考慮孔隙變化影響的土體壓縮特性試驗(yàn)研究

王興陳

摘要：為實(shí)現(xiàn)不同擾動(dòng)條件下原位土壓縮特性的模擬，文章基于結(jié)構(gòu)性破損壓縮模型，提出孔隙相對(duì)變化指數(shù)E，研究土體孔隙變化壓縮特性的影響，通過對(duì)不同擾動(dòng)狀態(tài)下的原狀軟土進(jìn)行固結(jié)試驗(yàn)，分別建立E_v與土體結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力及結(jié)構(gòu)破損指數(shù)6的相關(guān)關(guān)系，從而提出基于室內(nèi)壓縮試驗(yàn)結(jié)果預(yù)測(cè)原位壓縮特性的方法。結(jié)合相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，驗(yàn)證了該方法的可行性。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)性軟土；孔隙相對(duì)變化指數(shù)；壓縮特性；結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力；結(jié)構(gòu)性破損指數(shù)

原狀土的壓縮特性并不能準(zhǔn)確反映在室內(nèi)土體壓縮試驗(yàn)中，但可以通過室內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)行預(yù)測(cè)。劉維正等選用結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力和結(jié)構(gòu)破損指數(shù)6表征土體壓縮性狀；S.Horpibulsuk等、T.S.Nagaraj等研究結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力sy與原位不排水強(qiáng)度su的相關(guān)關(guān)系，提出原位壓縮曲線的預(yù)測(cè)方法。前人僅建立擾動(dòng)指標(biāo)與土體屈服應(yīng)力的相關(guān)關(guān)系。事實(shí)上，擾動(dòng)狀態(tài)下，物性變化不僅影響結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力，還與結(jié)構(gòu)破損有關(guān)，要研究通過室內(nèi)試驗(yàn)預(yù)測(cè)原位土體壓縮性狀的方法，必然要考慮物性變化對(duì)土體結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力的變化，以及結(jié)構(gòu)破損的演化規(guī)律。

本文提出物性變化參數(shù)：孔隙相對(duì)變化指數(shù)E_v，研究其對(duì)土體壓縮性狀的影響，建立其與土體結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力及結(jié)構(gòu)破損指數(shù)b的對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而提出通過室內(nèi)壓縮試驗(yàn)預(yù)測(cè)原位壓縮特性的新方法。

1.原狀土的壓縮特性

原狀土的壓縮特性關(guān)系如圖1所示。重塑土的壓縮曲線（e-log）是一條直線，原狀土的壓縮曲線分為三個(gè)階段。平緩階段：當(dāng)壓力小于結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力時(shí)，曲線近似是一條直線，e=eo；陡降階段：當(dāng)大于時(shí)，土的結(jié)構(gòu)破壞，孔隙比減?。悔呁A段：當(dāng)壓力繼續(xù)增大到某一特征值時(shí)，重塑土和原狀土的孔隙比差值將趨于常數(shù)，為土結(jié)構(gòu)引起的剩余孔隙比evsr。

由圖1可知，原狀土的孔隙比可以下式表示：

e=e_R+e_s（1）

式中，e是原狀土的孔隙比，e_r是相同壓力下重塑土的孔隙比，e_s是土結(jié)構(gòu)性引起的額外孔隙比。

Liu，Carter等人對(duì)不同軟土進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)>時(shí)，土體結(jié)構(gòu)引起的額外孔隙比es與（）b成反比，其中b為結(jié)構(gòu)破損指數(shù)，描述結(jié)構(gòu)性對(duì)孔隙比的影響程度，取值由土的種類和狀態(tài)決定。

圖1可知，垂直應(yīng)力遠(yuǎn)超過屈服應(yīng)力，軟土依然存在剩余孔隙比e_sr，可以發(fā)現(xiàn)額外孔隙比e_s將滿足下式：

es=esy（/）b+esr（2）

其中，esy是對(duì)應(yīng)于屈服應(yīng)力時(shí)的額外孔隙比。

Horpibulsuk等提出曼谷原狀土壓縮曲線表達(dá)式如下：

<時(shí)，e=e_o （3）

>時(shí)，e=eR+esy（/）b+esr （4）

>>時(shí)，e=e_r+e_sr （5）

當(dāng)壓力=時(shí)，上式滿足：

e=e_ry+e_sy+e_sr

（6）

其中，Horpibulsuk通過實(shí)驗(yàn)得出曼谷土結(jié)構(gòu)破損指數(shù)b=1，而原位屈服應(yīng)力syf由下式確定：

=3.78S.+7 （7）

S_u為現(xiàn)場(chǎng)十字板不排水強(qiáng)度，單位為kPa。

2.孔隙相對(duì)變化指數(shù)E_v

本文借鑒Z.Hong等對(duì)擾動(dòng)度定義的思路，提出孔隙相對(duì)變化指數(shù)E_v，定義如下式所示：

Ev=x100% （8）

式中，表示有效上覆應(yīng)力為時(shí)擾動(dòng)土的孔隙比，evr表示有效上覆應(yīng)力為時(shí)重塑土的孔隙比。如圖2所示。

由式（8）可知，土體原位完整狀態(tài)時(shí)，esvO基本與eO相同，此時(shí)，Ev=0；而當(dāng)原位完整狀態(tài)趨于重塑狀態(tài)時(shí)，基本與evr相同，此時(shí)，Ev=1。

參數(shù)的各個(gè)指標(biāo)可由原狀土和重塑土的壓縮曲線求得。

3.試驗(yàn)過程及結(jié)果分析

土樣物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

3.1不同初始振動(dòng)的固結(jié)試驗(yàn)

通過振動(dòng)試驗(yàn)?zāi)M不同擾動(dòng)條件對(duì)土體壓縮特性的影響。進(jìn)行6組時(shí)長(zhǎng)為0，20，40，60，80，100min的振動(dòng)試驗(yàn)。振動(dòng)結(jié)束后立即取樣進(jìn)行固結(jié)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示：

3.2試驗(yàn)結(jié)果分析

圖3中可以發(fā)現(xiàn)，振動(dòng)時(shí)間變長(zhǎng)，相同豎向應(yīng)力狀態(tài)下土體的孔隙比不斷變小。

由式（8）可計(jì)算出不同振動(dòng)時(shí)間下孔隙相對(duì)變化指數(shù)大小，其關(guān)系如圖4所示。

由式（12）可知，隨著Ev增加，對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)破損指數(shù)線性減小，因此，建議由下式確定原位土體結(jié)構(gòu)破損指數(shù)：

（13）

式中，為原位土體結(jié)構(gòu)破損指數(shù)，為重塑土體結(jié)構(gòu)破損指數(shù)。

根據(jù)結(jié)構(gòu)破損指數(shù)的定義，重塑土體結(jié)構(gòu)破損指數(shù)趨向于零，如圖5所示。

則式（13）可轉(zhuǎn)化為：

（14）

4.原位壓縮曲線的預(yù)測(cè)方法

本文基于Horpibulsuk等曼谷粘土壓縮曲線預(yù)測(cè)方法，提出通過室內(nèi)壓縮試驗(yàn)預(yù)測(cè)原狀土壓縮曲線的新方法：

（1）試驗(yàn)測(cè)出重塑土壓縮曲線、e_o及，并用e_o畫出平緩階段的壓縮曲線；

（2）實(shí)驗(yàn)得出任一擾動(dòng)條件下的壓縮曲線，確定對(duì)應(yīng)的及b，由式（8）計(jì)算出，由式（11）、式（14）分別計(jì)算出對(duì)應(yīng)原狀土的及bf。

（3）取=1000kPa時(shí)對(duì)應(yīng)的孔隙比差值為esr。過屈服應(yīng)力點(diǎn)（，eO）及特征點(diǎn)（）畫曲線eS=esy（/）bf+esr。

（4）>>時(shí)，e=eR+esr

5.試驗(yàn)分析與驗(yàn)證

選取t=0min的室內(nèi)土樣驗(yàn)證預(yù)測(cè)。首先確定出原位狀態(tài)e0=1.345，=53.5kPa，=68.3kPa，根據(jù)式（4）計(jì)算室內(nèi)擾動(dòng)土結(jié)構(gòu)破損指數(shù)b=1.11，根據(jù)式（8）計(jì)算此擾動(dòng)條件下Ev=7.5%，并由式（11）和式（14）分別計(jì)算出原狀土原位狀態(tài)下=73.8kPa，bf=1.2，即可預(yù)測(cè)出原位土壓縮曲線，如圖6所示。

6.結(jié)語

借鑒Hong擾動(dòng)度定義的思路，提出孔隙相對(duì)變化指數(shù)，研究其與土體屈服應(yīng)力、結(jié)構(gòu)破損指數(shù)的相關(guān)關(guān)系。提出確定原位土體壓縮特性的新方法，擴(kuò)展了Horpibulsuk方法的應(yīng)用范圍，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同擾動(dòng)條件下原位土體壓縮特性預(yù)測(cè)。