天津市濱海新區(qū)軟黏土蠕變試驗及長期強度研究

張紹慶

（天津市水務(wù)工程建設(shè)管理中心，天津　300204）

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天津市濱海新區(qū)軟黏土蠕變試驗及長期強度研究

張紹慶

（天津市水務(wù)工程建設(shè)管理中心，天津300204）

摘 要：天津市濱海新區(qū)由新近吹填的軟黏土組成。軟黏土含水率較高、滲透性差且壓縮性高，一般處于欠固結(jié)狀態(tài)，土體的變形隨時間變化明顯，具有蠕變性，在工程施工、運行期常常會發(fā)生較大的塑性流動變形，導(dǎo)致地基變形引發(fā)工程事故。針對天津市濱海地區(qū)軟黏土的蠕變特征，采用實驗室自制的加荷設(shè)備，進行了三軸不固結(jié)不排水蠕變室內(nèi)試驗，研究了軟黏土的蠕變特性。使用貫入儀測量軟黏土蠕變前后的強度，分析了蠕變對軟黏土強度的弱化作用。

關(guān)鍵詞：軟黏土；蠕變；試驗；長期強度；殘余強度；濱海新區(qū)

天津市濱海新區(qū)大部分由軟黏土組成，是近幾十年來吹填而成的。天津濱海軟黏土吹填土因沉積時間短含水率較高、滲透性差且壓縮性高，與其他沿海地區(qū)軟土有差別，沒有達到正常的固結(jié)狀態(tài)，在地基處理前常常處于欠固結(jié)狀態(tài)。天津市軟黏土吹填土的壓縮性及變形隨時間變化非常明顯，具有蠕變特性，在工程施工、運行期常常會發(fā)生較大的塑性流動變形，導(dǎo)致地基變形引發(fā)工程事故。

本文針對天津市濱海地區(qū)軟黏土的蠕變特征，采用自制加荷設(shè)備進行了三軸不固結(jié)不排水蠕變室內(nèi)試驗研究軟黏土的蠕變特性。使用貫入儀測量軟黏土蠕變前后的強度，分析了蠕變對軟黏土強度的弱化作用。

1　試驗土樣和方法

1.1試驗土樣

為全面分析天津濱海地區(qū)軟黏土的蠕變特性，選取的土樣需要有代表性。本文選取了天津濱海新區(qū)不同場地的原狀土樣，共進行了25組三軸蠕變室內(nèi)試驗。不同場地試驗土樣的物理性質(zhì)統(tǒng)計結(jié)果見表1，本文重點進行蠕變分析的3個土樣的基本物理性質(zhì)指標(biāo)見表2。

表1　不同場地土樣物理性質(zhì)統(tǒng)計

表2　代表性土樣基本物理性質(zhì)指標(biāo)

1.2試驗設(shè)備與方案

1.2.1試驗設(shè)備

（1）試驗儀器設(shè)備。室內(nèi)蠕變試驗需要儀器設(shè)備對土樣施加長時間恒定的偏壓力，而常規(guī)的三軸試驗儀難以施加恒定的偏壓力。因此，需要對三軸試驗儀進行改造，將砝碼放置于支架上，從而提供恒定壓力并以偏壓方式作用于土樣上，改造的設(shè)備如圖1所示。

（2）加壓系統(tǒng)。土樣的圍壓是通過空壓泵施加的，通過壓力室的內(nèi)水傳遞作用向土樣施加均布的圍壓，圍壓壓力的大小可由調(diào)壓閥調(diào)節(jié)。自制的施加恒定的豎向偏壓力的儀器設(shè)備如圖1所示，支架重心要求與壓力室的軸向加壓軸重合，通過在支架上施加砝碼來實現(xiàn)恒定的豎向偏壓力。以上荷載施加提供了蠕變的條件，即圍壓荷載不變的環(huán)境下提供恒定的豎向偏壓力。

圖1 改造的三軸蠕變剪切儀

1.2.2試驗方案

（1）加載方式。首先施加圍壓以使土樣固結(jié)，進行了圍壓為30和50 kPa的三軸試驗。然后針對每種圍壓，為避免試驗結(jié)果的離散性，采用分級施加偏壓的方式。施加恒定的偏壓后，觀察軸向變形情況，變形達到穩(wěn)定后再施加下一級荷載，直至土樣破壞。施加的分級荷載增量Δ(σ1-σ3)為7 kPa。

（2）數(shù)據(jù)采集。以施加偏應(yīng)力荷載開始時間為測量起始時間，開始時測得的是瞬時變形。然后在分級施加偏壓過程中，分別采集1 min、5 min、10 min、30 min、1 h、2 h、4 h、8 h、12 h、24 h、36 h、48 h的變形量，并實時分析每一段增量時間內(nèi)土樣的變形速率。當(dāng)觀測的增量時間段內(nèi)，土樣的變形速率逐步減小并趨于一個很小的相對穩(wěn)定值，此階段稱為蠕變衰減階段I；當(dāng)發(fā)現(xiàn)土樣的變形速率有逐漸增大現(xiàn)象，則需要減少采集數(shù)據(jù)的時間間隔，因該階段可能是土樣由等速蠕變階段II向加速蠕變階段III的過渡，需要更小的數(shù)據(jù)采集間隔才能分析出2個階段的分界點。

（3）變形穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)。12 h內(nèi)土樣的變形小于0.005 mm。

（4）破壞標(biāo)準(zhǔn)。因為天津濱海地區(qū)的軟黏土含水率較高，破壞時沒有一般軟黏土具有的典型脆性剪切破壞帶，故在蠕變試驗中當(dāng)測量得到的軸向變形達到土樣高度的15%時則可判定土樣破壞。

2　試驗結(jié)果及分析

采用陳宗基教授提出的陳氏法進行蠕變試驗數(shù)據(jù)的處理與分析，得到天津濱海地區(qū)軟黏土的蠕變特性。3個典型場地蠕變特性分析結(jié)果如下：

（1）應(yīng)變-時間分析。3個典型土樣的應(yīng)變-時間關(guān)系，如圖2—4所示。從圖2—4可以看出，蠕變變形隨著應(yīng)力的增加而增大。在低應(yīng)力情況(τ<τs1)下，土樣變形相比瞬時變形沒有顯著增加，并且變形達到穩(wěn)定經(jīng)歷的時間較短，基本上是小于3 h的。在低應(yīng)力水平，蠕變曲線表現(xiàn)為蠕變衰減穩(wěn)定階段，土樣變形隨時間緩慢增長并趨于穩(wěn)定，最終變形為一定值，為最終的變形量。在高應(yīng)力情況下，流動性強度快速降低、變形迅速增大導(dǎo)致土樣破壞。當(dāng)應(yīng)力τ≥τs1時，蠕變曲線出現(xiàn)明顯的穩(wěn)定流動階段（γ?=常數(shù)） ；當(dāng)應(yīng)力τ≥τs2時，蠕變曲線進入急劇流動階段，變形迅速增加，試樣在極短時間內(nèi)發(fā)生破壞。

圖2　NO.16圍壓30 kPa下應(yīng)變-時間關(guān)系

圖3　NO.19圍壓50 kPa下應(yīng)變-時間關(guān)系

圖4　NO.23圍壓50 kPa下應(yīng)變-時間關(guān)系

（2）應(yīng)變-時間雙對數(shù)關(guān)系分析，如圖5—7所示。從圖5—7可以看出，經(jīng)過對數(shù)處理后，應(yīng)變和時間的雙對數(shù)關(guān)系曲線具有明顯的線性關(guān)系。不同偏壓力的關(guān)系曲線基本上是相互平行的，只有在接近破壞時，應(yīng)變有明顯增加。

圖5　NO.16圍壓30 kPa下應(yīng)變-時間雙對數(shù)關(guān)系

圖6　NO.19圍壓50 kPa下應(yīng)變-時間雙對數(shù)關(guān)系

圖7　NO.23圍壓50 kPa下應(yīng)變-時間雙對數(shù)關(guān)系

（3）應(yīng)變速率對數(shù)-應(yīng)變關(guān)系分析，如圖8—10所示。從圖8—10可以看出，應(yīng)變速率對數(shù)-應(yīng)變關(guān)系曲線為有輕微弧度的曲線。當(dāng)偏應(yīng)力較小時，曲線可近似為直線，曲線的弧度很小。但當(dāng)偏應(yīng)力增大到一定程度后，曲線弧度有所增加，特別是當(dāng)土體接近破壞時，曲線弧度較大，具有明顯的非線性關(guān)系。

圖8　NO.16圍壓30 kPa下應(yīng)變速率-應(yīng)變關(guān)系

圖9　NO.19圍壓50 kPa下應(yīng)變速率-應(yīng)變關(guān)系

圖10　NO.23圍壓50 kPa下應(yīng)變速率-應(yīng)變關(guān)系

（4）應(yīng)變速率-時間雙對數(shù)關(guān)系分析，如圖11—13所示。從圖11—13可以看出，在土體未破壞之前，應(yīng)變速率的對數(shù)與時間的對數(shù)呈線性關(guān)系，應(yīng)變速率的對數(shù)值隨時間對數(shù)逐漸減小，并且在相同的圍壓條件下，不同偏壓力的應(yīng)變速率-時間雙對數(shù)關(guān)系曲線是平行的，應(yīng)變速率的對數(shù)值隨時間對數(shù)的減小速率與偏壓力無關(guān)。當(dāng)施加應(yīng)力達到破壞應(yīng)力時，該關(guān)系曲線向時間對數(shù)軸彎曲甚至出現(xiàn)拐點，土樣破壞。由此可見，巖土工程中關(guān)心的應(yīng)力值范圍，應(yīng)變速率對數(shù)和時間對數(shù)呈線性關(guān)系，從而可以據(jù)此建立經(jīng)驗本構(gòu)關(guān)系。

圖11　NO.16圍壓30 kPa下應(yīng)變速率-時間雙對數(shù)關(guān)系

圖12　NO.19圍壓50 kPa下應(yīng)變速率-時間雙對數(shù)關(guān)系

（5）應(yīng)變速率對數(shù)-偏應(yīng)力關(guān)系分析，如圖14—16所示。從圖14—16可以看出，應(yīng)變速率對數(shù)值與偏應(yīng)力呈線性關(guān)系，并且相同圍壓下各曲線為平行曲線。不同圍壓下應(yīng)變速率對數(shù)值與偏應(yīng)力關(guān)系曲線斜率不相同，圍壓越大，曲線斜率越小，即曲線坡度越緩。

圖13　NO.23圍壓50 kPa下應(yīng)變速率-時間雙對數(shù)關(guān)系

圖14　NO.16圍壓30 kPa下應(yīng)變速率對數(shù)-偏應(yīng)力關(guān)系

圖15　NO.19圍壓50 kPa下應(yīng)變速率對數(shù)-偏應(yīng)力關(guān)系

圖16　NO.23圍壓50 kPa下應(yīng)變速率對數(shù)-偏應(yīng)力關(guān)系

（6）偏應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系分析，如圖17—19所示。從圖17—19可以看出，偏應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系曲線存在著明顯的拐點，從拐點處開始土體進入黏塑性變形，拐點處對應(yīng)的應(yīng)力值就是軟黏土開始發(fā)生塑性流動變形的強度σs。當(dāng)偏應(yīng)力小于σs時，應(yīng)變隨著偏應(yīng)力增加是線性關(guān)系，體現(xiàn)了彈性階段的性質(zhì)。當(dāng)偏應(yīng)力大于σs后，軟黏土呈現(xiàn)顯著的流動性，從關(guān)系曲線上看曲線向變形軸偏移，變形增大，即蠕變使得土體的強度弱化。

圖17NO.16圍壓30 kPa下偏應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

圖18　NO.19圍壓50 kPa下偏應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

圖19　NO.23圍壓50 kPa下偏應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

3　蠕變性土的長期強度試驗

天津濱海地區(qū)軟黏土是新近吹填而成的，一般處于欠固結(jié)狀態(tài)，含水率較高、滲透性差并且壓縮性高，其強度會隨著時間而降低。因此，在工程設(shè)計、施工及運行中，天津濱海新區(qū)軟黏土穩(wěn)定性計算分析不能直接采用軟黏土蠕變之前的強度，而應(yīng)該考慮因蠕變降低之后的強度。事實上，天津濱海新區(qū)很多軟黏土地基在施工期所受的剪應(yīng)力一般低于不排水強度，這時地基不會發(fā)生破壞，但經(jīng)過長時間運行，很多結(jié)構(gòu)因為地基的流動變形而發(fā)生了破壞，這些事實也證明了蠕變對土體強度具有明顯的弱化作用。這里，使用貫入儀測量軟黏土蠕變前后的強度，分析了蠕變對軟黏土強度的弱化作用。

3.1長期強度極限和殘余強度概念

在軟黏土的設(shè)計、施工和運行初期的穩(wěn)定分析中，一般采用的強度值是軟黏土的短期強度，是通過在常規(guī)抗剪試驗中使土樣在規(guī)定的短時間內(nèi)破壞所對應(yīng)的強度值。若通過長期施加恒定的偏壓力進行長達數(shù)月的試驗，其抗剪強度會隨著試驗歷時而降低，最終土體發(fā)生破壞時對應(yīng)的強度就是土體的長期抗剪強度τ∞。土體發(fā)生破壞后，土體的強度并沒有完全消除，而是有殘余下來的強度，也就是殘余強度。長期強度τ∞是土體未破壞之前的極限強度值，既有摩擦力也有黏聚力；而殘余強度由于土體遭受了剪切破壞，黏聚力已經(jīng)消失，只剩下摩擦力。一般而言，土體的長期強度τ∞大于殘余強度。如果軟黏土承受的偏壓力小于等于長期強度τ∞，則可判定軟黏土永遠不會剪切破壞。

3.2長期強度極限值的測定方法

要測量土體的長期強度極限值，首先要用1.2節(jié)的方法進行蠕變試驗，采用單一土樣，在恒定圍壓下分級施加偏壓力，獲得不同偏應(yīng)力下土體變形隨時間的變化情況，繪制出不同時刻土體的偏應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，如圖20所示，也就是等時曲線。從圖20可以看出，各個時刻的偏應(yīng)力與應(yīng)變曲線都有一個拐點，可以連成一條直線MN。在拐點之后，隨著應(yīng)力的增加，變形逐漸增加，等時曲線逐漸向應(yīng)變軸靠攏，接近但不會超過MN線，則MN線相當(dāng)于t→∞時等時曲線的漸近線，其對應(yīng)的應(yīng)力即為土體的長期強度極限值τ∞。

因本方法需要繪制光滑的等時曲線以便發(fā)現(xiàn)拐點，所以分級施加的偏壓力組數(shù)不能太少，不得少于4組，否則會導(dǎo)致等時曲線的應(yīng)力應(yīng)變點過少，致使拐點判斷失誤，無法反映真實的土體力學(xué)性質(zhì)。

圖20　偏應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

本方法采用單一土樣試驗，采集的數(shù)據(jù)離散性小，可操作性強，因為不需要出現(xiàn)完整的蠕變?nèi)A段，試驗時間也較短，故應(yīng)用廣泛。

3.3長期強度計算

進行不同圍壓下的蠕變試驗，采用3.2節(jié)的方法可計算出不同圍壓σ3下軟黏土的長期強度極限值τ∞，從而繪制出長期強度τ∞與圍壓σ3的關(guān)系曲線圖，其關(guān)系可以表達為如下形式：

對本文獲得的數(shù)據(jù)進行線性擬合，可得c∞=1.2 kPa、φ∞=15.01，如圖21所示。

圖21　軟黏土的長期強度與圍壓關(guān)系

利用式（1），可計算軟黏土不同圍壓下的長期強度極限值。

從圖21可見，天津濱海新區(qū)的軟黏土的長期強度τ∞與圍壓σ3呈線性關(guān)系，圍壓越大，長期強度極限也越大。而在濱海新區(qū)吹填土施工中，吹填土的厚度一般在10 m以上，因為土層相當(dāng)均勻，土體的液限、塑限和天然含水率等隨深度變化很小，而深度變化導(dǎo)致圍壓增大，故濱海新區(qū)軟黏土的長期強度隨深度而增加。

3.4殘余強度計算

軟黏土經(jīng)過大變形的破壞后，破壞了軟黏土的黏聚力，使得土體變成一種強度不變的摩擦流體，也就是只剩下了殘余強度。因此，確定軟黏土的殘余強度的關(guān)鍵在于土體內(nèi)殘余的內(nèi)摩擦角分析。最常用的方法是將圖21的長期強度-圍壓曲線平移到通過原點作為殘余強度與圍壓的關(guān)系曲線，則殘余強度τr可用下式計算：

式中：φr為殘余內(nèi)摩擦角（°），可近似用φ∞計算。

4　結(jié)論

本文采用改造過的三軸儀，可以對土樣施加恒定的豎向偏壓力，從而對天津市濱海新區(qū)的軟黏土進行了蠕變試驗，得到了軟黏土應(yīng)力、應(yīng)變及時間的相互關(guān)系圖，分析了其蠕變特性。在蠕變試驗的基礎(chǔ)上，繪制了不同圍壓下的偏應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系曲線，分析計算了天津濱海新區(qū)軟黏土的長期強度與殘余強度，量化了蠕變對軟黏土強度的弱化作用。試驗結(jié)果可用于評價天津濱海地區(qū)軟黏土的長期穩(wěn)定性，對于建立在蠕變性顯著的軟黏土地基上的建筑物或構(gòu)筑物采用長期強度特性進行工程設(shè)計及施工，可增大工程安全系數(shù)和強度儲備。

參考文獻

［1］于新豹，劉松玉，繆林昌.連云港軟土蠕變特性及其工程應(yīng)用［J］.巖土力學(xué)，2003，24（6）：1001-1006.

［2］譚萬鵬，鄭穎人，王凱.考慮蠕變特性的滑坡穩(wěn)定狀態(tài)分析研究［J］.巖土工程學(xué)報，2010，32（增刊2）：5-8.

［3］李越松，趙沖久，趙利平，等.天津港岸坡土體蠕變對高樁碼頭的影響［J］.中國港灣建設(shè)，2009（4）：5-8.

［4］李軍世，孫鈞.上海淤泥質(zhì)黏土的Mesri蠕變模型［J］.土木工程學(xué)報，2001，34（6）：74-79.

［5］王常明，王清，張淑華.濱海軟土蠕變特性及蠕變模型［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2004，23（2）：227-230.

［6］周秋娟，陳曉平.軟土蠕變特性試驗研究［J］.巖土工程學(xué)報，2006，28（5）：626-630.

［7］YIN Zhen-Yu，CHANG Ching S，MINNA Karstunen，et al. Ananisotropic elastic-viscoplastic model for soft clays［J］.In?ternational Journal of Solids and Structures，ASCE，2010，47 （5）：665-677.

［8］BENJAMIN Friedrich Schlue，STEFAN Kreiter，TOBIASMo?erz.Time-dependent deformation of dredged harbor mudused as backfilling material［J］.Journal of Waterway，Port，Coast?al，and Ocean Engineering，2009，135（4）：154-163.

中圖分類號：TV223.2

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-7328（2016）03-0051-06

DOI：10.3969/j.issn.1004-7328.2016.03.017

收稿日期：2016—03—20

作者簡介：張紹慶（1964—），男，高級工程師，主要從事水利工程建設(shè)管理工作。