天津海積軟土蠕變特性試驗研究

張靜嫻，楊愛武，張 彥，辛 蕊

(天津城市建設(shè)學(xué)院a. 土木工程系；b. 天津市軟土特性與工程環(huán)境重點實驗室，天津 300384)

天津海積軟土蠕變特性試驗研究

張靜嫻a,b，楊愛武a,b，張 彥a,b，辛 蕊a,b

(天津城市建設(shè)學(xué)院a. 土木工程系；b. 天津市軟土特性與工程環(huán)境重點實驗室，天津 300384)

通過不排水三軸蠕變試驗，對天津海積軟土的蠕變特性進行了研究，得出了天津海積軟土蠕變特性方程．用灰色系統(tǒng)理論建立了蠕變沉降預(yù)測模型 GM(1，1)，并利用試驗實測數(shù)據(jù)進行了計算，結(jié)果表明：該預(yù)測模型具有較好的精度，對指導(dǎo)實際工程進行蠕變沉降預(yù)測有積極意義．

海積軟土；蠕變；灰色預(yù)測

海積軟土主要為淤泥質(zhì)黏土和淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，富含有機質(zhì)，呈軟塑狀態(tài)，其特性為含水量高、孔隙比大、壓縮性高、天然強度低、透水性小，并具有顯著的蠕變性．蠕變是指土在應(yīng)力狀態(tài)不變的條件下，應(yīng)變隨時間逐漸增長的現(xiàn)象[1]．經(jīng)典的彈性、塑性理論認為，土在加荷以后立即產(chǎn)生變形，應(yīng)力狀態(tài)恒定且不考慮時間因素．然而許多研究資料表明：應(yīng)力、應(yīng)變并不是簡單代數(shù)關(guān)系，而包括復(fù)雜的隨時間變化的規(guī)律[2-5]．海積軟土地基上的構(gòu)筑物經(jīng)常會由于地基土的蠕變而出現(xiàn)沉降過大、承載力不足等問題．因此，研究海積軟土的蠕變特性十分必要．

土的蠕變性最早是在1948年由Geuze E.C.W.A和陳宗基提出的．目前，對土的蠕變研究已經(jīng)有很大進展，國內(nèi)外學(xué)者在蠕變現(xiàn)象和機制、蠕變特性試驗以及蠕變本構(gòu)模型等方面取得了很多研究成果．在土的蠕變特性試驗方面，謝寧、孫鈞[6]對上海地區(qū)飽和軟黏土的流變特性進行了試驗研究，提出了描述上海軟土流變特性的經(jīng)驗本構(gòu)模型；王常明、肖樹芳[7]對上海、珠海、深圳地區(qū)的海積軟土進行了一維固結(jié)蠕變試驗，提出了時間效應(yīng)系數(shù)，并對固結(jié)蠕變過程中土的微觀結(jié)構(gòu)變化進行了研究；陳曉平、白世偉[8]對軟土蠕變-固結(jié)特性進行了研究，探討了應(yīng)力應(yīng)變模型、蠕變模型和固結(jié)模型的耦合機理；王常明等人[9]對營口、上海、珠海的濱海軟土進行了三軸蠕變試驗研究，提出了描述濱海軟土的應(yīng)力-應(yīng)變-時間的經(jīng)驗公式．本文在前人研究工作的基礎(chǔ)上，選取天津濱海新區(qū)臨港工業(yè)區(qū)某場地的海積軟土樣，通過三軸蠕變試驗研究了天津海積軟土的蠕變特性，得到了天津海積軟土蠕變特性的經(jīng)驗公式；同時用灰色系統(tǒng)理論建立了蠕變沉降預(yù)測模型 GM(1，1)，并用蠕變試驗數(shù)據(jù)進行了預(yù)測，對該模型進行了驗證．

1 試驗方案

1.1 土的基本物理特性

試驗選取天津濱海新區(qū)臨港工業(yè)區(qū)某吹填場地的海積軟土，取樣深度為 6.6～8.9,m，土樣為灰色淤泥質(zhì)黏土，有些土樣中混有貝殼等雜質(zhì)．本次試驗土樣的基本物理性質(zhì)指標(biāo)見表1．

表1 土樣基本物理性質(zhì)指標(biāo)

1.2 蠕變試驗方案

本次蠕變試驗采用的儀器是由SJ-1A三軸儀改裝而成的三軸蠕變儀．將土樣置于一定圍壓下，沿豎向加載框及其下的加壓系統(tǒng)對土樣施加軸向荷載，形成偏應(yīng)力狀態(tài)，使土樣產(chǎn)生蠕變變形．由百分表測讀土樣在一定荷載下隨時間的增長而產(chǎn)生的軸向變形．

蠕變試驗的加載方式有分別加載和分級加載兩種．分別加載就是對同一種土樣，在相同儀器和相同的試驗條件下，進行不同應(yīng)力水平下的蠕變試驗．從理論上來說，分別加載蠕變試驗更符合蠕變試驗的要求，能得到蠕變?nèi)^程的變化曲線[10]．本試驗采用分別加載不排水三軸蠕變試驗．試樣直徑 61.8,mm、高度 150,mm．根據(jù)實驗?zāi)康暮同F(xiàn)場實際情況，此次試驗分為四組，均施加圍壓150.0,kPa．每組制作 4個土樣，分別對1#～4#試樣施加垂直向荷載 12.5，25.0，37.5，50.0,kPa．各組蠕變試驗持續(xù)時間為：第一組1,d，第二組 3,d，第三組 5,d，第四組 7,d．

2 蠕變試驗成果及分析

2.1 蠕變曲線特征

圖 1為本次試驗得到的蠕變持續(xù)時間為 1，3，5，7,d的不同垂直向荷載水平下應(yīng)變-時間曲線圖．從圖1中可知：對于同一組土，隨著應(yīng)力水平的增加，土體瞬時應(yīng)變有顯著提高；在低應(yīng)力水平下，應(yīng)變隨時間逐漸趨于穩(wěn)定值；在高應(yīng)力水平下，應(yīng)變隨時間穩(wěn)定增長，土體表現(xiàn)出流動性；當(dāng)應(yīng)力達到土體屈服值時，土體快速流動破壞．對于不同組土，在同一應(yīng)力水平下，其瞬時階段的應(yīng)變量不僅受垂直向荷載水平影響，也受土的組成、結(jié)構(gòu)及應(yīng)力歷史等特性的影響；圖 1中，在低應(yīng)力水平下(垂直向荷載 12.5 kPa)，土樣的瞬時應(yīng)變主要受荷載水平的影響，四組土瞬時應(yīng)變量相差不大；隨著應(yīng)力水平的提高，荷載水平對土體瞬時應(yīng)變量的影響減小，在較高應(yīng)力水平下(垂直向荷載 37.5 kPa)，四組土瞬時應(yīng)變量相差較大，表明在高應(yīng)力水平土體瞬時應(yīng)變量受土體土的組成、結(jié)構(gòu)及應(yīng)力歷史等特性的影響較大．

從圖1中可以得出，海積軟土蠕變變形為四個階段：①瞬時階段．該階段持續(xù)時間一般為加載后 0～0.5,h，應(yīng)變不斷發(fā)展，應(yīng)變曲線近似于直線，該階段變形量在低應(yīng)力水平時(垂直向荷載 12.5，25.0,kPa)達到總變形的80%～85%，在較高應(yīng)力水平下(垂直向荷載 37.5,kPa)達到總變形的70%～75%；②不穩(wěn)定流動階段．該階段持續(xù)時間隨著應(yīng)力水平的提高有明顯增長，在較低應(yīng)力水平下，該階段持續(xù)時間約為10,h，在較高應(yīng)力水平下，該階段持續(xù)時間約為 3,d；應(yīng)變不斷發(fā)展，應(yīng)變速率逐漸減小，該階段應(yīng)變曲線近似弧線，應(yīng)變速率隨著應(yīng)力水平的提高有明顯增加；③穩(wěn)定流動階段．該階段應(yīng)變曲線近似直線．在低應(yīng)力水平下(垂直向荷載 12.5，25.0,kPa)，蠕變具有衰減特征，應(yīng)變速率逐漸為 0；在較高應(yīng)力水平下(垂直向荷載 37.5,kPa)，應(yīng)變以等速穩(wěn)定增加，土體表現(xiàn)出明顯的蠕變特性；④破壞階段．當(dāng)應(yīng)力水平達到土體屈服值時，土體由第一階段直接進入第四階段，土體迅速破壞．由以上分析可知：天津海積軟土不排水長期強度低于50.0,kPa．

圖1 蠕變試驗應(yīng)變-時間曲線

2.2 平均應(yīng)變速度-時間曲線

式中：A為比例常數(shù)；1t，1ω為常數(shù)值．由式(1)可得

由式(3)可得到天津海積軟土的蠕變特性經(jīng)驗公式

根據(jù)圖2可以計算得到天津海積軟土不排水蠕變比例常數(shù)A為-0.992，式(2)、式(3)可寫為

式(5)、式(6)為此次試驗得到的天津海積軟土蠕變特性方程，其中1ε為1t時刻的應(yīng)變量．由式(5)、(6)可知：式(4)中B具有豐富的含義，其大小不僅受荷載水平影響，還反映了土的組成、結(jié)構(gòu)和應(yīng)力歷史等特性對蠕變速率的影響，式(4)中A控制著應(yīng)變速率隨時間減小的速度．由以上分析可以得知，海積軟土受到一定荷載作用后的瞬時應(yīng)變速率與荷載水平、土的組成、結(jié)構(gòu)和應(yīng)力歷史等特性有關(guān)，蠕變過程中的應(yīng)變速率與時間有關(guān)，天津海積軟土蠕變呈應(yīng)變速率衰減型，應(yīng)變-時間關(guān)系呈冪指數(shù)型．

圖2 蠕變試驗lgω -lgt曲線

3 蠕變沉降預(yù)測模型GM(1，1)

由于海積軟土具有顯著的蠕變性，所以在海積軟土地基上進行建設(shè)時，為防止建筑物或構(gòu)筑物的開裂和損壞，保證正常使用，要對未來沉降進行早期預(yù)報，從而為有效地治理沉降提供依據(jù)．影響海積軟土蠕變沉降的因素很多，如土的組成、荷載分布、應(yīng)力歷史等，這些因素之間關(guān)系復(fù)雜，有些甚至難以精確描述．因此，可以通過灰色系統(tǒng)理論方法，對蠕變沉降原始數(shù)據(jù)進行處理，建立灰色預(yù)測模型，以分析蠕變沉降的發(fā)展變化．本文根據(jù)灰色系統(tǒng)理論建立蠕變沉降預(yù)測模型 GM(1，1)，并用此次蠕變試驗數(shù)據(jù)進行了實例計算．

3.1 灰色預(yù)測模型GM(1，1)

灰色系統(tǒng)由我國鄧聚龍教授在1982年創(chuàng)立并發(fā)展起來．以“部分信息已知，部分信息未知”的“小樣本、貧信息”不確定性系統(tǒng)為研究對象，主要通過對“部分”已知信息的生成、開發(fā)，提取有價值的信息，實現(xiàn)對系統(tǒng)運行規(guī)律的正確描述和有效控制[11]．灰色模型(gray model，簡稱 GM)的主要任務(wù)是根據(jù)系統(tǒng)的行為特征數(shù)據(jù)，找出因素本身或之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，從而了解系統(tǒng)的動態(tài)和發(fā)展趨勢．較為常用的灰色模型為預(yù)測模型 GM(n，1)，即擁有一個 n階導(dǎo)數(shù)的灰色系統(tǒng)模型，該變量就是灰色系統(tǒng)中的主因素．當(dāng)n越大，計算也就越復(fù)雜，精度也不一定高[]12．當(dāng)n=1時，即為計算簡單的預(yù)測模型GM(1，1)．建立蠕變沉降預(yù)測模型GM(1，1)的方法如下．

對蠕變沉降原始數(shù)據(jù)記為

其中：x(1),x(2),x(3),…,x( k)為沉降時間為1，2，3，…，kd時的蠕變沉降量．

為了減少原始數(shù)據(jù)的隨機性和波動性，對0X進行1-AGO(一次累加)序列，得到數(shù)據(jù)列

按照灰色系統(tǒng)理論，應(yīng)滿足

將上述微分方程的常微分項差分

利用最小二乘法對灰色參數(shù)a,b進行擬合

把估計值 a,b代入方程解中，即得到該系統(tǒng)的相應(yīng)函數(shù)

式(12)即為蠕變沉降灰色預(yù)測模型．經(jīng)過 1-AGO的一次累減處理，即可得到不同時刻的預(yù)測蠕變沉降量

當(dāng) t = 1 ,2,… , k時，由式(13)得出的是擬合值；當(dāng)t≥ k時，X1(t + 1 )為預(yù)測值．

3.2 計算實例

以蠕變持續(xù)時間為 7,d、垂直荷載為 37.5,kPa的蠕變沉降數(shù)據(jù)來建立蠕變沉降模型．蠕變沉降原始數(shù)據(jù)如下

其中：()x t為td時的沉降量， mm．

按式(7)至式(13)計算得到蠕變沉降模型為

由式(14)可計算得到該模型的擬合值和預(yù)測值(見表 2)．由表 2可知：在 5，6，7,d，預(yù)測沉降量與實際沉降量相差不超過 0.11,mm，平均相對誤差為0.611%，說明該模型能較好地對蠕變沉降曲線進行擬合，模型具有較高的精度．表 2還給出了時間為 30，60,d的預(yù)測蠕變沉降量，表明該模型能進行中短期的蠕變沉降預(yù)測．由以上分析可知，蠕變沉降預(yù)測模型GM(1，1)顯示了較好的精度，表明該模型可應(yīng)用于蠕變沉降預(yù)測計算．該模型應(yīng)用少量的數(shù)據(jù)即可進行較準(zhǔn)確的中短期預(yù)測．在進行長期沉降預(yù)測時，可根據(jù)實測數(shù)據(jù)置入最新信息、去掉最老信息，建立新模型以提高計算精度．該模型對數(shù)據(jù)分布及要求沒有限制，計算較簡便，能對實際工程起到指導(dǎo)意義．

表2 誤差檢驗表

4 結(jié) 論

(1)天津海積軟土具有較明顯的蠕變特性．根據(jù)分別加載三軸蠕變試驗結(jié)果，其不排水條件下的長期強度低于 50.0,kPa．天津海積軟土蠕變?yōu)槿齻€階段：瞬時階段、不穩(wěn)定流動階段、穩(wěn)定流動階段．一般文獻中描述的加速蠕變階段在本試驗中沒有出現(xiàn)．

(2)根據(jù)試驗結(jié)果得出了天津海積軟土蠕變特性的經(jīng)驗公式．天津海積軟土蠕變瞬時應(yīng)變速率與荷載水平有關(guān)，蠕變過程中的應(yīng)變速率只與時間有關(guān)，天津海積軟土蠕變呈應(yīng)變速率衰減型，應(yīng)變-時間關(guān)系呈冪指數(shù)型．

(3)用灰色系統(tǒng)理論建立了蠕變沉降預(yù)測模型．根據(jù)試驗數(shù)據(jù)對該模型進行了驗證，結(jié)果表明預(yù)測值與實際值誤差很小，說明該模型具有較高的精度．利用該模型進行蠕變沉降預(yù)測具有所需觀測資料少、對數(shù)據(jù)分布及要求沒有限制、計算簡單等優(yōu)點，可應(yīng)用于在實際工程中進行蠕變沉降預(yù)測的計算．

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Experimental Study on Creep Characteristics of Tianjin Marine Soft Soil

ZHANG Jing-xiana,b，YANG Ai-wua,b，ZHANG Yana,b，XIN Ruia,b
(a. Department of Civil Engineering；b. Tianjin Key Laboratory of Soft Soil Characteristic and Engineering Environment，TIUC，Tianjin 300384，China)

Through a series of triaxial creep tests, this paper studies the creep characteristics of Tianjin marine soft soil, and then proposes the empirical equation for the creep characteristics. It establishes the grey prediction model GM(1,1) for creep subsidence using grey system theory, and then it examines the model using the data of creep tests.The results show that the prediction model has a rather better accuracy and precision. This model will benefit the creep subsidence prediction of construction.

marine soft soil；creep；grey prediction

TU447

A

1006-6853(2010)02-0102-05

2010-01-15；

2010-03-09

張靜嫻（1983—），女，湖北天門人，天津城市建設(shè)學(xué)院碩士生.