非飽和重塑黃土三軸蠕變試驗(yàn)研究

楊春景，張　迪

(黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院 水利工程學(xué)院， 河南 開封　475004)

非飽和重塑黃土三軸蠕變試驗(yàn)研究

楊春景，張迪

(黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院 水利工程學(xué)院， 河南 開封475004)

摘要：為研究陜西咸陽扶風(fēng)地區(qū)黃土邊坡的穩(wěn)定性，利用SR-60型雙聯(lián)三軸蠕變儀針對非飽和重塑黃土進(jìn)行了三軸固結(jié)排水蠕變試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：試樣含水率、固結(jié)圍壓和偏應(yīng)力水平對蠕變變形具有明顯的影響。表現(xiàn)為：當(dāng)含水率較大、固結(jié)圍壓較小時(shí)，蠕變變形量大，蠕變現(xiàn)象明顯；當(dāng)其他條件一定時(shí)，在偏應(yīng)力水平較大條件下，試樣變形大，蠕變現(xiàn)象明顯。在數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上建立了經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并與Singh-Mitchell和Mesri模型對比后發(fā)現(xiàn)，新模型具有精度高、參數(shù)少且參數(shù)容易獲得等優(yōu)點(diǎn)，能較好地模擬該地區(qū)黃土蠕變過程。

關(guān)鍵詞：非飽和重塑黃土；三軸蠕變試驗(yàn)；經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?；模型對比；含水率；固結(jié)圍壓；偏應(yīng)力水平

1研究背景

黃土廣泛分布于我國西北地區(qū)，黃土蠕變問題也成為西部大開發(fā)過程中巖土工程最典型的問題之一，因此研究黃土具有重要的意義。因其特殊的結(jié)構(gòu)性和水敏感性，由黃土蠕變引起的地質(zhì)災(zāi)害包括地基沉降，以及由此引發(fā)的建筑物變形破壞、邊坡滑坡等災(zāi)害，嚴(yán)重威脅到人民的生命財(cái)產(chǎn)安全[1]。

土的蠕變是指在某一應(yīng)力持續(xù)作用下，變形隨時(shí)間增長的過程，是土體流變特性的一種表現(xiàn)形式。謝定義[2]認(rèn)為隨著人們對建筑物耐久性能的日益重視，土力學(xué)中對流變特性的研究必將比以往更加深入。近年來，國內(nèi)外專家學(xué)者通過對黃土蠕變開展的大量研究[3-7]發(fā)現(xiàn)，對黃土蠕變特性的研究不僅能完善蠕變理論，而且可以查明影響蠕變的因素并通過相應(yīng)的工程措施治理和預(yù)防因蠕變引起的工程問題。

土的蠕變性質(zhì)研究中，三軸蠕變試驗(yàn)作為常見的室內(nèi)蠕變試驗(yàn)，試驗(yàn)規(guī)范、操作成熟，且能準(zhǔn)確獲取蠕變曲線和蠕變特征參數(shù)，更接近工程實(shí)際，對于研究蠕變特性是一種較為有效的試驗(yàn)方法[8-9]。本文采用陜西省咸陽地區(qū)非飽和重塑黃土試樣做三軸蠕變試驗(yàn)，分析了含水率、固結(jié)圍壓及偏應(yīng)力水平對黃土蠕變特性的影響。同時(shí)，在分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合前人對蠕變模型的研究[10-13]，建立了黃土蠕變經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并與Singh-Mitchell和Mesri模型進(jìn)行對比。

2試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方案

試驗(yàn)土樣為陜西省咸陽市扶風(fēng)縣某磚窯廠邊坡黃土，取土深度3.0～4.0m，天然干密度1.27g/cm3，天然含水率16.9%，孔隙比1.14，屬Q(mào)3黃土。經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)得到最大干密度為1.68g/cm3。試樣基本物理指標(biāo)見表1。

試驗(yàn)采用圓柱樣，底面積30cm2，高12.5cm。試樣為非飽和重塑樣，由所取黃土風(fēng)干、碾碎、過篩后壓制而成，控制試樣干密度1.51g/cm3(壓實(shí)度90%)。采用水膜轉(zhuǎn)移法控制目標(biāo)含水率分別為10%，15%，20%，25%，30%，并靜置于保濕缸中48h以上，保證試樣內(nèi)水分均勻分布。試驗(yàn)采用固結(jié)排水方式，利用SR-60型雙聯(lián)三軸蠕變儀進(jìn)行試驗(yàn)，且實(shí)驗(yàn)室內(nèi)裝有溫度計(jì)，確保試驗(yàn)在(20±1)℃內(nèi)進(jìn)行。

蠕變試驗(yàn)在3個(gè)圍壓水平(50，100，150kPa)下進(jìn)行。偏應(yīng)力在法向進(jìn)行加壓，采用分級(jí)加載方式，根據(jù)三軸固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)確定的抗剪強(qiáng)度分4級(jí)施加。每級(jí)荷載施加待試樣變形穩(wěn)定后再進(jìn)行下一級(jí)加載，穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)以變形<0.01mm/d為準(zhǔn)，三軸蠕變試驗(yàn)方案如表2所示。為抵消壓力室內(nèi)的圍壓對軸向力傳動(dòng)軸的反壓，同時(shí)保證試樣與傳動(dòng)軸接觸完好，試驗(yàn)前應(yīng)對壓力室作不同圍壓條件下進(jìn)行標(biāo)定，施加相應(yīng)數(shù)量的平衡砝碼。

表1　黃土物理指標(biāo)

表2　三軸蠕變試驗(yàn)方案

3試驗(yàn)結(jié)果與分析

本文利用Boltzmann疊加原理對分級(jí)加載方式所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析不同含水率、固結(jié)圍壓和偏應(yīng)力水平條件下黃土三軸蠕變特性，具體見圖1。

圖1　各級(jí)偏應(yīng)力條件、不同含水率和不同圍壓下的應(yīng)變歷時(shí)曲線Fig.1　Strain vs. time curves under different deviatoricstresses，water contents and confining pressures，respectively

由圖1(a)可知，在偏應(yīng)力水平較低時(shí)，試樣變形至蠕變穩(wěn)定所需時(shí)間比在偏應(yīng)力水平較高時(shí)所需時(shí)間要長。分析可得，在偏應(yīng)力較小時(shí)，由偏應(yīng)力引起的剪切應(yīng)力低于試樣內(nèi)部初始結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，黃土試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)調(diào)整較快，試樣能在短時(shí)間內(nèi)變形穩(wěn)定，蠕變現(xiàn)象也不明顯。隨著偏應(yīng)力的增大，結(jié)構(gòu)調(diào)整較慢，變形量增大，蠕變現(xiàn)象愈明顯。當(dāng)偏應(yīng)力達(dá)到一定水平時(shí)，試樣可發(fā)生蠕變破壞。

由圖1(b)可知，除偶然發(fā)生試樣變形突然增大外，在其他條件一定時(shí)，表現(xiàn)為蠕變變形量隨著試樣含水率的增大而增大。在黃土工程中，一般認(rèn)為含水率是一種廣義的力[14]。根據(jù)土體顆粒雙電子層理論，土體顆粒之間的連接力與土粒表面的擴(kuò)散膜厚度有關(guān)。當(dāng)含水率較高時(shí)，擴(kuò)散膜厚度較大，顆粒之間的靜電吸力弱，顆粒易發(fā)生滑移和錯(cuò)位現(xiàn)象，表現(xiàn)為試樣蠕變變形量大。

由圖1(c)可知，先期固結(jié)圍壓對后期蠕變變形影響顯著。當(dāng)其他條件固定時(shí)，固結(jié)圍壓大時(shí)后期蠕變不明顯，符合實(shí)際工程情況。從重塑土樣強(qiáng)度組成分析，在高圍壓固結(jié)條件下，顆?；蝾w粒簇在外力作用下重新完成排列組合，且相對緊密，顆粒之間的相互咬合和嵌擠作用增強(qiáng)，表現(xiàn)為土樣強(qiáng)度相對較大，則后期蠕變變形量較小。

4蠕變經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒⑴c對比

4.1模型提出

以含水率w=20%，固結(jié)圍壓σ3=150kPa的蠕變結(jié)果為例，提出三軸蠕變模型，蠕變等時(shí)曲線，如圖2所示。由應(yīng)變歷時(shí)曲線(圖1(a))和應(yīng)力應(yīng)變等時(shí)曲線(圖2)擬合分析發(fā)現(xiàn)，采用雙曲線函數(shù)和冪函數(shù)分別模擬應(yīng)變歷時(shí)曲線和應(yīng)力應(yīng)變曲線具有較高的精度。擬合得出蠕變模型表達(dá)式為

(1)

式中：p為偏應(yīng)力水平(kPa)；t為蠕變歷時(shí)(min)；a,b,n為模型參數(shù)。

圖2　應(yīng)力-應(yīng)變等時(shí)曲線

4.2模型參數(shù)確定

根據(jù)何利軍等[15]建立模型參數(shù)的處理方法可知，當(dāng)t=∞時(shí)，有ε∞=(a/b)pn；當(dāng)t=0時(shí)，有ε0=apn=bε∞，即b=ε0/ε∞。統(tǒng)計(jì)所有含水率、固結(jié)圍壓下的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，b值在一個(gè)固定值附近浮動(dòng)，最終采用平均值表示。在w=20%， σ3=150kPa條件下，取b=0.594。

當(dāng)t=0時(shí)，得ε0=apn，換算有l(wèi)nε0=lna+nlnp，由此可得，lna和n分別為擬合曲線lnε0-lnp的截距和斜率。如圖3所示，有n=1.018 9，lna=-5.223 9，即a=0.005 4。整理得

ε=0.005 4p1.018 9(1+t)/(1+0.594t) 。

(2)

圖3　lnε0-lnp關(guān)系曲線

4.3模型驗(yàn)證

用模型對蠕變試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，擬合結(jié)果如圖4所示。

圖4　本文模型模擬值與試驗(yàn)值對比Fig.4　Comparison of simulated results andmeasured results

從圖4中可以看出，在蠕變初始時(shí)刻存在擬合值略有偏大的情況，隨著時(shí)間推移，擬合值與試驗(yàn)值之間的差距減小，后期變化趨勢基本一致。綜合新模型對其他條件下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合效果，結(jié)果表明，建立的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯δM該地區(qū)黃土三軸蠕變具有較高的精度。

4.4模型對比

描述土體蠕變特性的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?，有Singh-Mitchell和Mesri模型被廣泛利用[16-18]。其中Singh-Mitchell模型表達(dá)式為

(3)

Singh-Mitchell模型能較好地描述偏應(yīng)力水平在20%～80%之間的應(yīng)力-應(yīng)變-歷時(shí)規(guī)律，但對其修正后的Mesri模型不受此限制，對所有應(yīng)力水平下的蠕變特性具有較高的模擬精度[16]。Mesri模型表達(dá)式為

(4)

對w=20 %，σ3=150kPa的蠕變數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗(yàn)證，對比結(jié)果如圖5。

圖5　不同偏應(yīng)力條件下Singh-Mitchell,Mesrii和本文模型模擬值與試驗(yàn)值對比Fig.5　Comparison of test results and simulated results indifferent models under different deviatoric stresses

從圖中可以看出，采用Singh-Mitchell和Mesri模型在2種偏應(yīng)力條件下的擬合曲線與實(shí)際試驗(yàn)曲線差異較大，且差值呈逐漸增大的趨勢。筆者建立的新模型在蠕變初期模擬效果不明顯，但隨著時(shí)間推移，后期對蠕變變形量的擬合值與實(shí)際值越來越接近，且趨勢吻合，表明新模型對黃土體長期蠕變現(xiàn)象具有較高的模擬精度。在模擬過程中可發(fā)現(xiàn)，新模型具有參數(shù)相對較少，且參數(shù)容易獲取等優(yōu)點(diǎn)。

5結(jié)論

(1) 采用固結(jié)排水方式的三軸蠕變試驗(yàn)表明，黃土試樣含水率，固結(jié)圍壓對蠕變變形有顯著影響，表現(xiàn)為試樣在高含水率，低圍壓下的蠕變變形量大，蠕變達(dá)到穩(wěn)定所需時(shí)間相對較長。

(2) 偏應(yīng)力水平也是影響試樣蠕變變化的重大因素。偏應(yīng)力水平較大時(shí)，蠕變變形量大。當(dāng)偏應(yīng)力達(dá)到一定大小時(shí)，試樣可發(fā)生蠕變破壞。

(3) 基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立蠕變經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停⑴cSingh-Mitchell和Mesri模型進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，新模型對于該地區(qū)黃土長期變形的擬合不僅精度較高，后期變化趨勢與實(shí)際值吻合，且模型參數(shù)少，參數(shù)易獲得。

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(編輯：陳敏)

Triaxial Creep Tests of Unsaturated Remoulded Loess

YANGChun-jing,ZHANGDi

(DepartmentofWaterConservancy,YellowRiverConservancyTechnicalInstitute,Kaifeng475004,China)

Abstract:To investigate the stability of loess slope in Fufeng district of Shaanxi province, we carried out drained triaxial creep tests of unsaturated remoulded loess by SR-60, a traixial creep instrument. Test results show that the creep characteristics of loess is obviously influenced by water content, confining pressure and consolidation pressure. The creep strain grows much bigger, and the creep phenomenon is quite obvious when the water content is higher and confining pressure is lower. Meanwhile, with other condition invariable, the creep strain increases with the growing of consolidation pressure. On the basis of analyzing test data, we proposed an empirical creep model and compared it with Singh-Mitchell model and Mesri model. The comparison reveals that the model is of high accuracy and easy-obtained parameters in simulating the creep characteristics of loess.

Key words:unsaturated remoulded loess; triaxial creep; empirical creep model; models comparison ; water content; consolidation confining pressure; deviatoric stress

收稿日期：2015-05-27 ；修回日期： 2015-07-14

作者簡介：楊春景(1981-)，男，河北唐山人，講師，碩士，研究方向?yàn)樗そY(jié)構(gòu)、水利水電工程、力學(xué)及材料科學(xué)，(電話)15937870781(電子信箱)yangchunjing100@163.com。

doi:10.11988/ckyyb.20150447

中圖分類號(hào)：TU444

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-5485(2016)06-0075-04

2016,33(06):75-78