基于蠕變試驗(yàn)的黃土高填方工后沉降規(guī)律數(shù)值研究

葛苗苗,李寧,鄭建國,朱才輝,馬旭東

(1.西安理工大學(xué) 巖土工程研究所, 陜西 西安 710048;2.機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院, 陜西 西安 710043)

基于蠕變試驗(yàn)的黃土高填方工后沉降規(guī)律數(shù)值研究

葛苗苗1,李寧1,鄭建國2,朱才輝1,馬旭東1

(1.西安理工大學(xué) 巖土工程研究所, 陜西 西安 710048;2.機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院, 陜西 西安 710043)

為了研究黃土高填方工后沉降規(guī)律,開展一系列壓實(shí)黃土一維固結(jié)蠕變試驗(yàn),分析含水率及壓實(shí)度對黃土蠕變特性的影響,驗(yàn)證了Burger蠕變模型在描述壓實(shí)黃土應(yīng)變與時(shí)間關(guān)系上的適用性,在該模型基礎(chǔ)上,運(yùn)用FLAC3D計(jì)算了黃土高填方工后沉降規(guī)律。結(jié)果表明:軸向加載瞬時(shí),試樣變形速率較大,隨著時(shí)間的推移,變形速率減小并趨于穩(wěn)定,壓實(shí)黃土蠕變隨含水率的提高而增加,隨壓實(shí)度的提高而減小。工后沉降對填料壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)更敏感,在一定壓實(shí)度和含水率范圍內(nèi),工后沉降與含水率和壓實(shí)度呈線性關(guān)系?？梢酝ㄟ^高填方工后沉降速率和時(shí)間關(guān)系曲線上的拐點(diǎn)位置判斷工后沉降穩(wěn)定時(shí)間,填料壓實(shí)度越低、含水率越大,拐點(diǎn)越靠后,沉降穩(wěn)定的時(shí)間越長。

壓實(shí)黃土; 固結(jié)蠕變試驗(yàn); 蠕變曲線; Burger模型; 數(shù)值分析; 工后沉降

高填方的沉降問題一直是困擾工程界的難題,黃土高填方體通常為不同壓實(shí)度和初始含水率下的重塑土,其沉降受施工工藝、氣候因素、工期等各種因素的影響,而填料的壓實(shí)度和含水率又是控制高填方沉降的重要因素,且高填方的工后沉降是一定上覆荷載下土體的長期變形,因此很有必要分析不同含水率及壓實(shí)度下壓實(shí)黃土填料的長期變形特性[1-11]。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,數(shù)值分析在巖土工程上的應(yīng)用日趨成熟,FLAC3D、ABAQUS、PLAXIS等大型數(shù)值仿真軟件均能對固結(jié)問題很好的進(jìn)行模擬,而且數(shù)值計(jì)算能夠考慮復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境對高填方地基的沉降的影響,目前已有學(xué)者通過數(shù)值方法對高填方沉降規(guī)律進(jìn)行分析[12-15]。但對于較高的填方工程,其變形參數(shù)自下而上是變化的,若單純的將填方體概化為一層,顯然降低了計(jì)算精度,但考慮分層的時(shí)效變形參數(shù)又難以獲取。因此,本文以西北某黃土高填方為背景,對壓實(shí)黃土進(jìn)行一維固結(jié)蠕變試驗(yàn),分析壓實(shí)黃土的長期變形特性并得到不同上覆荷載下壓實(shí)黃土的時(shí)效變形參數(shù),在考慮高填方體參數(shù)分層變化的情況下,運(yùn)用FLAC3D分析了填料在不同含水率不同壓實(shí)度下高填方的工后沉降變化規(guī)律,并對工后沉降的穩(wěn)定進(jìn)行判定。

1 壓實(shí)黃土一維固結(jié)蠕變試驗(yàn)

1.1 土樣性質(zhì)

試驗(yàn)選取的黃土土樣取自西北某黃土梁,取土深度為5.0～8.0 m,土樣以粉土為主,輔以少量粉質(zhì)粘土,結(jié)構(gòu)疏松,強(qiáng)度低,且有一定濕陷性,試驗(yàn)土樣基本物理參數(shù)見表1。

1.2 試驗(yàn)方案

為了系統(tǒng)地研究含水率及壓實(shí)度對黃土蠕變特性的影響,本文選取了8種試驗(yàn)方案:試樣含水率w=w0=15.5%時(shí),壓實(shí)度k分別為0.90、0.93、0.95、0.98以及試樣壓實(shí)度k=0.90時(shí),含水率w分別為8%、12%、17%、22%。試驗(yàn)采用WG型單杠桿固結(jié)儀,試樣尺寸為圓柱形50 cm2×2 cm。試樣在25 kPa下預(yù)壓穩(wěn)定后,按照100 kPa→200 kPa→400 kPa→800 kPa→1 200 kPa→1 600 kPa→2 000 kPa進(jìn)行逐級加載,加載的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為24 h豎向累計(jì)變形小于0.002 mm。為保證試驗(yàn)過程中,試樣水分不被蒸發(fā),試驗(yàn)過程中將壓縮儀周圍用濕毛巾裹住,并定期更換濕毛巾,以保證試樣的含水率。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖1為本文壓實(shí)黃土一維固結(jié)蠕變試驗(yàn)曲線,由于篇幅有限,在此本文只列出部分試驗(yàn)結(jié)果。

從以上壓實(shí)黃土的應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系曲線可以看出: ①壓實(shí)黃土蠕變曲線并未出現(xiàn)加速蠕變階段,但都明顯表現(xiàn)出初始蠕變和等速蠕變兩個(gè)階段; ②每級軸向荷載加載瞬時(shí),試樣變形速率較大,隨著時(shí)間的推移,變形速率逐漸減小,并趨于穩(wěn)定,且軸向荷載越大,穩(wěn)定所需時(shí)間越長; ③壓實(shí)度和含水率對黃土長期的蠕變變形有很大影響,這是因?yàn)橥潦峭凉羌堋⑺?、氣三相組成的松散顆粒集合體,壓實(shí)度越高,試樣土顆粒間的孔隙就越小,自由水也就相應(yīng)較小,擴(kuò)散膜厚度就越薄,土顆粒間的靜電吸力就很大,在外荷載作用下,土顆粒間的相互作用很難被破壞,相應(yīng)的,蠕變效應(yīng)就越弱。同樣的,同一壓實(shí)度下含水率越高,土顆粒間自由水就越多,擴(kuò)散膜的厚度就越厚,土顆粒間的相互作用就較弱,也越容易發(fā)生滑移和蠕動(dòng),蠕變效應(yīng)就越明顯。

2 Burger模型驗(yàn)證及參數(shù)求取

Burger模型是由Maxwell模型和Kelvin模型串聯(lián)而成,其元件組合圖形如圖2所示。

Burger模型適合描述第三階段以前的蠕變曲線,其蠕變方程如下:

(1)

以本文含水率w=17.0%、k=0.90壓實(shí)黃土的蠕變試驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù),建立如式(1)的蠕變模型,利用curve expert軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,擬合所得參數(shù)見表2。

通過Burger模型的擬合參數(shù),可得到不同豎向荷載下Burger模型的計(jì)算曲線,將其與試驗(yàn)結(jié)果的對比,如圖3所示。由圖可以看出,Burger模型計(jì)算曲線與試驗(yàn)值能很好吻合,且表2的擬合參數(shù)精度很高,說明Burger模型可以很好地反映瞬時(shí)加載時(shí)刻以及長期荷載作用下壓實(shí)黃土的長期變形效應(yīng),能夠描述壓實(shí)黃土應(yīng)力-應(yīng)變-時(shí)間特征,滿足工程精度要求。

3 黃土高填方工后沉降數(shù)值分析

第二節(jié)說明了Burger模型能夠反映壓實(shí)黃土應(yīng)變與時(shí)間關(guān)系曲線的變化規(guī)律。因此,本節(jié)運(yùn)用FLAC3D對某高填方建立三維模型,并采用Burger模型對文中的試驗(yàn)曲線進(jìn)行擬合,得到不同含水率、不同壓實(shí)度、不同荷載下高填方體的計(jì)算參數(shù),運(yùn)用Burger模型分析填料在不同含水率、不同壓實(shí)度下的工后沉降規(guī)律。

3.1 計(jì)算模型及參數(shù)

圖4、圖5分別為數(shù)值計(jì)算的地層分布和模型網(wǎng)格圖,填方高度共90 m。

模型兩側(cè)和底部均取一倍的填方高度為研究范圍,計(jì)算過程中,兩側(cè)進(jìn)行法向約束,底部為固定約束。基巖的變形及強(qiáng)度參數(shù)如表3所示,通過一維固結(jié)蠕變試驗(yàn)得到填料在不同情況下的壓縮模量見表4。蠕變計(jì)算參數(shù)采用第二節(jié)方法擬合得來,其中切變模量按式(2)換算而來,體積模量按式(3)、(4)通過壓縮模量換算而來,由于篇幅有限,文中只列出含水率w=12%、壓實(shí)度k=0.90時(shí)的蠕變計(jì)算參數(shù),具體見表5。

本文填方體分為9層,每層填土的變形參數(shù)根據(jù)重度計(jì)算其上覆荷載,并與本文試驗(yàn)豎向應(yīng)力進(jìn)行對應(yīng),該豎向應(yīng)力下的變形及蠕變參數(shù)即為數(shù)值計(jì)算該填土層的參數(shù)。數(shù)值分析方案與本文試驗(yàn)方案對應(yīng),共8種,具體見1.2節(jié)。工后沉降計(jì)算時(shí)長為30年,除谷底軟弱覆蓋層Q4eol外,不考慮地基巖土層蠕變變形。

(2)

(3)

(4)

其中:μ為泊松比,取為0.32。

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

圖6為填料含水率w=12%、壓實(shí)度k=0.90時(shí),黃土高填方的工后不同時(shí)間的沉降云圖,其他方案下不同工后時(shí)間沉降云圖類似,在此不一一列出。

從以上計(jì)算結(jié)果可以看出,最大工后沉降發(fā)生在填方頂部,工后開始時(shí),填方沉降速率較大,隨著時(shí)間推移,沉降速率逐漸減小,最終趨于穩(wěn)定。同時(shí),從圖7和圖8曲線可以看出: ①在飽和含水率范圍內(nèi),隨著填料含水率的增大,高填方工后沉降逐漸增大,含水率每增加一個(gè)百分點(diǎn),高填方工后沉降增大3%～8%;隨著壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)的提高,工后沉降也逐漸減小,壓實(shí)度每增大一個(gè)百分點(diǎn),高填方工后沉降減小5%～8%。相比之下,填料壓實(shí)度對黃土高填方工后沉降的影響更大; ②圖7和圖8中曲線在3～4 a時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn),之后曲線基本平直,說明該黃土高填方在工后3～4 a沉降趨于穩(wěn)定,且含水率越高,壓實(shí)度越低,拐點(diǎn)越靠后,穩(wěn)定時(shí)間也越靠后。

圖9和圖10為該黃土高填方穩(wěn)定時(shí)的工后沉降與填料含水率和壓實(shí)度關(guān)系曲線,從圖中可以看出,在一定含水率和壓實(shí)度范圍內(nèi),黃土高填方工后沉降與填料含水率和壓實(shí)度可以用直線關(guān)系擬合,且擬合精度較高,具體可以用式(5)、式(6)表達(dá)。

S=9.458 6w+25.516

(5)

S=-934.99k+1 028.5

(6)

其中:S為工后沉降(cm);w、k分別為填料的含水率(%)和壓實(shí)度。

與本文試驗(yàn)結(jié)果相比,數(shù)值分析定量的刻畫了填料含水率和壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)對黃土高填方工后沉降的影響大小。同時(shí),實(shí)際工程中,工后穩(wěn)定評價(jià)是各類高填方的工程最為關(guān)注的問題,從本文的計(jì)算結(jié)果可以看出,沉降歷時(shí)曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)是分析沉降穩(wěn)定的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn),在這個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)前后,沉降速率發(fā)生了很大變化,因此可以通過沉降歷時(shí)曲線上出現(xiàn)的拐點(diǎn)位置來判斷高填方工后沉降的穩(wěn)定時(shí)間,為后期高填方上部工程建設(shè)提供時(shí)間參考。同時(shí)拐點(diǎn)處的沉降速率也可以作為穩(wěn)定評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的參考值,這對類似工程的沉降穩(wěn)定時(shí)間的判斷及穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)的確定提供了一個(gè)新方法。

該黃土高填方填料含水率和壓實(shí)度控制在12%和0.93左右,按照本章分析結(jié)果,在不考慮地基蠕變的情況下,預(yù)測高填方工后沉降可達(dá)1.38 m,這比相同高度填方工程的現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果大,原因主要有以下2點(diǎn)。

1) 由于試驗(yàn)條件所限,本文擊實(shí)試驗(yàn)為輕型擊實(shí)試驗(yàn),因此蠕變試驗(yàn)以及通過試驗(yàn)所得的蠕變參數(shù)均以輕型擊實(shí)試驗(yàn)為基礎(chǔ),這和現(xiàn)場強(qiáng)夯施工結(jié)果有很大差距,一般的,重型擊實(shí)試驗(yàn)所得到的最大干密度為輕型擊實(shí)試驗(yàn)的1.05～1.08倍,也有甚至達(dá)到1.1倍。據(jù)此,本文數(shù)值計(jì)算填料干密度偏低,壓實(shí)度并未達(dá)到現(xiàn)場施工的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn),導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏大。

2) 黃土高填方面積大,填土性質(zhì)復(fù)雜,一般多為有鈣質(zhì)的雜填土,由于現(xiàn)場條件所致,本文試驗(yàn)黃土取自高填方接坡處一角,取土方量較小,且試驗(yàn)過程中對土樣進(jìn)行篩分,土樣遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到現(xiàn)場填土的強(qiáng)度,導(dǎo)致黃土固結(jié)蠕變試驗(yàn)所得變形參數(shù)偏小,數(shù)值計(jì)算所得的結(jié)果就比現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果大。

鑒于以上兩個(gè)主要原因,本文的數(shù)值計(jì)算結(jié)果較類似工程的實(shí)際監(jiān)測結(jié)果偏大。

4 結(jié) 論

本文通過試驗(yàn)研究了不同含水率及壓實(shí)度下黃土的蠕變變形,驗(yàn)證了Burger模型在描述壓實(shí)黃土應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系曲線上的適用性并得到壓實(shí)黃土蠕變參數(shù),運(yùn)用FLAC3D對西北某黃土高填方工后沉降進(jìn)行計(jì)算,得到以下主要結(jié)論:

1) 在軸向荷載加載瞬時(shí),壓實(shí)黃土試樣變形速率較大,隨著時(shí)間的推移,變形速率逐漸減小,并趨于穩(wěn)定,且其蠕變變形隨含水率的提高而增加,隨壓實(shí)度的提高而減小。

2) Burger蠕變模型能很好描述壓實(shí)黃土的應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系曲線。

3) 在飽和含水率范圍內(nèi),黃土高填方工后沉降隨填料含水率提高而增加,隨其壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)提高而降低,但對填料壓實(shí)度更加敏感,含水率每增加一個(gè)百分點(diǎn),高填方工后沉降增大3%～8%;壓實(shí)度每增大一個(gè)百分點(diǎn),高填方工后沉降減小5%～8%,黃土高填方工后沉降與填料含水率和壓實(shí)度間滿足線性關(guān)系。

4) 可以運(yùn)用蠕變模型計(jì)算高填方工后沉降,得到工后沉降歷時(shí)曲線,通過曲線拐點(diǎn)判斷高填方工后沉降穩(wěn)定時(shí)間。通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)本文黃土高填方在工后4年左右趨于穩(wěn)定,且含水率越高、壓實(shí)度越低,沉降穩(wěn)定時(shí)間越長。

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(責(zé)任編輯 李斌)

Numerical analysis of the post-construction settlement regularity of loess-high filled embankment based on creep test

GE Miaomiao1,LI Ning1,ZHENG Jianguo2,ZHU Caihui1,MA Xudong1

(1.Institute of Geotechnical Engineering, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China;2.China JK Institute of Engineering Investigation and Design, Xi’an 710043, China)

In order to study the post-construction settlement regularity of loess-high filled embankment, the author has conducted a series of uniaxial compression creep tests with compacted loess, analyzed the effect of the moisture content and compaction on creep properties of compacted loess. The applicability of Burger model on the relationship between strain and time of the compacted loess is verified. With this model as the constructive FLAC3D is used to calculate the settlement of post-construction of the loess high embankment. The results show that the deformation rate of the sample is larger at axial instant loading and as the time goes on, the deformation rate decreases and tends to be stable; with the moisture content the creep deformation of loess is increasing, the degree of compaction get lower with the improvement of compact degree. The post-construction settlement is more sensitive to the compaction standard of the loess. The post-construction settlement is a linear relation with moisture content and compaction degree within a certain range. The inflection point position on thevs-tcurve of high earth filling work post settlement can be used to estimate the stability time of the post-construction settlement. The lower of the compaction degree of filling materials, the higher moisture content of the filling materials will be, the more rear of the inflection point is, the longer of the post-construction settlement to stable will be.

compacted loess; consolidation creep test; creep curve; Burger model; numerical analysis; post-construction settlement

1006-4710(2015)03-0295-06

2015-03-05

國家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013BAJ06B02);國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51179153，51308456)。

葛苗苗,女,博士生,研究方向?yàn)閹r土工程數(shù)值仿真分析。E-mail:gemiaomiao163@163.com。

李寧,男,教授,博導(dǎo),研究方向?yàn)閹r體動(dòng)力學(xué)、凍土力學(xué)及隧洞邊坡穩(wěn)定性分析。 E-mail:ningli@xaut.edu.cn。

TV732.3

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