黃土平面蠕變特性試驗(yàn)研究

胡連信，駱亞生，王鵬程，丁紅麗

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

分布于我國(guó)西北地區(qū)的黃土，由于其特殊的結(jié)構(gòu)性及對(duì)水的特殊敏感性，常容易產(chǎn)生地基沉降、邊坡變形和滑坡等工程地質(zhì)問題，而對(duì)黃土高原地區(qū)修建的建筑物的長(zhǎng)期沉降，地下工程引起的地面沉降等均與黃土的蠕變特性有著密切關(guān)系。

長(zhǎng)期以來，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)上述巖土工程問題作了大量研究，并取得了許多成果[1-6]。因此，對(duì)黃土蠕變特性的研究不僅可以完善黃土的蠕變理論，也可以在查明蠕變影響因素的同時(shí)采取相應(yīng)的工程措施來預(yù)防和治理因蠕變引起的工程地質(zhì)問題，為黃土地區(qū)的工程建設(shè)提供有效的理論指導(dǎo)和實(shí)踐參考依據(jù)。

黃土蠕變性質(zhì)的研究方法中，常見有單軸壓縮試驗(yàn)、直接剪切蠕變?cè)囼?yàn)和三軸蠕變?cè)囼?yàn)等室內(nèi)蠕變?cè)囼?yàn)方法[7-10]，而很少采用平面蠕變?cè)囼?yàn)手段。但對(duì)于那些在長(zhǎng)度方向斷面形狀不變，且上部受有不容忽視荷載情況的工程結(jié)構(gòu)，如路堤、土石壩、擋土墻、機(jī)場(chǎng)跑道、地下隧道、河堤等，其受上覆荷載產(chǎn)生的應(yīng)力變形狀態(tài)為平面應(yīng)變狀態(tài)，故對(duì)其土體變形研究采用平面蠕變?cè)囼?yàn)要比常規(guī)三軸蠕變?cè)囼?yàn)更符合土體實(shí)際受力變形。本文通過不同先期固結(jié)壓力、含水率條件下黃土的平面蠕變?cè)囼?yàn)，分析了剪應(yīng)力(σ1-σ3)值、含水率(w)和先期固結(jié)壓力(σ3)對(duì)黃土平面蠕變特性的影響，并同常規(guī)三軸蠕變?cè)囼?yàn)進(jìn)行對(duì)比分析，從而為實(shí)際工程提供有效依據(jù)，預(yù)防和減少工程事故的發(fā)生。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)所取土樣為陜西省涇陽(yáng)縣太平鎮(zhèn)崔師某磚廠，取土深度3.0～4.0 m，干密度1.28 g/cm3，天然含水率16.2%，孔隙比1.14，屬Q(mào)3黃土。試樣的基本物理性質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 黃土的物理性質(zhì)指標(biāo)

為解決平面應(yīng)變工程中的長(zhǎng)期沉降問題，采用改造的平面蠕變儀來模擬實(shí)際問題，研究其變形規(guī)律。

如圖1所示，采用文獻(xiàn)[11]的方法，先將原先日本谷藤機(jī)械工業(yè)株式會(huì)社生產(chǎn)的TS-525式真三軸儀改造成平面應(yīng)變儀，再在壓力室不變的前提下，將壓力室移至自制的鐵架上，構(gòu)成簡(jiǎn)易平面蠕變儀。其中，將原先柔性加壓的2個(gè)作用面(88.9 mm×88.9 mm)作為零應(yīng)變面，即加側(cè)限約束，模擬土體在實(shí)際工程中受到的側(cè)限條件，將這個(gè)方向定為中主應(yīng)力σ2方向；小側(cè)面(88.9 mm×35.56 mm)由側(cè)板上的氣壓(空壓機(jī)提供)加壓，模擬實(shí)際土體在長(zhǎng)期沉降過程中受到的側(cè)向壓力，將這個(gè)方向定為小主應(yīng)力σ3方向；在軸向方向上，通過鐵架由砝碼提供軸向壓力，模擬實(shí)際工程中的上覆荷載，將這個(gè)方向定為大主應(yīng)力σ1方向。在小主應(yīng)力σ3方向和大主應(yīng)力σ1方向分別采用自動(dòng)采集系統(tǒng)和高精度百分表量測(cè)其形變大小，所有加壓砝碼和百分表均經(jīng)過國(guó)家計(jì)量認(rèn)證。

圖1為試樣尺寸和改造平面蠕變壓力室，其中試樣表面a、b、c分別對(duì)應(yīng)剛性約束面(σ2方向)，側(cè)壓面(σ3方向)和軸壓面(σ1方向)。經(jīng)后期試驗(yàn)[12]，改造的壓力室能較好適用于平面應(yīng)變的相關(guān)試驗(yàn)。

試樣為非飽和重塑土樣，由黃土風(fēng)干、碾碎、過篩后的土料壓實(shí)制作而成，控制干密度為1.53 g/cm3(壓實(shí)度為90%)。采用水膜轉(zhuǎn)移法控制試樣含水率在10%、20%和30%三種，并置于保濕缸中靜置48 h以上，使得試樣水分均勻分布。試驗(yàn)黃土試樣作3個(gè)固結(jié)壓力水平(σ1=σ3)的平面蠕變?cè)囼?yàn)，包括50 kPa、100 kPa和150 kPa，軸向應(yīng)力采用分級(jí)加載方式，軸向剪應(yīng)力分別為50 kPa、100 kPa、200 kPa和300 kPa。數(shù)據(jù)記錄采用間隔時(shí)間0.5 min、1 min、1.5 min、2 min、5 min、10 min、10 min、30 min、1 h、1 h、2 h、2 h、2 h、4 h、11 h。

為便于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄與處理，每級(jí)荷載至少加載24 h，試樣穩(wěn)定后加下一級(jí)荷載，穩(wěn)定以變形小于0.01 mm/(4 h)為標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)過程中允許排水排氣，試樣破壞以軸向形變大于軸向尺寸的15%，或試樣出現(xiàn)急劇變形為準(zhǔn)。

圖1 試樣尺寸、壓力室及試驗(yàn)裝置

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

本次平面蠕變?cè)囼?yàn)采用分級(jí)加載方式，故需要采用Boltzmann疊加原理對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，具體結(jié)果見圖2和圖3。

2.1 剪應(yīng)力對(duì)平面蠕變特性的影響

以w=10%、σ3=150 kPa；w=20%、σ3=100 kPa和w=30%、σ3=50 kPa三種條件下試樣的平面蠕變狀態(tài)為例(見圖2)。

分析可知：在剪應(yīng)力水平較低的情況下，重塑土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)調(diào)整較快，軸向變形在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，表現(xiàn)為衰減蠕變趨勢(shì)，蠕變現(xiàn)象不明顯。當(dāng)剪應(yīng)力較大時(shí)，土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)調(diào)整所需時(shí)間延長(zhǎng)，其蠕變現(xiàn)象也明顯，表現(xiàn)為剪應(yīng)力越大，試樣達(dá)到蠕變穩(wěn)定所需時(shí)間越長(zhǎng)。這種變化規(guī)律類似于三軸蠕變?cè)囼?yàn)規(guī)律。

從平面蠕變?cè)囼?yàn)和三軸蠕變?cè)囼?yàn)的完整數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在含水率、固結(jié)壓力同等條件下，當(dāng)剪應(yīng)力水平較低時(shí)，平面蠕變量較大于三軸蠕變量，當(dāng)剪應(yīng)力水平較大時(shí)，平面蠕變量明顯小于三軸蠕變量。

以w=20%、σ3=150 kPa試樣為例(見表2)，當(dāng)剪應(yīng)力足夠大時(shí)，三軸試樣甚至出現(xiàn)蠕變破壞。

圖2 各級(jí)剪應(yīng)力下的蠕變曲線

表2 不同剪應(yīng)力下平面蠕變和三軸蠕變比較(w=20%, σ3=150 kPa)

當(dāng)剪應(yīng)力水平較低時(shí)，即外荷載引起的剪切應(yīng)力低于黃土試樣內(nèi)部初始結(jié)構(gòu)強(qiáng)度時(shí)，土體的原生結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生破壞，顆粒間的相對(duì)移動(dòng)較小，表現(xiàn)為軸向位移較小，蠕變曲線呈衰減趨勢(shì)。隨著剪應(yīng)力水平的增大，土體內(nèi)部顆粒之間產(chǎn)生滑移，顆粒團(tuán)體發(fā)生破損和碎裂，最終導(dǎo)致原生結(jié)構(gòu)逐漸破壞，同時(shí)由于顆粒的滑移和壓密而形成次生結(jié)構(gòu)。當(dāng)剪應(yīng)力水平達(dá)到一定時(shí)，剪切應(yīng)力超過次生結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，土樣強(qiáng)度迅速衰減和降低，迅速產(chǎn)生變形，直至土樣發(fā)生破壞。三軸蠕變土樣在固結(jié)階段，受力較平面蠕變土樣均勻，固結(jié)程度比較完全，所以在先期剪應(yīng)力低時(shí)表現(xiàn)出較小的蠕變量。在后期剪應(yīng)力較大時(shí)，平面蠕變?cè)囼?yàn)土樣因有剛性側(cè)限約束，表現(xiàn)出的蠕變量反而小。

2.2 含水率對(duì)平面蠕變特性的影響

由圖3可知含水率對(duì)平面蠕變特性的影響。在黃土工程中，一般認(rèn)為含水率是一種廣義的力[13]，當(dāng)固結(jié)壓力、剪應(yīng)力值較小時(shí)，蠕變變形量隨著含水率的增大而增大；當(dāng)固結(jié)壓力、剪應(yīng)力值較大時(shí)，高含水率下的試樣的蠕變變形差異不大，甚至出現(xiàn)低含水率試樣變形量大于高含水率試樣變形量的情況。

對(duì)比平面蠕變和三軸蠕變?cè)囼?yàn)完整結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在同等固結(jié)壓力、剪應(yīng)力水平條件下，當(dāng)土樣含水率不高時(shí)，平面蠕變量相對(duì)三軸蠕變量較大，當(dāng)含水率較大時(shí)，三軸蠕變量明顯大于平面蠕變量。以σ3=50 kPa，σ1-σ3=100 kPa試驗(yàn)為例(見表3)，當(dāng)含水率足夠大時(shí)，三軸試樣甚至發(fā)生蠕變破壞。

圖3 不同剪應(yīng)力下的應(yīng)變時(shí)間曲線

表3 不同含水率下平面蠕變和三軸蠕變對(duì)比(σ3=50 kPa，σ1-σ3=100 kPa)

從土體雙電層理論的擴(kuò)散膜厚度變化進(jìn)行分析，固結(jié)壓力和剪應(yīng)力水平較低時(shí)，若含水率較高，則土體內(nèi)部自由水多，擴(kuò)散膜厚度大，從而有顆粒之間的靜電吸力弱，土體顆粒容易在外界作用力下發(fā)生滑移和錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象，表現(xiàn)為蠕變現(xiàn)象明顯。由于平面蠕變固結(jié)和壓縮過程中允許水分排出，所以當(dāng)含水率較高時(shí)，試樣在高固結(jié)壓力和剪應(yīng)力的作用下發(fā)生排水現(xiàn)象。隨著內(nèi)部水分的排出，水膜所起楔入和潤(rùn)滑作用差別不大，表現(xiàn)的蠕變變形差異不太明顯，甚至發(fā)生反?，F(xiàn)象。實(shí)際黃土邊坡工程中，可考慮通過改善邊坡排水，降低土體內(nèi)部含水率來減小邊坡發(fā)生蠕變破壞的可能。

2.3 固結(jié)壓力對(duì)平面蠕變特性的影響

理論上分析可知，當(dāng)其他因素一定時(shí)，土體在高固結(jié)壓力條件下的固結(jié)程度比在低固結(jié)壓力條件下的程度要高，后期在外荷載的作用下產(chǎn)生的蠕變形變量要小。由圖3可知，當(dāng)土樣含水率較低時(shí)，先期固結(jié)壓力對(duì)試樣后期蠕變變形影響不大。當(dāng)含水率較高時(shí)，先期固結(jié)壓力對(duì)后期變形的影響比較明顯，表現(xiàn)為試樣在低固結(jié)壓力條件下的蠕變變形較大，在高固結(jié)壓力條件下后期蠕變變形較小，符合實(shí)際工程規(guī)律。對(duì)比平面蠕變和三軸蠕變?cè)囼?yàn)，以w=20%，σ1-σ3=100 kPa試驗(yàn)結(jié)果為例(見表4)。結(jié)合上述剪應(yīng)力對(duì)兩類試驗(yàn)的影響規(guī)律發(fā)現(xiàn)，固結(jié)壓力相同時(shí)，土樣平面蠕變量明顯高于三軸蠕變量，且兩者都隨固結(jié)壓力的增大而減小。

表4 不同固結(jié)壓力下平面蠕變和三軸蠕變對(duì)比(w=20%，σ1-σ3=100 kPa)

從重塑樣強(qiáng)度組成分析知，在固結(jié)過程中，顆粒或顆粒團(tuán)之間在外力的作用下重新排列組合，相互之間的咬合和嵌擠作用加強(qiáng)，表現(xiàn)為土體強(qiáng)度的增大。

在試樣固結(jié)階段，當(dāng)固結(jié)壓力較小時(shí)，土體內(nèi)部經(jīng)過短時(shí)間的調(diào)整后達(dá)到穩(wěn)定，強(qiáng)度增幅迅速但不明顯；當(dāng)固結(jié)壓力較大時(shí)，試樣內(nèi)部顆粒先期明顯變化，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的重新組合后達(dá)到穩(wěn)定，試樣強(qiáng)度增幅較大，歷時(shí)較長(zhǎng)，故在蠕變階段，在較小固結(jié)壓力條件下固結(jié)的試樣蠕變形變量，比在大固結(jié)壓力條件下固結(jié)的大。

另外，在試樣固結(jié)階段，水膜有利于土體顆粒的重新組合，若含水率較低，這種作用不明顯，若含水率較高，這種作用能使土樣在固結(jié)過程中獲得較高的強(qiáng)度，表現(xiàn)為含水率高時(shí)固結(jié)壓力對(duì)后期蠕變形變明顯。在實(shí)際工程中，可采用增加上部荷載、延長(zhǎng)荷載覆蓋時(shí)間和適當(dāng)調(diào)整含水率來使得土體固結(jié)穩(wěn)定，減小工后蠕變沉降。

3 結(jié) 論

1)平面蠕變類似三軸蠕變，蠕變變形隨著剪應(yīng)力水平的增大越來越明顯，所需的時(shí)間也愈長(zhǎng)，表現(xiàn)為從衰減蠕變階段過渡到加速蠕變階段。

2)含水率的大小是蠕變形變量的又一重要影響因素。若固結(jié)壓力、剪應(yīng)力較小，蠕變形變量隨含水率增大而增大，若固結(jié)壓力、剪應(yīng)力較大，高含水率試樣形變差異不大，甚至出現(xiàn)低含水率試樣形變大于高含水率試樣形變的情況。

3)后期蠕變變形的大小與先期土體固結(jié)時(shí)的固結(jié)壓力大小也有關(guān)，但在排水排氣的固結(jié)條件下，固結(jié)壓力大小與含水率的大小綜合影響蠕變形變量。低含水率時(shí)，固結(jié)壓力對(duì)蠕變影響不太明顯，高含水率時(shí)，表現(xiàn)為低固結(jié)壓力固結(jié)后的蠕變形變量較高固結(jié)壓力固結(jié)的蠕變形變量要大。

4)所取地區(qū)土樣平面蠕變規(guī)律與常規(guī)三軸蠕變規(guī)律大體相似。對(duì)于平面蠕變量和三軸蠕變量，當(dāng)其他條件不變時(shí)，若剪應(yīng)力較低，前者稍大于后者，若剪應(yīng)力較高，后者明顯大于前者，三軸土樣甚至發(fā)生壓縮破壞；在固結(jié)壓力和剪應(yīng)力水平一定時(shí)，高含水率下的平面蠕變量小于三軸蠕變量，低含水率時(shí)前者大于后者；在含水率和剪應(yīng)力水平一定，當(dāng)固結(jié)壓力相同時(shí)，土樣平面蠕變變形明顯高于三軸蠕變變形。

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