濕陷性黃土的流變特性研究

趙 敏， 徐增偉， 李巖巖

(1.西安工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710021； 2.廣州機(jī)施建設(shè)集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 510115)

濕陷性黃土的流變特性研究

趙 敏1， 徐增偉1， 李巖巖2

(1.西安工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710021； 2.廣州機(jī)施建設(shè)集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 510115)

為了探討黃土的流變特性，以關(guān)中地區(qū)黃土為研究對象進(jìn)行了室內(nèi)流變試驗(yàn).根據(jù)試驗(yàn)繪出了不同壓縮荷載和不同含水率下黃土濕陷流變曲線，得出了黃土濕陷流變分兩階段變形的結(jié)論，即第一段為減速變形階段，流變曲線呈對數(shù)變化，第二段為穩(wěn)定流變階段，流變曲線呈線性變化；加載應(yīng)力與含水率對流變的影響基本上呈正相關(guān)，曲線變形趨勢相似，即可以由一族流變曲線乘以某一常數(shù)得出其他曲線；提出了考慮含水率和應(yīng)力影響的分時疊加流變曲線數(shù)學(xué)模型，模型有效性還有待驗(yàn)證.

濕陷性黃土；流變特性；含水率；應(yīng)力

0 引言

黃土滑坡的發(fā)生、高速公路的路基沉陷、濕陷性黃土地基樁的負(fù)摩擦力問題、黃土地區(qū)擋土墻后土壓力的變化和深基坑開挖過程中坑壁的穩(wěn)定性等無不與時間有關(guān)，開展時間因素對黃土的力學(xué)特性、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系影響的研究，能夠指導(dǎo)黃土地區(qū)各類巖土工程的設(shè)計(jì)、施工和進(jìn)行穩(wěn)定性分析，以保證結(jié)構(gòu)物的長期安全和正常使用，因而具有重要的理論和實(shí)踐意義.

濕陷性黃土浸水時發(fā)生結(jié)構(gòu)變形是由很多因素造成的，這些因素不僅關(guān)系到水分與粒間聯(lián)系的相互作用，而且還關(guān)系到一定應(yīng)力狀態(tài)下黃土礦物顆粒晶體內(nèi)部的變化.黃土流變過程的發(fā)生與發(fā)展，就是這些復(fù)雜的物理、化學(xué)、力學(xué)等過程的結(jié)果，所謂流變過程是指含水量或壓應(yīng)力不變條件下塑性變形隨時間變化的過程[1-3].本文以陜西關(guān)中地區(qū)渭河流域Q2黃土為主要試驗(yàn)對象，通過一系列的室內(nèi)試驗(yàn)分析黃土在不同含水率和壓縮壓力下黃土的流變特性.

1 室內(nèi)試驗(yàn)簡介

2014年3月～4月，筆者通過一系列的室內(nèi)試驗(yàn)，以關(guān)中地區(qū)渭河流域第四紀(jì)濕陷性黃土為主要試驗(yàn)對象，考察黃土在不同含水量和壓縮壓力下的流變特性.試驗(yàn)所用土樣的基本物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示，試驗(yàn)歷時2個月.

表1 土體基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of soil masses

采用水膜遷移法對土體進(jìn)行人工增濕，分別配備含水量為10%、15%、20%、25%、30%、35%的試驗(yàn)土樣，根據(jù)土樣的實(shí)際含水量及其預(yù)定目標(biāo)含水量，使用公式

(1)

計(jì)算需要增加的水的質(zhì)量，其中mw為所需加水的質(zhì)量，ω為所配土樣含水率，ω0、m0分別為初始土樣含水量和質(zhì)量.

試驗(yàn)所用儀器為三聯(lián)中壓固結(jié)儀和CSS-2901TS型土體三軸流變試驗(yàn)儀.試驗(yàn)內(nèi)容為：第1組4個試樣進(jìn)行的是固定含水率為20%條件下的加載蠕變試驗(yàn)，所加豎向應(yīng)力為100 kPa、300 kPa、500 kPa、700 kPa；第2組6個試樣進(jìn)行的是含水量分別為10%、15%、20%、25%、30%、35%和固定壓力值條件下土的蠕變試驗(yàn).

2 試驗(yàn)結(jié)果和結(jié)論

2.1 第1組試驗(yàn)結(jié)果

圖1 第1組試驗(yàn)蠕變曲線Fig.1 Rheological curve of test group 1

圖1為土樣在20%條件下濕陷時的蠕變曲線.從圖1可以看出：

1)蠕變曲線的特點(diǎn)可分為兩段，第一段是減速變形階段，即不穩(wěn)定濕陷階段，第二段可認(rèn)為是線性變形階段，蠕變速率為某一接近零的常數(shù)；

2) 加載初期，各級荷載下都產(chǎn)生了相當(dāng)大的瞬時變形；

3) 變形總體趨勢大致相同，均表現(xiàn)為荷載持續(xù)約5 d后，不管應(yīng)力水平高低，蠕變曲線都呈穩(wěn)定流變，40 d后，流變變形量與所持續(xù)時程相比幾乎不變；

4) 在高應(yīng)力作用下流變速率明顯加快，該階段持續(xù)時間與低應(yīng)力狀態(tài)下相差不大.

第一階段的濕陷變形是由水分與內(nèi)部聯(lián)系相互作用引起的結(jié)構(gòu)不可逆現(xiàn)象造成的，具體表現(xiàn)在土體內(nèi)部架空結(jié)構(gòu)的逐漸破壞，這一階段的變形僅具有塑性的本質(zhì).第二階段的變形是由逐漸衰減的粘塑性流造成的，這種粘塑性流是由土粒礦物晶體內(nèi)部的物理化學(xué)過程引起的，該階段中流變過程雖有接近于零的趨勢但并未停止.經(jīng)過一定時間后，鑒于流速與過程持續(xù)時間相比變化不大，實(shí)際上可以認(rèn)為流速是不變的.第一階段的持續(xù)時間遠(yuǎn)小于第二階段，各階段的作用大小與荷載、含水量、黃土性質(zhì)等有關(guān)[4-5].

對于所有被研究的含水量值，由試驗(yàn)所得的蠕變曲線在很寬的時間范圍內(nèi)是彼此相似的.因此，δs=f(t)的全部曲線族可以用其中一族曲線將其縱坐標(biāo)乘以某個量值(壓應(yīng)力的函數(shù))而得到.因此，在土中應(yīng)力和含水量不變的條件下能引起變形隨時間而發(fā)展的物理化學(xué)過程，與其相關(guān)的濕陷現(xiàn)象可以歸入不平衡的流變之列.根據(jù)拉保特諾夫提出的時效理論可以假設(shè)濕陷性黃土在不變含水量條件下的變形、應(yīng)力和時間之間存在著固定關(guān)系φ(δs,σ,t)=0，那么濕陷隨應(yīng)力和時間變化的關(guān)系可以用兩個函數(shù)的乘積表示,

δs(σ,t)=φ(σ)ψ(t)，

(2)

其中φ(σ),ψ(t)分別為僅由應(yīng)力和時間決定的函數(shù).

2.2 第2組試驗(yàn)結(jié)果

圖2 第二組試驗(yàn)蠕變曲線Fig.2 Rheological curve of test group 2

圖2為固定壓力(σ=300 kPa)和不同含水量下土的濕陷系數(shù)隨時間變化的蠕變曲線.從圖2可以看出，土的變形量和發(fā)展速度是隨含水量的增加而增加的，即在相同的荷載下，含水量越高，完成等量變形所需的時間越短.

隨著其成分和狀態(tài)的不同，黃土濕陷時有可能產(chǎn)生長期塑性變形而不破壞其結(jié)構(gòu)的連續(xù)性[6-7].因?yàn)殚L期塑性變形能使建筑物喪失整體穩(wěn)定，所以在建筑物地基中，土的長期塑性變形顯然是不容許的.既然土的塑性變形是穩(wěn)定蠕變階段發(fā)展的結(jié)果，那么在所有的情況下，濕陷性黃土的強(qiáng)度都可以用變形轉(zhuǎn)入蠕變階段的轉(zhuǎn)變點(diǎn)表示.土的含水量對濕陷過程的影響可以用像溫度對連續(xù)物體蠕變的影響那樣來解釋，即塑性變形與因含水量變化所引起的土的某些結(jié)構(gòu)單元的運(yùn)動有關(guān)，在給定時刻，每個結(jié)構(gòu)單元都具有一定的能量，而且各單元間的能量分布服從馬克韋爾定律.

含水量對濕陷性黃土中發(fā)生長期變形的影響，也可以根據(jù)水分與礦物顆粒晶格的相互作用機(jī)理解釋.組成濕陷性黃土的礦物團(tuán)粒擁有活性晶格，在適當(dāng)?shù)臈l件下，它能把水分子吸入晶體內(nèi)部，從而產(chǎn)生塑性變形.

土的礦物顆粒及其團(tuán)粒體的崩解過程能夠在力場中發(fā)生，力場展開在帶電土顆粒之間，由于膠粒分子對水分子的吸附作用，把水分和吸附離子吸附在土粒周圍.

上述一切對土的性質(zhì)都有重大影響.水分是土的“減硬劑”，它給土以塑化作用，從而促成了流變過程的發(fā)展.

圖3為不同含水量下土的濕陷值與壓應(yīng)力的關(guān)系曲線，證明濕陷時土的變形具有曲線規(guī)律.圖3的曲線畫在圖4的對數(shù)坐標(biāo)上便成了直線，證明土濕陷時冪變形規(guī)律δs=βσm的正確性，式中β為由壓縮試驗(yàn)確定的黃土在壓縮荷載廣大變化范圍內(nèi)浸水時的變形參數(shù)，相當(dāng)于黃土總變形模量的倒數(shù)，對于粗略計(jì)算來說，可以根據(jù)壓縮試驗(yàn)的成果用下式計(jì)算濕陷性黃土的變形參數(shù)[8],

(3)

(4)

其中，σ1，σ2為壓縮荷載；lnδsσ1，lnδsσ2為與σ1，σ2相對應(yīng)的土的濕陷值.

圖3 不同含水量下土的濕陷值與壓應(yīng)力關(guān)系曲線Fig.3 Curve of collapsible value and stress under different moisture

圖4 在對數(shù)坐標(biāo)軸上的圖3曲線Fig.4 The graph of Fig.3 on a logarithmic axis

用圖3的曲線族可以確定所給濕陷性黃土不同含水量下的“濕陷起點(diǎn)值”.事實(shí)上，如果認(rèn)為土的相對變形達(dá)到1%就屬于濕陷的范圍，那么用這個變形值畫一條水平線與各條δs-σ關(guān)系曲線相交，各交點(diǎn)的橫坐標(biāo)就是響應(yīng)含水量下土的“濕陷起點(diǎn)”值.

根據(jù)圖3畫出了土的“濕陷起點(diǎn)”隨含水量變化的曲線，由圖5可以看出，隨著含水量的增加，黃土的蠕變強(qiáng)度逐漸降低.這是由于黃土的強(qiáng)度基本上是由碳酸鈣和硫酸鈣造成的，這些鹽類的膠結(jié)膜包裹土粒，從而在土中形成固化凝聚力；土粒及其團(tuán)粒間固化凝聚力的抗水性較差，因此在水分作用下凝聚力大幅降低，從而為土結(jié)構(gòu)各部分的彼此脫離創(chuàng)造條件，當(dāng)含水量增加時，黃土的強(qiáng)度因結(jié)構(gòu)破壞而急劇降低，所以在壓縮荷載下，黃土具有強(qiáng)烈被壓縮的性質(zhì).

圖5 土的“濕陷起點(diǎn)”隨含水率變化的曲線Fig.5 Cove of collapsible point changing with moisture

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

黃土濕陷時的流變特性與含水率和所處應(yīng)力狀態(tài)密切相關(guān)，只考慮壓力值而不考慮土的含水量，還不能確定是否會發(fā)生濕陷，只有當(dāng)作用于土層的壓力值與一定含水量值相適應(yīng)時，才能發(fā)生濕陷變形.經(jīng)試驗(yàn)，關(guān)中地區(qū)黃土濕陷時的蠕變特點(diǎn)表現(xiàn)為加載初期呈非線性變形，這一階段持續(xù)時間很短，而后期則表現(xiàn)為明顯的線性變形.在確定變形與時間的數(shù)學(xué)模型時，建議分時間段疊加構(gòu)建，同時考慮含水率、土性參數(shù)、所施加應(yīng)力等因素，而含水率又與黃土的土性參數(shù)密切相關(guān)，其c、φ值在不同含水率下變化范圍很大，即使在同一含水率下，濕陷不同階段c、φ值也有較大差異，因而為簡化模型，以含水率代表土性參數(shù)對流變特性的影響是有必要的，但此僅對同一種類黃土有效.考慮含水率和所施加應(yīng)力的分時疊加黃土濕陷流變方程可表示為

δs(ω,σ,t)=Γ1(ω)φ1(σ)ψ1(t1)+Γ2(ω)φ2(σ)ψ2(t2),

(5)

其中Γ1(ω)φ1(σ)ψ1(t1)為第一階段非穩(wěn)定流變函數(shù)，Γ2(ω)φ2(σ)ψ2(t2)為穩(wěn)定流變線性函數(shù).該公式的有效性還有待驗(yàn)證.

4 結(jié)語

黃土的濕陷流變變形極其復(fù)雜，受眾多因素的影響，常規(guī)試驗(yàn)也只能對其進(jìn)行定性研究.本文通過室內(nèi)試驗(yàn)得出了黃土濕陷流變分兩階段變形的結(jié)論，即加載初期曲線流變和之后的線性流變；加載應(yīng)力與含水率對流變的影響基本上是呈正相關(guān)，曲線變形趨勢相似，即可以由一族流變曲線乘以某一常數(shù)得出其他曲線；提出了考慮含水率和應(yīng)力影響的分時疊加流變曲線數(shù)學(xué)模型，模型有效性還有待驗(yàn)證，為濕陷性黃土流變特性分析提供參考.

[1] 趙玲,葛科,劉恩龍.黃土的流變特性分析[J].建筑科學(xué),2011,27(3) :69-73．

[2] 陜西省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院.GB 50025-2004 濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范[S] .北京:中國建筑工業(yè)出版社,2004．

[3] 謝星,王東紅,趙法鎖.Q2黃土流變特性及其統(tǒng)計(jì)損傷流變模型[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2010,37(3) :63-68．

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[5] 吳燕開,陳紅偉,張志征.飽和黃土的性質(zhì)與非飽和黃土流變性質(zhì)[J].巖土力學(xué),2004,25(7) :143-146．

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[8] 穆斯塔伐耶夫 A A.濕陷性黃土上地基與基礎(chǔ)的計(jì)算[M].張中興，譯.北京:水利電力出版社,1984．

Study on the Rheological Properties of Collapsible Loess

ZHAO Min1, XU Zeng-wei1, LI Yan-yan2

(1.SchoolofCivilEngineering,Xi’anTechnologicalUniversity,Xi’an710021,China;2.GuangzhouJishiConstructionGroupCo.Ltd.,Guangzhou510115,China)

Loess was tested on odometer to investigate the rheological properties of loess located in the area of Guanzhong. Collapsible loess flow curves are plotted according to test in different compression loads and moisture content, obtained conclusion that collapsible loess rheological deformation are composed by two phases: the first paragraph of deceleration deformation stage which rheological curve changes based on logarithmic, and the second phase change was stable which rheological curve shows linearly. Loading stress and moisture content on the rheological have a positive correlation impact, the trend of the deformation curve is similar, which can be multiplied by a constant flow curve family to draw other curves. The impact of moisture and stress flow curves superimposed sharing mathematical model is proposed, and the model validity has yet to be verified．

collapsible loess; rheological properties; moisture; stress

2014-08-30

趙 敏(1970—)，女，陜西楊凌人，西安工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院副教授，主要研究方向：地質(zhì)工程、地下結(jié)構(gòu)及巖土工程.

10.3969/j.issn.1007-0834.2015.01.014

TU411.3

1007-0834(2015)01-0047-04