人工制備結(jié)構(gòu)性軟黏土長期變形特性試驗研究

楊愛武，鄭宇軒，肖 敏

(1.天津城建大學土木工程學院，天津 300384；2.天津市軟土特性與工程環(huán)境重點實驗室，天津 300384)

自然沉積的軟黏土一般具有結(jié)構(gòu)性[1]，結(jié)構(gòu)性的存在使原狀土與重塑土在壓縮特性、固結(jié)特性、變形特性等方面表現(xiàn)出明顯差異[2-3]。目前針對土體結(jié)構(gòu)性及其對土體力學行為特性的影響研究取得了一定成果，如Chen Pan等[4]發(fā)現(xiàn)土的結(jié)構(gòu)性對軟土的變形和強度有重要影響，并建立了分析軟土壓縮特性的結(jié)構(gòu)性土壓縮模型；成玉祥等[5]探討了土的結(jié)構(gòu)性與軸向應變之間的關(guān)系；M. R. Karim等[6]基于土體結(jié)構(gòu)的考慮，研究得出可以預測黏土固結(jié)特性的基本模型。Jiangfeng Wang等[7]通過對原狀土和重塑土進行壓縮試驗，得出軟土的結(jié)構(gòu)特性對其壓縮特性的影響規(guī)律。張先偉等[8]通過對原狀土與重塑土進行次固結(jié)試驗,研究了軟土結(jié)構(gòu)性對次固結(jié)系數(shù)Ca的影響，得出次固結(jié)系數(shù)Ca與壓力P的具體關(guān)系；曾玲玲等[9]通過對原狀土和重塑土進行三軸固結(jié)不排水剪切試驗，得出了土體結(jié)構(gòu)性對天然沉積土的作用程度受固結(jié)壓力影響；楊愛武等[10]通過對原狀土和重塑土進行三軸壓縮以及流變試驗，得出結(jié)構(gòu)性對軟土流變特性的影響，并建立能夠反映結(jié)構(gòu)性軟土的應力應變與時間關(guān)系的Mesri模型。近年來人工制備結(jié)構(gòu)性土也逐漸被引入土體的結(jié)構(gòu)性對其力學特性的影響研究當中。羅開泰等[11]通過對結(jié)構(gòu)性黏土的研究，得出能夠考慮初始應力各向異性的人工制備結(jié)構(gòu)性土的方法，并分析了初始應力對結(jié)構(gòu)性土的變形影響和初始應力各向異性結(jié)構(gòu)性土的破損機制。劉恩龍等[12]在前人基礎上對人工制備的結(jié)構(gòu)性土樣進行試驗發(fā)現(xiàn)，隨著荷載的逐漸增加,結(jié)構(gòu)性土樣的結(jié)構(gòu)逐漸弱化,其特性逐漸趨向重塑土的特性。隨著理論研究的不斷推進，軟黏土的結(jié)構(gòu)性因素不斷被引入到土體的長期變形特性研究中。楊愛武等[13]通過對原狀結(jié)構(gòu)性軟土和重塑軟土進行三軸蠕變試驗研究發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)性的存在使得原狀土的流變破壞峰值明顯高于重塑土。雷華陽等[14]通過對人工制備結(jié)構(gòu)性土和原狀軟土進行一系列次固結(jié)壓縮試驗發(fā)現(xiàn)，當荷載較小時土體的結(jié)構(gòu)性能夠阻礙土體的次固結(jié)變形，當荷載接近或者超過土體的結(jié)構(gòu)屈服應力時，土體殘余的結(jié)構(gòu)性反而有利于次固結(jié)變形的發(fā)展。劉維正等[15]通過對人工制備的結(jié)構(gòu)性土與重塑土進行動三軸試驗，得出土體結(jié)構(gòu)強度等因素對土體長期變形和動強度的影響規(guī)律；楊愛武等[16-17]通過對比分析原狀土與重塑土流變等時曲線發(fā)現(xiàn),結(jié)構(gòu)性吹填軟土流變等時曲線可分離為線性黏彈性變形、線性黏塑性變形與非線性黏塑性變形，并且通過考慮結(jié)構(gòu)性的影響對劍橋模型進行修正，作為開關(guān)函數(shù)建立了考慮結(jié)構(gòu)性影響的半理論半經(jīng)驗流變模型。雷華陽等[18]通過對人工制備的結(jié)構(gòu)性土進行分級加載的次固結(jié)試驗，得出結(jié)構(gòu)性越強的土受擾動作用的影響越明顯。

綜上所述，在考慮結(jié)構(gòu)性對軟黏土力學特性的影響方面，前人的研究大都集中于原狀土與重塑土或擾動土體的對比試驗研究，而考慮結(jié)構(gòu)性影響的蠕變模型也多建立在損傷理論和微觀分析的基礎上，尚未有利用結(jié)構(gòu)性強弱不同對土體進行長期變形的分析研究。因此，本文通過人工制備物質(zhì)成分相近、物理性質(zhì)接近的不同結(jié)構(gòu)強度的土體，以結(jié)構(gòu)強度作為表征土體的結(jié)構(gòu)性強弱指標，利用三軸流變儀，進行三軸不固結(jié)不排水蠕變試驗，研究結(jié)構(gòu)強度對長期變形的影響，提出考慮結(jié)構(gòu)強度的軟黏土長期變形計算方法，以期為相關(guān)工程建設提供理論支撐。

1 試驗方案及結(jié)構(gòu)性土制備

1.1 試驗土樣

原料土取自天津濱海新區(qū)臨港工業(yè)區(qū)吹填場地，開展本研究前對有機質(zhì)進行了處理，因此可以認為制作的結(jié)構(gòu)性土不考慮有機質(zhì)影響。其液限ωL=38.5%，塑限ωP=21.2%，塑性指數(shù)Ip=17.3，重塑土的各項物理力學性質(zhì)指標統(tǒng)計如表1所示。

表1 重塑吹填軟土物理力學性質(zhì)Table 1 Physical and mechanical properties of the remolded soft clay

1.2 結(jié)構(gòu)性土制備

試驗所用結(jié)構(gòu)性土樣通過人工制備完成，含水率均為40%，結(jié)構(gòu)性強弱不同通過水泥摻量來控制，所用水泥為普通硅酸鹽水泥，制備過程中通過使用微型十字板剪切儀來測試各配比試驗土體在不同齡期時的強度變化。為了制作人工結(jié)構(gòu)性土，首先將原狀吹填軟土烘干破碎，再將其過1 mm的篩子；在過篩后的原料土中摻入一定量的水泥漿，攪拌均勻，將攪拌均勻的混料土按照一定的密度壓入土樣模具(內(nèi)徑70 mm，高200 mm) 中，然后將其進行密封，再將密封好未脫模的土樣放置在標準養(yǎng)護箱中養(yǎng)護28 d后，對其進行微型十字板剪切試驗，強度相近的土樣即初步認為結(jié)構(gòu)強度接近。通過改變初始含水量及水泥摻量，利用微型十字板測試其強度，經(jīng)過多次反復試驗，最終確定3種含水量相同而結(jié)構(gòu)性不同的土樣，其物理力學性質(zhì)如表2所示。

表2 人工制備結(jié)構(gòu)性軟黏土物理力學性質(zhì)Table 2 Physical and mechanical properties of the artificial structured soft clay

注：表中數(shù)據(jù)為3組試驗平均值。

由表2可看出，本次制備的不同強度結(jié)構(gòu)性軟黏土基本物理性質(zhì)相近，且隨水泥比重的減小，各土體十字板強度S1>S2>S3，均大于幾乎沒有結(jié)構(gòu)強度的重塑土S4-CS，即該土體符合試驗研究條件：含水率相同而結(jié)構(gòu)強度各異。當水泥含量提高到1.5%時，土樣十字板強度發(fā)生突變，與前3種土樣抗壓強度峰值相差很大，不符合軟黏土物理力學特性。因此本文確定人工結(jié)構(gòu)性土的水泥含量不宜高于1.5%。

表2中土體結(jié)構(gòu)強度通過一維壓縮試驗來求取。具體加載方案為12.5，25，50，100，150，200，400，800 kPa，不同人工結(jié)構(gòu)性土樣和重塑土樣的壓縮試驗e-lgp曲線如圖1所示。

圖1 壓縮曲線Fig.1 Compression curves

從圖1中可以看出，人工結(jié)構(gòu)性軟土的壓縮曲線具有明顯的轉(zhuǎn)折點，即在壓縮過程中表現(xiàn)出明顯的結(jié)構(gòu)屈服現(xiàn)象，而基本喪失結(jié)構(gòu)性的重塑土S4-CS的e-lgp壓縮曲線幾乎呈直線狀，趨近于理論壓縮曲線。Casagrande最早在1936年提出利用軟黏土的e-logp壓縮曲線來確定先期固結(jié)壓力的方法。但采用Casagrande法測得的先期固結(jié)壓力Pc僅適用于無結(jié)構(gòu)強度或結(jié)構(gòu)性較弱的重塑土體，而對于具有一定結(jié)構(gòu)強度的土體，使用該方法所求得的先期固結(jié)壓力Pc實際為結(jié)構(gòu)性土的結(jié)構(gòu)屈服應力σk[19-20]，它是真正的先期固結(jié)壓力Pc和結(jié)構(gòu)強度q之和，兩者之間有著本質(zhì)的區(qū)別。因此定義結(jié)構(gòu)強度q為結(jié)構(gòu)屈服應力σk與該孔隙比對應重塑土固結(jié)壓力值之差。由圖1求取的不同人工結(jié)構(gòu)性土樣的結(jié)構(gòu)強度q統(tǒng)計如表3所示。

表3 人工制備結(jié)構(gòu)性軟黏土的結(jié)構(gòu)性參數(shù)Table 3 Structural parameters of the artificial structuredsoft clay

同樣，在三軸壓縮試驗中，人工結(jié)構(gòu)性軟土的三軸應力-應變關(guān)系曲線表現(xiàn)出軟化現(xiàn)象，即具有結(jié)構(gòu)屈服現(xiàn)象。而重塑土S4-CS則表現(xiàn)為硬化現(xiàn)象，無屈服點出現(xiàn)(圖2)。由圖2得出S1，S2，S3在圍壓75 kPa時的結(jié)構(gòu)屈服應力值分別為59，44，29 kPa，重塑土為18 kPa，根據(jù)其可以確定蠕變加載值，即蠕變加載最大值不能超過結(jié)構(gòu)屈服應力值。

圖2 三軸壓縮試驗應力-應變曲線Fig.2 Stress strain curves of the three axial compression test

1.3 試驗方案

由于吹填現(xiàn)場排水條件差，為使試驗更接近工程實際，試驗全程不排水。考慮球形應力對土體初始結(jié)構(gòu)也有破壞作用，試驗圍壓盡量小于結(jié)構(gòu)屈服應力，取75 kPa。試驗儀器采用TSS10土體三軸流變試驗儀，試樣尺寸為70 mm×140 mm(直徑×高度)的圓柱形。對于蠕變穩(wěn)定標準的判定，目前尚未有明確規(guī)定，本文選取在24 h內(nèi)變形量小于0.01 mm時則可進入下一級應力水平試驗，最終確定加載時長為96 h。蠕變試驗方案如表4所示。

表4 試驗方案Table 4 Test scheme

2 試驗結(jié)果及分析

不同結(jié)構(gòu)強度下不同土體的軸向變形量與時間關(guān)系如圖3所示。由圖3可以看出，偏應力的施加會使土樣產(chǎn)生軸向變形，隨著時間的增長，軸向應變逐漸增加至某一穩(wěn)定值，變形速率也逐漸衰減并達到穩(wěn)定，偏應力越大，變形及變形速率達到穩(wěn)定所需要的時間越長。由圖3(a， b，c)可以看出，對于結(jié)構(gòu)性軟土，當偏應力小于結(jié)構(gòu)屈服應力時，試樣變形很快達到穩(wěn)定，且變形量都小于2% 。當偏應力逐漸增大時，試樣的軸向變形不斷發(fā)展最終達到破壞應變。由圖3(d)可以看出，重塑土在較小的偏應力作用下，變形就明顯大于同條件下其他類型土。上述現(xiàn)象可以解釋為：當偏應力小于土體三軸壓縮結(jié)構(gòu)屈服應力時，隨著受荷時間的增長，土體也不會產(chǎn)生大量的結(jié)構(gòu)損傷，土體抵抗變形能力強，軸向變形較小且以彈性變形居多，故隨著時間的增長不會有大量軸向變形的發(fā)展；隨著偏應力的增大，超過土體三軸壓縮結(jié)構(gòu)屈服應力時，在荷載作用下土體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)嚴重損壞，出現(xiàn)較多的不可恢復的塑性變形，隨著結(jié)構(gòu)損傷不斷發(fā)展，土體最終達到破壞。重塑土由于基本上未有結(jié)構(gòu)性影響，其變形始終較大。

圖3 不同結(jié)構(gòu)強度土體的蠕變曲線Fig.3 Creep curves of soils with different structural strength

3 考慮結(jié)構(gòu)強度影響的蠕變變形

軟黏土蠕變變形與應力水平及結(jié)構(gòu)強度的大小密切相關(guān)，傳統(tǒng)經(jīng)驗蠕變模型如Singh-Mitchell和Mesri等均未考慮結(jié)構(gòu)性的影響。本文通過對強弱不同的結(jié)構(gòu)性軟土進行研究分析，建立一個可以考慮結(jié)構(gòu)強度影響的蠕變變形計算方法。

3.1 蠕變模型的建立

前人研究成果表明，應力-應變關(guān)系曲線(變形函數(shù))可以由冪函數(shù)或雙曲線函數(shù)來表示，應變-時間關(guān)系曲線(蠕變函數(shù))可以由冪函數(shù)、對數(shù)函數(shù)、雙曲線函數(shù)或指數(shù)函數(shù)來表示。分別采用4種函數(shù)形式(冪函數(shù)、對數(shù)函數(shù)、雙曲線函數(shù)和指數(shù)函數(shù))對蠕變曲線進行最小二乘法擬合，分析結(jié)果表明：采用冪函數(shù)與對數(shù)函數(shù)擬合，應變緩慢而不斷地增長，且在后期增長較快，即曲線比較陡，偏離呈衰減特征的試驗曲線。而采用雙曲線擬合與試驗結(jié)果跟接近。因此本文在前人研究的基礎上，擬將軟黏土蠕變預測公式中的應變-時間關(guān)系曲線采用雙曲線形式來描述，其中應力-應變關(guān)系為應變關(guān)于偏應力和結(jié)構(gòu)強度的關(guān)系式，暫用函數(shù)f((σ1-σ3),q)表示，函數(shù)中(σ1-σ3)為偏應力，q為軟黏土結(jié)構(gòu)強度。因此蠕變變形可用式(1)表示：

(1)

式中：A，B——關(guān)于偏應力和結(jié)構(gòu)強度的函數(shù)；

t——時間；

ε——蠕變變形。

令B/A=C，即C也為關(guān)于偏應力(σ1-σ3)和結(jié)構(gòu)強度q的函數(shù)。則(1)式可簡化為式(2)：

3.2 模型參數(shù)確定

對于同一種土樣，結(jié)構(gòu)強度和應力水平確定時，函數(shù)F為一常數(shù)F0，即式(2)可表示為：

(3)

式(3)經(jīng)變換，得到式(4)：

(4)

由式(4)可看出，將蠕變曲線變換為t/ε-t曲線，線性擬合即可得到參數(shù)C值。不同結(jié)構(gòu)強度土體t/ε-t試驗及擬合曲線情況如圖4所示。由圖4可看出，t/ε-t線性擬合效果較好，擬合度R2均可達到0.999 9,通過各擬合曲線與t/ε軸截距和斜率可計算得到參數(shù)C的取值情況如表5所示。

表5 不同結(jié)構(gòu)強度土樣經(jīng)驗模型參數(shù)值Table 5 Parameter values of soil samples of different structuralstrength

圖4 不同結(jié)構(gòu)強度土體t/ε-t試驗及擬合曲線Fig.4 t/ε-t test and fitting curve of soil of different structural strength

表5表明，對于同一結(jié)構(gòu)強度土體，參數(shù)C在各應力水平下變化不大，即偏應力大小對參數(shù)C值影響較小，對應不同結(jié)構(gòu)強度土體參數(shù)C平均值變化也較小，故參數(shù)C取其平均值為0.430 031。

圖5 不同結(jié)構(gòu)強度土體F與(σ1-σ3)擬合情況Fig.5 Relationship between F and(σ1-σ3) of soil of different structural strength

土樣編號S1S2S3S4-CSa0.010 080.023 130.070 030.236 20b0.018 630.021 100.028 480.047 11

表6表明，隨著結(jié)構(gòu)強度的變化，參數(shù)a，b有不同程度的變化。因此，進一步探討參數(shù)a，b與結(jié)構(gòu)強度q的關(guān)系(圖6)。由圖6可以看出，采用指數(shù)函數(shù)表示a，b與q的關(guān)系擬合程度較高：

a=0.003 26+0.232 96×e-0.050 65q(5)

b=0.016 01+0.031 11×e-0.036 41q(6)

綜合以上研究，可以得到考慮不同結(jié)構(gòu)強度影響作用的軟黏土長期變形的預測公式：

(7)

式(7)中參數(shù)C為固定值，可取0.430031；參數(shù)a，b由式(5)、(6)求得，反映了結(jié)構(gòu)強度的影響。

圖6 參數(shù)a，b與結(jié)構(gòu)強度q關(guān)系曲線Fig.6 Curve of parameter a, b and structural strength q

3.3 模型驗證

取水泥摻入量為1.5%，制備最終含水率仍為40%的人工結(jié)構(gòu)性土體，利用本文研究得到的模型進行檢驗分析。室內(nèi)壓縮試驗求得該土體結(jié)構(gòu)強度q為121.2 kPa，為減少對土體初始結(jié)構(gòu)的破壞，三軸蠕變試驗圍壓仍為75 kPa，分別加載，軸向偏應力為10，30，50和55 kPa。試驗與預測結(jié)果如圖7所示。

圖7 試驗與預測結(jié)果對比Fig.7 Comparison of the test results and the prediction curves

圖7表明，計算曲線和試驗結(jié)果變化趨勢基本一致。計算曲線在蠕變衰減階段特別是軸向應變速率陡降階段與試驗結(jié)果略有誤差，但相比傳統(tǒng)經(jīng)驗蠕變模型,本文由于考慮了不同結(jié)構(gòu)強度對蠕變變形的影響作用，精度有所提高，可為相關(guān)工程建設和進一步理論研究提供參考。

4 結(jié)論

(1)人工結(jié)構(gòu)性土樣由于其物理性質(zhì)的均一性而被廣泛使用，并且可以通過控制摻入膠黏材料或固化添加劑的量來控制土體強度的大小，所以在一定程度上可以反映出原狀結(jié)構(gòu)性土體結(jié)構(gòu)性特征。

(2)人工制備的結(jié)構(gòu)性軟黏土，其結(jié)構(gòu)性對其長期變形特性影響明顯，且變形的發(fā)展在土體結(jié)構(gòu)屈服前后顯著不同。

(3)由于結(jié)構(gòu)性的存在，在相同偏應力作用下蠕變變形表現(xiàn)出明顯差異。

(4)以土體結(jié)構(gòu)強度作為表征結(jié)構(gòu)性強弱的量化參數(shù)，使用雙曲線函數(shù)來描述應力-應變和應變-時間的關(guān)系，建立了可考慮結(jié)構(gòu)強度影響的軟黏土長期變形預測模型。