漳州沿海地區(qū)土體的殘余變形試驗(yàn)研究

王冬容，趙儉斌，劉 瀟，陳 陽

(沈陽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110168)

漳州沿海地區(qū)土體的殘余變形試驗(yàn)研究

王冬容，趙儉斌，劉 瀟，陳 陽

(沈陽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110168)

利用DSC2000多功能動(dòng)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)，選取粉質(zhì)粘土和淤泥兩種典型海岸地基土進(jìn)行殘余變形特性試驗(yàn)研究。分析了圍壓、固結(jié)比對(duì)殘余體應(yīng)變和殘余剪應(yīng)變的影響，分別整理了沈珠江殘余變形模型和改進(jìn)后修正沈珠江模型參數(shù)，并對(duì)兩種模型參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比。研究得出：殘余體應(yīng)變隨著圍壓的增加而增大，固結(jié)比對(duì)殘余體應(yīng)變的影響不是很明顯；殘余剪應(yīng)變隨初始固結(jié)比、圍壓和動(dòng)應(yīng)力的升高而增加；針對(duì)沈珠江殘余變形模型參數(shù)與改進(jìn)后沈珠江模型參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比，對(duì)模型的剪應(yīng)變進(jìn)行修正后的結(jié)果將會(huì)對(duì)數(shù)值計(jì)算的結(jié)果產(chǎn)生比較大的影響。

海岸地基土；沈珠江模型；殘余變形；動(dòng)三軸試驗(yàn)

我國東南部沿海區(qū)域存在著大量的軟黏土層，對(duì)于海岸地基土工程，這些土體性質(zhì)極其不佳，存在著高壓縮性、低抗剪強(qiáng)度、低滲透性、高含水量且具有一定結(jié)構(gòu)性[1-2]。在動(dòng)力荷載作用之下，對(duì)地基土的變形影響嚴(yán)重，尤其危及到建筑物地基和土工構(gòu)筑物的安全。由于原狀土在取樣、運(yùn)輸、保存和成樣等各個(gè)方面的影響因素較多，同時(shí)也存在一定的難度，所以，對(duì)于原樣土在循環(huán)荷載狀態(tài)下的殘余變形研究分析就相對(duì)較少。因此針對(duì)在震動(dòng)情況下海岸地基土體的殘余變形性質(zhì)展開分析，進(jìn)而評(píng)價(jià)海岸地基土的穩(wěn)定性和安全性。

目前，王昆耀等[3]人采用循環(huán)三軸試驗(yàn)來研究荷載作用下土體的殘余變形；而大部分學(xué)者對(duì)筑壩材料[4-5]和堆石料[6-8]的殘余應(yīng)變研究成果較多。

截止到當(dāng)前，不同土類進(jìn)行計(jì)算殘余變形，一直沒有一個(gè)相對(duì)統(tǒng)一的模型進(jìn)行計(jì)算研究，進(jìn)行預(yù)測(cè)永久的變形時(shí)，里面是否加入殘余體應(yīng)變還存在某些異議的。當(dāng)前比較常用的計(jì)算模型分別有谷口模型、谷口改進(jìn)模型[9-11]，水科院模型[12]，沈珠江模型、沈珠江修正模型[13-14]。本文通過對(duì)海岸地基土的大量循環(huán)三軸試驗(yàn)，分析了圍壓、固結(jié)比對(duì)殘余體變和殘余剪應(yīng)變的影響，整理出沈珠江殘余變形試驗(yàn)的參數(shù)，并對(duì)兩種模型參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析。

1 沈珠江殘余變形模型

沈珠江等[13]針對(duì)殘余變形的試驗(yàn)研究，利用飽和排水的狀態(tài)，總結(jié)出了殘余剪應(yīng)變與殘余體應(yīng)變分別隨著振動(dòng)次數(shù)增量變化的相關(guān)性公式：

εvr=Cvrlg(1+N)

(1)

γr=Cdrlg(1+N)

(2)

(3)

(4)

則殘余體應(yīng)變和殘余剪應(yīng)變?cè)隽啃问綖?/p>

(5)

(6)

式中：εvr為殘余體應(yīng)變；γr為殘余剪應(yīng)變；γd為動(dòng)剪應(yīng)變幅值；Sl為應(yīng)力水平；Sl=τ/τf=(σ1-σ3)/(σ1-σ3)f，(σ1-σ3)f；Δεvr為殘余體應(yīng)變的增量；Δγr為殘余剪應(yīng)變的增量；ΔN為振次的增量。

(7)

式中：n為應(yīng)力水平指數(shù)，通常會(huì)取0.9～1.0；C1、C2、C3、C4、C5為試驗(yàn)參數(shù)。

2 殘余變形三軸試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料及儀器

本試驗(yàn)采用的土樣來自東南沿海漳州海岸的原狀土，取兩種典型原狀土體粉質(zhì)黏土與淤泥。表1為土工物理力學(xué)指標(biāo)平均值。

表1 土工試驗(yàn)物理力學(xué)指標(biāo)平均值表

試驗(yàn)采用沈陽建筑大學(xué)的DSC2000動(dòng)力三軸試驗(yàn)系統(tǒng)，通過自帶軟件，可實(shí)時(shí)查看土樣的動(dòng)孔隙水壓力和動(dòng)應(yīng)變，便于了解土樣的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。

2.2 試驗(yàn)方法

(1) 試樣制備。根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》[15](SL 237—1999)，制成尺寸80 mm高，直徑39.1 mm的圓柱試樣。

(2) 飽和階段。采用水頭飽和法以及反壓飽和法的方式進(jìn)行飽和。一般情況下，水頭飽和時(shí)間為6 h，水頭飽和完成后進(jìn)行加反壓飽和，通過逐步增大反壓，試樣逐漸接近飽和狀態(tài)，通常，當(dāng)反壓增至190 kPa時(shí)，試驗(yàn)的B值可增至0.95以上。

(3) 固結(jié)階段。采用等壓固結(jié)，根據(jù)東南沿海漳州海域?yàn)槔来芜x取50 kPa、100 kPa、150 kPa為試驗(yàn)典型圍壓值。粉質(zhì)黏土固結(jié)時(shí)間為1.5 h，淤泥固結(jié)時(shí)間為4 h～5 h。

(4) 振動(dòng)階段。在等向或非等向固結(jié)排水情況下，對(duì)每個(gè)試樣分別施加軸向動(dòng)應(yīng)力σd=0.2σ3和0.4σ3的循環(huán)荷載。每個(gè)土樣在每級(jí)動(dòng)應(yīng)力下作用進(jìn)行30次循環(huán)的荷載試驗(yàn)，應(yīng)用正弦波為激振波形[16]，取0.1 Hz為振動(dòng)頻率。對(duì)海岸地基土具體試驗(yàn)安排見表2。

表2 殘余變形試驗(yàn)工況

3 試驗(yàn)結(jié)果分析對(duì)比

3.1 ?；翚堄嘧冃翁匦?/h3>

循環(huán)荷載殘余變形的研究分析中，軸向殘余應(yīng)變?yōu)棣舝，軸向動(dòng)力應(yīng)變幅值εd的含義可以見圖1所表示，殘余體應(yīng)變與振動(dòng)次數(shù)的關(guān)系也可以用圖1類似趨勢(shì)進(jìn)行定義。殘余剪應(yīng)變與殘余軸應(yīng)變之間的關(guān)系為：γr=(1+μd)/εd。式中μd為動(dòng)泊松比。

圖1殘余變形示意圖

3.1.1 殘余體應(yīng)變特性

圖2、圖3為試驗(yàn)所得的殘余體應(yīng)變與振次的關(guān)系曲線。由圖2、圖3可以看出，隨著循環(huán)振次的增加，粉質(zhì)黏土在Kc=1.0，圍壓為50 kPa、100 kPa、150 kPa的殘余體應(yīng)變?cè)龃蟮?.009%～0.5%范圍內(nèi)；在Kc=1.5、相同圍壓的情況下，殘余體應(yīng)變?cè)龃笾?.003%～0.45%范圍內(nèi)；而在Kc=2.0、相同圍壓的情況下，殘余體應(yīng)變?cè)龃蟮?.007%～0.36%范圍內(nèi)。淤泥在Kc=1.0，圍壓為50 kPa、100 kPa、150 kPa的殘?bào)w剪應(yīng)變?cè)龃蟮?.02%～0.55%范圍內(nèi)；在Kc=1.5、相同圍壓的情況下，殘余體應(yīng)變?cè)龃笾?.02%～0.18%范圍內(nèi)。而在Kc=2.0、相同圍壓的情況下，殘余體應(yīng)變?cè)龃笾?.07%～0.18%范圍內(nèi)。

圖2 粉質(zhì)黏土殘余體應(yīng)變和振次的關(guān)系

圖3淤泥殘余體應(yīng)變和振次的關(guān)系

3.1.2 殘余剪應(yīng)變特性

圖4、圖5為試驗(yàn)所得的殘余剪應(yīng)變與振次的關(guān)系曲線。由圖4、圖5可以看出，隨著循環(huán)振次的增加，粉質(zhì)黏土在Kc=1.5，圍壓為50 kPa、100 kPa、150 kPa的殘余剪應(yīng)變?cè)龃蟮?.01%～0.41%范圍內(nèi)；而在Kc=2.0、相同圍壓的情況下，殘余剪應(yīng)變?cè)龃蟮?.1%～1.12%范圍內(nèi)；淤泥在Kc=1.5，圍壓為50 kPa、100 kPa、150 kPa的殘余剪應(yīng)變?cè)龃蟮?.01%～1.2%范圍內(nèi)；而在Kc=2.0、相同圍壓的情況下，殘余剪應(yīng)變?cè)龃蟮?.1%～2.0%范圍內(nèi)。

由圖2至圖5可總結(jié)出兩種海基土殘余變形的特性：

(1) 兩類土樣表現(xiàn)出殘余體應(yīng)變伴隨振動(dòng)次數(shù)增加而漸漸增加；圍壓值的增大使殘余體應(yīng)變隨之變大；固結(jié)比對(duì)殘余體應(yīng)變的影響不是很明顯；也可以看出殘余體應(yīng)變伴隨動(dòng)應(yīng)變(動(dòng)應(yīng)力)的增加而增加。

(2) 在相同的條件下，兩類土樣的殘余剪應(yīng)變，其初始固結(jié)比的增大會(huì)引起殘余剪應(yīng)變的增大；圍壓升高使殘余剪應(yīng)變的增加，圍壓升高使動(dòng)應(yīng)力(動(dòng)應(yīng)變)的增加，圍壓升高也會(huì)使殘余剪應(yīng)變?cè)黾印?/p>

3.2 沈珠江模型參數(shù)整理

選擇沈珠江模型[6]和經(jīng)過修正的鄒德高等[7]提出的修正沈珠江模型來整理本次的試驗(yàn)參數(shù)，并進(jìn)行對(duì)比。圖6為兩種海基土的殘余變形研究分析得出的殘余體應(yīng)變?chǔ)舦和振N+1次于半對(duì)數(shù)坐標(biāo)下的相關(guān)性擬合曲線。

圖4 粉質(zhì)黏土殘余剪應(yīng)變與振次的關(guān)系

圖5 淤泥殘余剪應(yīng)變與振次的關(guān)系

圖6土樣殘余體應(yīng)變與振次關(guān)系

由圖6可以看出，當(dāng)固結(jié)比增高時(shí)(Kc=2.0)，數(shù)據(jù)表現(xiàn)出明顯的偏離，并且當(dāng)圍壓高時(shí)，不符合線性關(guān)系。圖7為粉質(zhì)黏土、淤泥的殘余體應(yīng)變?cè)囼?yàn)中殘余剪應(yīng)變?chǔ)胿和振次N+1于半對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下的擬合曲線，可看出其并非線性規(guī)律，且在高圍壓條件下同樣不符合。兩種典型原狀土樣的試驗(yàn)結(jié)果得到的研究結(jié)論基本類似。

圖7 土樣殘余剪應(yīng)變與振次關(guān)系

圖8土樣Cvr與γd的關(guān)系曲線

3.3 沈珠江模型參數(shù)對(duì)比

圖9 土樣與γd的關(guān)系曲線

對(duì)沈珠江殘余變形模型中的系數(shù)和修正后的模型系數(shù)進(jìn)行比較能夠得到：運(yùn)用修正沈珠江的殘余變形模型與沈珠江模型的參數(shù)結(jié)果有一定區(qū)別，粉質(zhì)黏土的值C4減小了16%，C5值減小了0.2%;淤泥的C4值減小了24%，C5值減小了0.6%;可以看出對(duì)模型的剪應(yīng)變進(jìn)行了修正后的結(jié)果將會(huì)對(duì)數(shù)值計(jì)算的結(jié)果影響較大。

4 結(jié) 論

本文通過對(duì)海岸地基土的兩種土樣的殘余變形特性進(jìn)行了分析研究，得出了以下的結(jié)論：

(1) 在循環(huán)加載試驗(yàn)過程中兩種土體的殘余體應(yīng)變跟著振動(dòng)次數(shù)的增加也漸漸增加，且起初增加的速度相對(duì)較快，而后期增大的速度漸漸減慢；圍壓值的增大使殘余體應(yīng)變隨之變大；殘余體應(yīng)變伴隨動(dòng)應(yīng)力的增加而變大，而固結(jié)應(yīng)力比的變化對(duì)殘余體應(yīng)變影響較小。

(2) 在相同的狀態(tài)下，初始固結(jié)比的增加會(huì)引起殘余剪應(yīng)變的增加；圍壓力增加至使殘余剪應(yīng)變的值增加，動(dòng)應(yīng)力值的變大也會(huì)使殘余剪應(yīng)變的值增加。

(3) 試驗(yàn)研究分析整理了沈珠江殘余應(yīng)變?cè)囼?yàn)的參數(shù)，同時(shí)將沈珠江殘余應(yīng)變模型系數(shù)和改進(jìn)修正后沈珠江模型系數(shù)逐一的展開對(duì)比，將模型的剪應(yīng)變進(jìn)行了改進(jìn)后得出的參數(shù)改變將會(huì)對(duì)數(shù)值計(jì)算分析的最終結(jié)果發(fā)生相對(duì)大的改變。

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ExperimentalStudyofResidualDeformationofSoilinZhangzhouCoastalAreas

WANG Dongrong, ZHAO Jianbin, LIU Xiao, CHEN Yang

(SchoolofCivilEngineering,ShenyangJianzhuUniversity,Shenyang,Liaoning110168,China)

In this paper we adopt DSC2000 multifunction three triaxial test system to select the silty clay and silt soil and two typical coast on their deformation characteristics of residual test research. The effects of confining pressure and consolidation ratio on residual body strain and residual shear strain are analyzed. The residual deformation model of Shen Zhujiang River and the parameters of Shen Zhujiang model are revised respectively, and the two model parameters are compared. The results show that the residual volumetric strain increases with the increase of confining pressure and consolidation ratio of residual volumetric strain is not obvious, the residual shear strain increased with initial consolidation ratio, the confining pressure and dynamic stress also increases; based on the comparison between the residual deformation model parameters and the modified Shen Zhujiang model parameters, it is found that the modified results of the shear strain of the model have a greater influence on the numerical results.

coastalfoundationsoil;ShenZhujiangmodel;residualdeformation;dynamictriaxialtest

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.05.037

2017-05-10

2017-06-17

王冬容(1990—)，男，遼寧沈陽人，碩士研究生，研究方向?yàn)橥恋膭?dòng)力特性。E-mail:854127970@qq.com

A

1672—1144(2017)05—0201—06