(jié)沉降和試驗時間的關(guān)系曲線如圖3～6所示.

從圖3～5可知，3種類型飽和土的沉降量隨時間變化的規(guī)律基本相似.由于寧波飽和黏土的固結(jié)系數(shù)較小，其固結(jié)沉降主要分為斜率較陡的線性快速固結(jié)和斜率較緩的線性緩慢固結(jié)兩個主要固結(jié)階段，其中緩慢固結(jié)沉降量所占總沉降量的比例是比較大的，基本大于65%.洞庭湖地區(qū)飽和湖相土的固結(jié)系數(shù)相對較大，固結(jié)沉降隨時間變化主要可以分為線性快速固結(jié)和緩慢固結(jié)，其線性快速固結(jié)階段所完成的沉降量基本占到總沉降量的70%以上.飽和黃土快速固結(jié)和緩慢固結(jié)之間的銜接非常緩和，線性增長并不明顯，整個固結(jié)階段呈現(xiàn)曲線型增長.

從圖3、圖5可知，當(dāng)初始孔隙比不一樣時，同種類型飽和土的前期固結(jié)階段沉降量隨時間變化的趨勢是基本重合的，沉降量增長速率基本一致.進(jìn)入緩慢固結(jié)階段以后，初始孔隙比較大的飽和土沉降量增長速率逐漸增大，與初始孔隙比較小的沉降量增長趨勢分離.

為了與飽和土的離心模型二維固結(jié)試驗進(jìn)行對比分析，同時進(jìn)行了離心模型一維固結(jié)試驗.試驗過程中，固結(jié)沉降量與時間的關(guān)系曲線如圖6所示.

從圖3、圖5和圖6中可以看出，離心模型一維固結(jié)沉降速率明顯小于二維固結(jié)沉降速率.兩種土的離心模型一維固結(jié)沉降量隨時間變化規(guī)律基本是相似的，分為線性快速固結(jié)和曲線形緩慢固結(jié)兩個主要階段.兩種土的一維固結(jié)試驗中，曲線形緩慢固結(jié)沉降量占總沉降量的比例都很大.

利用模擬軟件OriginPro7.5對試驗所得固結(jié)沉降量隨時間的變化曲線進(jìn)行指數(shù)關(guān)系擬合，可以得到式(1)，其中擬合參數(shù)如表4所示.

式中：S為土體的沉降量;S∞為土體最終沉降量;t為試驗時間;Ai和Bi為試驗常數(shù)，與試驗條件和土性有關(guān).

表4 二維固結(jié)擬和參數(shù)Tab.4 Fitting parameters

由于擬合曲線R2≥0.99，即式(1)對曲線可進(jìn)行合理預(yù)測.對應(yīng)的實際結(jié)果應(yīng)乘以相應(yīng)的n.

2.3.2 離心模型試驗中土體的固結(jié)特性

為了研究離心模型二維固結(jié)試驗過程中土體的固結(jié)特性隨時間的變化規(guī)律，對土體的土壓、孔壓和試驗結(jié)束后的含水率進(jìn)行了測定，土壓及孔隙水壓力傳感器設(shè)于土柱體底部，結(jié)果如圖7～9所示.

從圖7的土壓傳感器測量值隨離心時間的變化曲線中可以看出，兩種土壓力傳感器的測量值都是隨著離心時間的增大，先增大再減小而后趨于穩(wěn)定.在試驗初期離心加速度的增大過程即是土層厚度的增大過程，這一過程中土壓力測量值就會隨著土層厚度的增加而增大;加速度穩(wěn)定以后，土層厚度不再增大，土體固結(jié)沉降變得明顯，此時孔隙水壓力的消散過程亦呈現(xiàn)比較明顯的態(tài)勢，很多水都被排出在試筒之外，土加水的總量減小，從而導(dǎo)致整個土體的壓力減小，但是隨著土體固結(jié)的逐漸穩(wěn)定，水的消散量也減小，土壓傳感器的測量值趨于穩(wěn)定.位于土體底部中心區(qū)域的土壓測量值稍低于周圍的土壓測量值，可以看出離心模型試驗過程中離心加速度分布并不完全均勻的特性.

從圖8可以看出，孔隙水壓力隨著離心加速度的增大也有一定的起伏變化.但是，隨著離心加速度穩(wěn)定后，孔隙水壓力傳感器的測量值就開始迅速減小.孔壓測量值(側(cè))在減小的過程中稍有起伏，但是隨著時間的推移孔壓傳感器的測量值逐漸趨于零.孔壓測量(中)值則是隨著離心時間的增大而迅速減小，甚至出現(xiàn)負(fù)孔壓，而后有趨向“零”孔壓的趨勢，即回到初始測量值.產(chǎn)生負(fù)孔壓主要是因為在離心力作用下，由于是二維排水固結(jié)，在某些局部區(qū)域的土體還未來得及變形，但是水早已排出，因此產(chǎn)生了局部意義上的真空，孔壓隨即出現(xiàn)負(fù)值，但從長期來看，孔壓有慢慢恢復(fù)到“零”的趨勢，即初始值.

圖9 含水率在土柱體的分布Fig.9 Profiles of water content

圖9為離心試驗結(jié)束后土柱體中含水率的分布曲線.從圖中可以看出，兩種土柱體中，底層含水率都較小，頂層含水率較大，土柱體中部的含水率隨著土體的滲透系數(shù)不同呈現(xiàn)一定的差異.滲透系數(shù)較小(即固結(jié)系數(shù)較小)的海相土含水率分布更接近于理論.

3 結(jié)論

(1)固結(jié)系數(shù)較小的寧波飽和黏土，其離心模型二維固結(jié)沉降主要分為斜率較陡的線性快速固結(jié)和斜率較緩的線性緩慢固結(jié)兩個主要固結(jié)階段，其中緩慢固結(jié)沉降量所占總沉降量的比例較大，基本大于65%.

(2)固結(jié)系數(shù)相對較大的洞庭湖地區(qū)飽和湖相土的離心模型二維固結(jié)沉降隨時間變化主要可以分為線性快速固結(jié)和緩慢固結(jié)，其線性快速固結(jié)階段所完成的沉降量基本占到總沉降量的70%以上.

(3)飽和黃土離心模型二維固結(jié)試驗中的快速固結(jié)和緩慢固結(jié)之間銜接非常緩和，線性增長并不明顯，整個固結(jié)階段呈現(xiàn)曲線型增長.

(4)在離心模型試驗中，初始孔隙比不同的同種類型飽和土，其前期二維固結(jié)階段沉降量隨時間變化的趨勢是基本重合的，沉降量增長速率基本一致.進(jìn)入緩慢固結(jié)階段以后，初始孔隙比較大的飽和土沉降量增長速率逐漸增大，與初始孔隙比較小的沉降量增長趨勢分離.

(5)在離心模型試驗中，土柱體的二維固結(jié)特性與理論基本相似，固結(jié)系數(shù)較小的寧波海相土試驗結(jié)果更接近于理論，離心模型試驗具有飽和土樣二維固結(jié)模擬的基礎(chǔ)。

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