雷華陽(yáng) ,馮雙喜,郝 琪,張雅杰,F(xiàn)athia Abdourazk ABDI
(1. 天津大學(xué)建筑工程學(xué)院,天津300354;2. 天津大學(xué)濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津300354)
隨著“一帶一路”倡儀、“海洋強(qiáng)國(guó)”等國(guó)家戰(zhàn)略的實(shí)施,海洋資源開發(fā)與利用已成為當(dāng)今世界可持續(xù)發(fā)展的重大問題,陸地資源緊缺是沿海資源開發(fā)的關(guān)鍵.為解決陸地資源和發(fā)展空間不足等問題,各沿海城市掀起了圍海造陸的熱潮.目前,真空預(yù)壓方法已經(jīng)成為圍海造陸常用的一種方法[1-4].其中,熱真空預(yù)壓加固吹填土地基新方法受到許多學(xué)者的關(guān)注.泰國(guó)首先采用了熱真空預(yù)壓方法,在塑料排水板增設(shè)U 型管,并將溫度加熱至90 ℃,研究表明處理后軟基的沉降量是傳統(tǒng)排水固結(jié)法的2~3 倍[5].Marques 等[6]證明了熱真空預(yù)壓技術(shù)可以顯著提高土體的固結(jié)效果,提高土體的強(qiáng)度,縮短工期. 林偉岸等[7]設(shè)計(jì)一種超軟土加固的加熱型排水板及熱真空預(yù)壓裝置,并證明了熱真空預(yù)壓的有效性.雖然熱真空預(yù)壓對(duì)新近吹填土地基加固具有一定效果,但并沒有得到廣泛的推廣和應(yīng)用,其原因之一是固結(jié)過程中溫度對(duì)吹填土固結(jié)特性和強(qiáng)度的變化規(guī)律尚不清楚.
為了揭示黏性土熱力固結(jié)變形特性,很多學(xué)者通過溫控三軸或者升溫固結(jié)儀對(duì)其固結(jié)特性開展了試驗(yàn)研究.Paaswell[8]首先提出了“熱固結(jié)”的概念,認(rèn)為黏土在加熱過程中體積隨時(shí)間變化不大.Delage等[9]以超固結(jié)黏土為試驗(yàn)對(duì)象,認(rèn)為固結(jié)系數(shù)隨著溫度的升高變化不明顯.白冰等[10]研究水-力-溫(THM)條件下硬黏土排水量以及孔隙水壓力變化規(guī)律,提出吸附孔隙水壓力對(duì)硬質(zhì)黏土的THM 性質(zhì)起主導(dǎo)作用.陸嘉楠等[11]針對(duì)粉質(zhì)黏土總結(jié)出同一圍壓作用下,溫度越高,孔隙比越低,應(yīng)變呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)變化趨勢(shì).
此外國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過開展溫控三軸試驗(yàn)研究了溫度對(duì)黏性土強(qiáng)度特性的影響,Ma 等[12]針對(duì)Boom Clay 開展系統(tǒng)研究,并認(rèn)為升高溫度會(huì)降低土體的強(qiáng)度,溫度對(duì)摩擦角的影響尚不清楚.Monfared 等[13]認(rèn)為在80 ℃時(shí),Boom Clay 的剪切帶不明顯,并影響其滲透性.高均昭等[14]研究了粉質(zhì)黏土在高溫多雨條件下強(qiáng)度特性,提出原狀土的剪切強(qiáng)度受溫度影響較大,隨著溫度的升高,黏聚力和內(nèi)摩擦角總體下降5%~10%.
綜上,雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者在土體熱力學(xué)特性方面取得了一定的研究成果,但仍存在不確定性.很少有專家針對(duì)吹填土熱力固結(jié)和強(qiáng)度特性開展試驗(yàn)研究.目前的研究成果尚未能揭示吹填土固結(jié)和強(qiáng)度演化規(guī)律,無(wú)法合理評(píng)價(jià)熱真空預(yù)壓加固效果的合理性.
基于此,本文利用自主研發(fā)的溫控三軸儀,系統(tǒng)開展了吹填土熱力固結(jié)和強(qiáng)度試驗(yàn).研究了吹填土在不同溫度下的排水體積、滲透系數(shù)、孔隙水壓力與固結(jié)度演化規(guī)律.重點(diǎn)分析了固結(jié)后吹填土在排水和不排水條件下有效應(yīng)力路徑和應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系,提出了基于不同溫度的鄧肯-張模型參數(shù).
吹填土取自天津?yàn)I海新區(qū)臨港工業(yè)園區(qū),土樣的基本物理力學(xué)指標(biāo)如表1 所示.考慮天然土樣處于流塑狀態(tài),無(wú)法直接獲得三軸試樣,采用真空壓樣法制備土樣,真空壓力為100 kPa,預(yù)壓時(shí)間為3 d.預(yù)壓后土樣的天然密度、含水量、孔隙比均有所下降,平均十字板剪切強(qiáng)度略有提高.
表1 試驗(yàn)土樣基本物理力學(xué)指標(biāo)Tab.1 Basic physical and mechanical indexes of the test soil sample
溫控三軸設(shè)備主要包括:溫控裝置、圍壓反壓控制裝置、加載裝置.其中溫控裝置主要包括溫度壓力室、恒溫循環(huán)器以及溫度傳感器,如圖1 所示.溫度控制要求:范圍-20~80 ℃,控制精度優(yōu)于±2 ℃,分辨率優(yōu)于±2 ℃.
圖1 溫控三軸設(shè)備Fig.1 Temperature controlled triaxial apparatus
試驗(yàn)包括以下步驟:制樣、飽和、固結(jié)和剪切.①制樣:將預(yù)壓后的試樣切削成39.1 mm×80 mm 圓柱樣;②飽和:將制備好的試樣放入真空飽和儀中開始飽和,飽和時(shí)間為24 h;③固結(jié):將飽和試樣置于溫度壓力室中,將恒溫循環(huán)器設(shè)定至目標(biāo)溫度,進(jìn)行等向固結(jié),固結(jié)壓力設(shè)置為100 kPa,固結(jié)時(shí)間為24 h;④剪切:固結(jié)完成后試樣在排水條件和不排水條件下,分別以每分鐘0.01%和0.1%速率進(jìn)行剪切試驗(yàn)[15].
Abuel-Naga 等[16]提出熱真空預(yù)壓要比傳統(tǒng)真空預(yù)壓固結(jié)時(shí)間縮短2/3.Derjaguin 等[17]認(rèn)為70 ℃黏性土的吸附水易變成自由水.邱長(zhǎng)林等[18]證明了真空預(yù)壓加固吹填土地基為等向固結(jié)過程.目前的研究尚不能系統(tǒng)說(shuō)明溫度對(duì)吹填土固結(jié)特性的影響,基于此選取了10~70 ℃不同溫度,開展了等向固結(jié)試驗(yàn).
評(píng)價(jià)熱真空預(yù)壓加固吹填土地基的處理效果往往需要明確不排水和排水強(qiáng)度[6].因此,開展了不同溫度條件下不排水和排水的壓縮試驗(yàn),對(duì)比分析吹填土排水和不排水強(qiáng)度特性,具體試驗(yàn)方案如表2 所示.
表2 試驗(yàn)方案Tab.2 Test scheme
圖2 為不同溫度下吹填土排水量的變化曲線,從圖2 中可以看出不同溫度條件下排水量與時(shí)間變化曲線規(guī)律相同,呈現(xiàn)非線性增長(zhǎng)趨勢(shì).排水量隨著時(shí)間的增加而增加,溫度越高排水量越大.在前200 min 內(nèi),當(dāng)溫度為10 ℃和20 ℃時(shí),排水增量小幅上升,分別為2.35 mL 和2.64 mL.當(dāng)溫度30 ℃和40 ℃時(shí),排水增量可達(dá)5.06 mL 和6.34 mL,比室溫20 ℃增加2.42 mL 和3.70 mL.當(dāng)溫度為50~70 ℃時(shí),排水增量大幅上升,排水增量分別較室溫20 ℃增長(zhǎng)了5.76 mL、6.96 mL 和7.36 mL.隨著時(shí)間增加,溫度10~50 ℃時(shí)排水量增加幅度不大,排水量分別為 5.29 mL、7.07 mL、8.50 mL、11.02 mL、11.31 mL;當(dāng)溫度60~70 ℃時(shí),排水量仍呈現(xiàn)小幅增加趨勢(shì),最終排水量為15.69 mL 和19.46 mL.
圖2 不同溫度下吹填土排水量隨時(shí)間的變化曲線Fig.2 Relations between the drainage volume and time under different temperatures
圖3 為排水量與溫度的關(guān)系曲線,其關(guān)系可以擬合為
式中:V為排水體積,L;t為溫度,℃.
從圖3 中可以看出吹填土的最終排水量隨著溫度升高而增大.當(dāng)溫度升高時(shí),孔隙水和土顆粒的礦物都會(huì)膨脹,并且孔隙水的黏滯性降低,滲透系數(shù)增加,部分弱結(jié)合水轉(zhuǎn)化為自由水,使其排出更多的孔隙水[19].
利用太沙基一維滲流理論和達(dá)西定律[20],獲取滲透系數(shù),即
式中:wγ為水的重度,N/m3;q為排水量,L;u為孔隙水壓力,Pa;τ為固結(jié)時(shí)間,s;z為地基深度,m.
圖3 排水量與溫度關(guān)系Fig.3 Relation between drainage volume and temperature
考慮三軸試樣代表一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài),將?u / z? 可以簡(jiǎn)化為u(τ).當(dāng)溫度從10~70 ℃變化時(shí),滲透系數(shù)分別為:0.55×10-7cm/s、0.70×10-7cm/s、0.79×10-7cm/s、0.95×10-7cm/s、0.82×10-7cm/s、1.14×10-7cm/s、1.37×10-7cm/s.
溫度對(duì)滲透性的研究較為廣泛,一般認(rèn)為滲透系數(shù)可以表示為
式中:k為滲透系數(shù),m/s;K為固有滲透率,m2;ρ為流體密度,kg/m3;μ為流體黏滯系數(shù),Pa·s;η為動(dòng)力黏滯系數(shù),m2/s;g為重力加速度,g=9.8 m/s2.
圖4 為滲透系數(shù)與溫度的變化曲線,其關(guān)系可擬合(擬合程度可達(dá)0.878)為
從圖4 中可以看出滲透系數(shù)隨溫度的升高而增加,研究結(jié)果與何俊等[21]的研究結(jié)果一致.由式(3)可知,溫度升高,孔隙水的黏滯性將會(huì)減?。@是導(dǎo)致滲透系數(shù)隨著溫度線性增加的原因之一.
圖4 滲透系數(shù)與溫度關(guān)系Fig.4 Relation of hydraulic conductivity and temperature
孔隙水壓力是衡量固結(jié)效果的重要指標(biāo),但關(guān)于不同類型土,升溫會(huì)導(dǎo)致孔隙水壓力升高還是下降仍處于爭(zhēng)論的階段,很多專家認(rèn)為黏性土升溫會(huì)導(dǎo)致附加應(yīng)力增加,孔隙水壓力先升高后下降[22-23];但也很多專家認(rèn)為溫度升高導(dǎo)致砂性土和黏性土滲透系數(shù)增大,孔隙水壓力呈現(xiàn)消散的趨勢(shì)[24].通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),吹填土在固結(jié)過程中孔隙水壓力隨著溫度的升高呈現(xiàn)下降趨勢(shì).
圖5 為孔隙水壓力隨時(shí)間變化曲線,從圖5 中可以看出不同溫度條件下孔隙水壓力隨時(shí)間變化曲線規(guī)律相同,呈非線性衰減趨勢(shì).孔隙水壓力隨時(shí)間增加逐漸減小,溫度越高,孔隙水壓力衰減越快.孔隙水壓力隨時(shí)間變化曲線呈現(xiàn)明顯三階段特征:快速衰減階段、緩慢衰減階段和穩(wěn)定階段.
快速衰減階段:在前200 min 內(nèi)孔隙水壓力呈現(xiàn)快速下降趨勢(shì).溫度為10~70 ℃時(shí)孔隙水壓力減小量分別為 20.6 kPa、28.8 kPa、40.1 kPa、47.6 kPa、55.7 kPa、64.4 kPa 和70.3 kPa.緩慢衰減階段:時(shí)間為200~1 000 min,孔隙水壓力呈現(xiàn)緩慢衰減趨勢(shì),在不同溫度下,孔隙水壓力增量分別為47.7 kPa、41.1 kPa、37.0 kPa、33.1 kPa、35.6 kPa、28.7 kPa 和26.8 kPa.穩(wěn)定階段:時(shí)間為1 000~1 440 min,孔隙水壓力基本保持穩(wěn)定.當(dāng)時(shí)間為1 440 min 時(shí),孔隙水壓力分別為33.6 kPa、29.9 kPa、26.0 kPa、17.6 kPa、7.2 kPa、5.0 kPa 和1.8 kPa.顯然,與常溫20 ℃時(shí)的孔隙水壓相比,10 ℃孔隙水壓力增加了12.48%,30 ~70 ℃的孔隙水壓力分別減小了 12.96% 、41.08%、75.90%、83.26%和93.84%.通過上述分析,溫度升高將加速吹填土孔隙水壓力消散.
圖5 孔隙水壓力隨時(shí)間變化曲線Fig.5 Relations between pore water pressure and time
固結(jié)度是評(píng)價(jià)固結(jié)程度重要的指標(biāo),本文確定土體的固結(jié)度U的公式為
式中:u0為初始孔隙水壓力,Pa;um為m時(shí)刻的孔隙水壓力,Pa.
圖6 為不同溫度下固結(jié)度與時(shí)間的關(guān)系,從圖6中可以看出在不同溫度條件下固結(jié)度與時(shí)間的關(guān)系曲線規(guī)律相同,呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì).隨著時(shí)間的增加,吹填土的固結(jié)度呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì).在前200 min 固結(jié)度快速增長(zhǎng),當(dāng)溫度10~70 ℃時(shí),固結(jié)度分別為20.1%、28.6%、40.3%、43.9%、62.7%、63.5%和64.2%. 當(dāng)時(shí)間為1 440 min、溫度10~70 ℃,固結(jié)度分別為66.4%、70.1%、74.1%、82.4%、93.4%、95.2%和98.2%. 通過分析發(fā)現(xiàn),當(dāng)固結(jié)時(shí)間達(dá)到1 440 min,土樣并沒有完全固結(jié),升溫有助于加快固結(jié).
圖6 不同溫度下固結(jié)度與時(shí)間的關(guān)系Fig.6 Relations between the consolidation degree and time under different temperatures
此外,隨著時(shí)間的增加,不同溫度差異條件下固結(jié)度差值呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì),當(dāng)時(shí)間為200 min 時(shí),與10 ℃相比,70 ℃試樣固結(jié)度增量為49.86% .當(dāng)時(shí)間為 500 min,試樣固結(jié)度增量為33.05% .當(dāng)時(shí)間為 1 400 min,試樣固結(jié)度增量為31.75%.
本文建立了溫度能量密度表達(dá)式用于揭示固結(jié)度變化規(guī)律,即
式中:ET為溫度能量密度為溫度引起的應(yīng)力為溫度引起孔隙水壓力變化,Pa;在等壓固結(jié)條件下為溫度引起的應(yīng)變,為比例系數(shù);e0為初始孔隙比;qu為不同溫度下最終流量,L.
當(dāng)溫度升高時(shí),ET增大,溫度排水量增量變大,為了滿足能量平衡要求,孔隙水壓力增量也將增大,導(dǎo)致固結(jié)程度增加.需要說(shuō)明的是,當(dāng)滿足能量平衡要求時(shí),如果排水量仍繼續(xù)增大,孔隙水壓力增量將會(huì)減?。ㄟ^圖2 和圖5 可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)時(shí)間為1 000~1 440 min,溫度為10~70 ℃,排水量增量比值和孔隙水壓力基本保持不變;這說(shuō)明能量基本達(dá)到平衡,隨著時(shí)間的增加,固結(jié)程度將不再繼續(xù)增加.
吹填土的熱力強(qiáng)度是評(píng)價(jià)熱力固結(jié)效果的重要性指標(biāo),為了揭示吹填土熱力強(qiáng)度在排水和不排水條件下的差異,本文主要從有效應(yīng)力路徑、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和鄧肯-張模型參數(shù)3 個(gè)方面開展系統(tǒng)研究.
有效應(yīng)力路徑反映了物體在加載過程中應(yīng)力狀態(tài)的演化規(guī)律.以軸向應(yīng)變?yōu)?5%作為土體強(qiáng)度臨界狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn),繪制排水與不排水條件下吹填土應(yīng)力路徑曲線,如圖7 所示.從圖7 中可以看出在排水條件下,隨著偏應(yīng)力的增大,有效球應(yīng)力同樣呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì).不同溫度條件下,偏應(yīng)力-有效球應(yīng)力關(guān)系曲線增長(zhǎng)趨勢(shì)基本相同,但偏應(yīng)力和有效球應(yīng)力增量不同,溫度越高偏應(yīng)力和有效球應(yīng)力增量越大.當(dāng)溫度為10 ℃時(shí),最大偏應(yīng)力為83.19 kPa,有效球應(yīng)力為156.25 kPa,當(dāng)溫度為 70 ℃時(shí),最大偏應(yīng)力為157.58 kPa,有效球應(yīng)力為205.07 kPa.這表明不同溫度下土體的臨界狀態(tài)線(CSL)不一致,即土體在不同溫度下強(qiáng)度不一致.不同溫度下臨界方程中q=Mp′的M 值如表3 所示.
在不排水條件下,隨著偏應(yīng)力的增大,有效球應(yīng)力呈現(xiàn)減小趨勢(shì).溫度越高,有效球應(yīng)力減小就越明顯.當(dāng)溫度為10 ℃時(shí),最大偏應(yīng)力為85.07 kPa,有效球應(yīng)力為97.78 kPa,當(dāng)溫度為70 ℃時(shí),最大偏應(yīng)力為137.85 kPa,有效球應(yīng)力為94.42 kPa.同樣,在不排水條件下土體的CSL 線不一致,土體在不同溫度下強(qiáng)度不一致.通過對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),不排水抗剪切強(qiáng)度明顯小于排水抗剪切強(qiáng)度.此外,不排水條件下的M 值大于排水條件下的M 值.升溫不排水條件下吹填土p′值基本維持不變,升溫排水條件下吹填土q-p值線性增加.
表3 排水與不排水條件下M 值Tab.3 M values under drainage and undrainage conditions
圖7 排水與不排水條件下吹填土應(yīng)力路徑Fig.7 Stress path of the drainage fill under drainage and undrainage conditions
圖8 為在排水和不排水條件下吹填土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線,從圖8 中可以看出在不同溫度條件下應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線規(guī)律相同.在排水條件下,隨著剪應(yīng)力增加,軸向應(yīng)變?cè)龃螅?dāng)溫度低于30 ℃時(shí),應(yīng)變軟化特性不明顯,當(dāng)溫度為40~70 ℃,應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系呈現(xiàn)明顯的應(yīng)變軟化特性,存在峰值應(yīng)力.為了方便研究土體強(qiáng)度變化規(guī)律,以15%的應(yīng)變作為強(qiáng)度控制標(biāo)準(zhǔn),將應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系分成兩個(gè)階段:硬化階段和軟化階段.當(dāng)應(yīng)變?yōu)?5%、溫度10~70 ℃時(shí),剪應(yīng)力分別為:83.19 kPa、94.33 kPa、92.31 kPa、122.25 kPa、132.05 kPa、138.87 kPa 和157.58 kPa.
圖8 排水與不排水條件下應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系Fig.8 Relations between stress and strain under drainage and undrainage conditions
圖9 不排水條件下參數(shù)a、b 確定Fig.9 Determination of parameters a and b under undrainage condition
在不排水條件下,隨著溫度升高,應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系均為應(yīng)變硬化型.以軸向應(yīng)變?yōu)?5%作為強(qiáng)度控制標(biāo)準(zhǔn)時(shí),溫度為 10 ~70 ℃時(shí),偏應(yīng)力分別為:85.07 kPa 、93.42 kPa 、93.43 kPa 、101.77 kPa 、115.86 kPa、128.17 kPa 和137.85 kPa.同理,溫度越高,土體的抗剪強(qiáng)度越大,這與排水條件下土體的強(qiáng)度基本一致.
飽和試樣在相同圍壓固結(jié)以后,進(jìn)行不排水剪切時(shí),剪切溫度越高,土顆粒與孔隙水熱脹,必然產(chǎn)生超靜孔隙水壓力以維持體應(yīng)變不變,相對(duì)排水而言,土體的有效應(yīng)力減小,使得抗剪強(qiáng)度下降.
基于應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系雙曲線特征,本文采用鄧肯-張模型對(duì)不同排水條件和溫度條件的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行描述.排水條件下應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系呈現(xiàn)軟化現(xiàn)象,硬化階段可以利用采用鄧肯-張模型描述,在應(yīng)變軟化階段采用線性方程描述.具體鄧肯-張模型為
在軟化階段采用直線方程進(jìn)行擬合,擬合方程為
式中n、j 為試驗(yàn)參數(shù).通過線性擬合,獲得不同溫度下的擬合公式,如表4 所示,擬合程度均大于0.800.
圖10 排水條件下參數(shù)a、b 確定Fig.10 Determination of parameters a and b under drainage condition
表4 軟化階段擬合公式Tab.4 Fitting formula for the softening stage
本文采用自主研發(fā)的溫控三軸儀,開展了吹填土熱力固結(jié)與強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究,并獲得如下結(jié)論.
(1) 升溫可以明顯改善吹填土的固結(jié)效果,提高其抗剪強(qiáng)度.升溫過程中,土體固結(jié)變形存在明顯的階段特征:快速增加階段、緩慢增加階段和穩(wěn)定階段.升溫條件下,吹填土的抗剪強(qiáng)度明顯增提高.
(2) 排水量隨著溫度升高呈指數(shù)關(guān)系增加,當(dāng)溫度70 ℃時(shí),最終排水量19.46 mL.滲透系數(shù)隨著溫度升高呈線性增長(zhǎng).溫度為10~70 ℃,滲透系數(shù)變化范圍為0.55×10-7~1.37×10-7cm/s.孔隙水壓力隨著溫度的升高呈下降趨勢(shì),當(dāng)時(shí)間 100 ~1 400 min,孔隙水壓力整體衰減范圍為 7 ~40 kPa.固結(jié)度隨著溫度升高而增大,與10 ℃相比,70 ℃試樣在時(shí)間200~1 440 min 的固結(jié)度增量范圍為31.75%~49.86%.
(3) 不排水條件下CSL 線斜率M 值大于排水條件下的M 值.升溫不排水條件下吹填土p′值基本維持不變,升溫排水條件下吹填土q-p 值線性增加.排水抗剪強(qiáng)度范圍為83.19~157.58 kPa,不排水抗剪強(qiáng)度范圍為85.07~137.85 kPa.
(4) 確定了考慮不同溫度的鄧肯-張模型參數(shù)a和b.升溫不排水條件下,可采用鄧肯-張模型來(lái)描述應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系;在升溫排水條件下,可采用鄧肯-張模型和線性模型綜合反映應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系.