飽和原狀素填土的壓縮特性研究及結(jié)構(gòu)性效應(yīng)初探

扈勝霞，楊 磊，王夢(mèng)南，陳義乾，劉登楊

(延安大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 陜西 延安 716000)

素填土是陜北地區(qū)比較常見(jiàn)的地基土，尤其以素填黃土為多。黃土在我國(guó)西北地區(qū)分布廣泛，關(guān)于黃土的各類(lèi)變形特性及規(guī)律，已有許多學(xué)者進(jìn)行了大量研究。黃雪峰[1]，扈勝霞[2]，李旭東[3]，孔洋等[4]通過(guò)室內(nèi)壓縮固結(jié)、增濕變形及控制吸力固結(jié)試驗(yàn)，對(duì)非飽和壓實(shí)黃土進(jìn)行了變形特性研究，其研究成果對(duì)于工程實(shí)踐起到了一定的指導(dǎo)作用。葛苗苗等[5]基于控制含水率和壓實(shí)度的壓實(shí)黃土長(zhǎng)期蠕變?cè)囼?yàn)研究，提出了相關(guān)壓實(shí)黃土變形規(guī)律的經(jīng)驗(yàn)蠕變模型，然而對(duì)飽和黃土的適用性值得探究。章為民等[6]通過(guò)重塑土和原狀土加卸荷循環(huán)試驗(yàn)，研究了固結(jié)系數(shù)、回彈系數(shù)在試驗(yàn)過(guò)程中的變化規(guī)律，研究認(rèn)為回彈是固結(jié)的逆過(guò)程，但其極限加載水平僅為1 600 kPa。王松鶴等[7]和黃志全等[8]提出了適用于取土地區(qū)黃土的固結(jié)蠕變特性及固結(jié)系數(shù)與固結(jié)壓力之間的定量關(guān)系。陳存禮等[9]通過(guò)控制含水率的原狀黃土壓縮固結(jié)試驗(yàn)表明，土的結(jié)構(gòu)性對(duì)黃土的力學(xué)特性有顯著影響[10]。由上述可見(jiàn)，對(duì)黃土的變形特性已有一定的實(shí)驗(yàn)積累和理論研究。但對(duì)素填土的變形特性和實(shí)驗(yàn)研究鮮見(jiàn)有文獻(xiàn)發(fā)表。因此從原狀素填土結(jié)構(gòu)性對(duì)其力學(xué)特性參數(shù)影響的考慮出發(fā)，對(duì)于能夠全面反映非飽和原狀素填土在浸濕飽和狀態(tài)下的應(yīng)變、回彈及蠕變特性的試驗(yàn)研究無(wú)論從理論研究或工程實(shí)踐方面而言都顯得尤為重要而緊迫。

同時(shí)如何評(píng)價(jià)和預(yù)估非飽和原狀素填土在降雨入滲等浸濕路徑下形成的飽和土地基承載力及變形沉降特性是解決處理原建筑地基土亟待解決的關(guān)鍵性問(wèn)題，基于此本文通過(guò)對(duì)已有建筑物下原狀浸水飽和土樣的高壓固結(jié)、不同應(yīng)力路徑的高壓回彈及不同應(yīng)力水平的蠕變?cè)囼?yàn)探究了相關(guān)力學(xué)特性，以期為相關(guān)理論研究和工程處理提供參考和借鑒。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)土樣

本試驗(yàn)土樣取自延安市一棟已有多層建筑物地基15 m深度處?，F(xiàn)場(chǎng)通過(guò)打鉆設(shè)備鉆取同一深度處不同孔位(1#，2#)的原狀土樣，土樣呈褐黃色，天然結(jié)構(gòu)完整。根據(jù)土工試驗(yàn)相關(guān)規(guī)定測(cè)得試驗(yàn)土樣基本物理力學(xué)參數(shù)性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)土樣基本物理參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)采用YCDG型三聯(lián)高壓固結(jié)儀。實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展按照《土工試驗(yàn)規(guī)程》[11](SL 237—1999)進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)土樣的制取是將原狀土樣采用標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀進(jìn)行削樣、浸水飽和，同一鉆孔處土樣設(shè)置四個(gè)平行土樣。

(1) 高壓固結(jié)實(shí)驗(yàn)。從50 kPa逐級(jí)施加荷載至4 MPa，記錄豎向變形，繪制e-p曲線和e-lgp曲線。

(2) 回彈試驗(yàn)。原狀飽和素填土樣其中兩組高壓固結(jié)實(shí)驗(yàn)在常規(guī)壓縮試驗(yàn)的過(guò)程中，開(kāi)展了部分荷載區(qū)間的回彈實(shí)驗(yàn)。包括5次加載和卸載試驗(yàn)，各級(jí)加載或卸載時(shí)間均控制為12 h。

(3) 蠕變?cè)囼?yàn)。原狀飽和素填土樣中另外兩組在高壓固結(jié)實(shí)驗(yàn)在常規(guī)壓縮試驗(yàn)的過(guò)程中，記錄了超常規(guī)實(shí)驗(yàn)要求的土樣變形，以探究高壓狀態(tài)及不同荷載加載時(shí)間下的蠕變特性，其試驗(yàn)方式分為兩種：① 添加荷載從50 kPa至4 000 kPa逐級(jí)施壓(50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa、800 kPa、1 600 kPa、3 200 kPa、4 000 kPa)過(guò)程中土樣在每級(jí)荷載下固結(jié)36 h；② 添加荷載從50 kPa至4 000 kPa逐級(jí)施壓(50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa、800 kPa、1 600 kPa、3 200 kPa、4 000 kPa)土樣在每級(jí)荷載下固結(jié)48 h。為使試驗(yàn)過(guò)程中土樣始終處于飽和狀態(tài)，向水槽中注入無(wú)氣水且液面浸沒(méi)土樣上表面。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

飽和原狀素填土的固結(jié)壓縮、回彈及蠕變特性研究并在其基礎(chǔ)上的沉降量計(jì)算是已有建筑物地基加固糾偏工程和沉降量控制中十分關(guān)注的問(wèn)題。其中，土體的壓縮特性可從不同豎向應(yīng)力條件及經(jīng)歷不同應(yīng)力歷史的飽和原狀土壓縮變形特性?xún)蓚€(gè)方面進(jìn)行對(duì)比、分析和探討。

2.1 不同孔位飽和原狀黃土壓縮試驗(yàn)

室內(nèi)試驗(yàn)得到了不同孔位的飽和原狀素填土的e-lgp曲線。劉孟飛等[10]用高壓固結(jié)儀試驗(yàn)，得出了黃土固結(jié)的變形和強(qiáng)度特性。如圖1所示。

圖1不同孔位飽和原狀黃土e-lgp壓縮曲線

從圖1可以看出：飽和原狀素填土在豎向應(yīng)力的作用下土樣的孔隙比變化分為兩個(gè)階段：“平緩段”和“遞降段”。在豎向應(yīng)力不超過(guò)100 kPa時(shí)，1#、2#孔位土樣的孔隙比雖均有所較少，但其較小速度緩慢。在豎向應(yīng)力不斷增大(增加范圍：300 kPa～1 200 kPa)的過(guò)程中，土樣孔隙比減小的速率隨豎向應(yīng)力的增長(zhǎng)呈遞增態(tài)勢(shì)。當(dāng)豎向應(yīng)力在1 200 kPa～3 200 kPa范圍內(nèi)時(shí)，孔隙比的減小速度趨緩，而后隨著豎向應(yīng)力增至4 000 kPa時(shí)其孔隙比減小速率再一次提升。而造成這種現(xiàn)象的原因是由于同一深度的土在地質(zhì)運(yùn)動(dòng)、風(fēng)化沉積等過(guò)程中所受的應(yīng)力歷史條件的不同，進(jìn)而造成了不同孔位原狀土結(jié)構(gòu)性差異及土樣在相同試驗(yàn)應(yīng)力條件下其e-lgp曲線變化特征出現(xiàn)差異，在豎向應(yīng)力狀態(tài)不超過(guò)1 200 kPa時(shí)，土樣在平緩段孔隙比的變化及遞降段土樣孔隙比減小的速度，隨豎向應(yīng)力的增大呈遞增現(xiàn)象，每級(jí)豎向應(yīng)力下速度的增量均表現(xiàn)出差異性。當(dāng)豎向應(yīng)力增至1 200 kPa時(shí)土樣孔隙比減小速度減緩，增大至3 200 kPa以后其減小速度又增大，說(shuō)明土樣的結(jié)構(gòu)性在豎向應(yīng)力為1 200 kPa時(shí)已遭到部分破壞，而當(dāng)豎向應(yīng)力達(dá)到3 200 kPa時(shí)土樣的結(jié)構(gòu)性已完全破壞。本文根據(jù)卡薩格蘭德確定先期固結(jié)壓力的方法，得到了黃土的壓縮結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力psc，1#孔位土樣屈服應(yīng)力為300 kPa，2#孔位土樣屈服應(yīng)力為200 kPa。

筆者計(jì)算了1#、2#孔位的飽和原裝黃土在不同豎向應(yīng)力作用下的壓縮系數(shù)。

通過(guò)對(duì)1#、2#孔位土樣在不同豎向應(yīng)力狀態(tài)作用下的壓縮系數(shù)進(jìn)行研究對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在豎向應(yīng)力較低時(shí)其壓縮系數(shù)較小。當(dāng)豎向應(yīng)力增大到800 kPa～1 600 kPa時(shí)土樣的壓縮系數(shù)都達(dá)到最大值，說(shuō)明在此豎向應(yīng)力狀態(tài)下土樣的結(jié)構(gòu)性開(kāi)始破壞，土樣的變形速率較大。此后隨著豎向應(yīng)力的不斷增大，壓縮系數(shù)又呈減小態(tài)勢(shì)。

為探究飽和原狀黃土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的基本模型，筆者通過(guò)對(duì)土樣的壓縮e-lgp曲線進(jìn)行坐標(biāo)變換，發(fā)現(xiàn)其符合經(jīng)典的雙曲線模型， 并擬合曲線如圖2所示。公式：

(1)

經(jīng)坐標(biāo)變換后可為

(2)

式中：P為豎向應(yīng)力；ε為軸向應(yīng)變；a、b為土樣參數(shù)。

2.2 飽和原狀黃土回彈壓縮特性

圖2飽和原狀黃土應(yīng)力-應(yīng)變雙曲線模型擬合曲線

1#、2#孔位的飽和原狀黃土土樣在不同的豎向應(yīng)力狀態(tài)下進(jìn)行卸載回彈及再壓縮e-p曲線如圖3所示。方勇[13]通過(guò)對(duì)原狀黏土不同預(yù)壓荷載不同卸荷比的試驗(yàn)研究，得出了回彈變形特性。朱俊高等[14]通過(guò)對(duì)軟土進(jìn)行反復(fù)荷載下的固結(jié)試驗(yàn)，得到了固結(jié)系數(shù)的變化規(guī)律。由圖3可看出，1#、2#孔位的土樣卸載后孔隙比變化較小(卸載回彈時(shí)孔隙比增大不明顯)，回彈線近似為水平直線，說(shuō)明土樣的壓縮應(yīng)變以塑性變形為主。卸載再加載的應(yīng)力水平超過(guò)回彈終載后，在不超過(guò)回彈前最高應(yīng)力水平情況下，土樣即進(jìn)入再次變形發(fā)展。特別當(dāng)應(yīng)力荷載低于1 600 kPa時(shí)，再加載孔隙比變化較大，當(dāng)再次加載到1 600 kPa時(shí)，1#、2#土樣孔隙比分別減小0.048 762和0.057 33，說(shuō)明土樣受應(yīng)力歷史中最大荷載應(yīng)力影響較小。直到加載應(yīng)力高達(dá)400 kPa以后再加載變形較小，表明此時(shí)土樣的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度遭到完全破壞。1#、2#土樣對(duì)于加載—回彈—再加載的力學(xué)響應(yīng)基本一致，但經(jīng)歷相同應(yīng)力路徑后的孔隙比之差再次拉大(從0.018 0增至0.041 6)，說(shuō)明1#、2#土樣間存在結(jié)構(gòu)性差值。

圖3飽和原狀黃土回彈試驗(yàn)曲線

2.3 飽和原狀黃土蠕變?cè)囼?yàn)

2.3.1 基于不同蠕變時(shí)間的壓縮試驗(yàn)

為探究蠕變時(shí)間對(duì)飽和原狀黃土e-lgp曲線的影響，取2#孔位的土樣在各級(jí)豎向應(yīng)力的作用下分別經(jīng)歷36 h、48 h的壓縮變形時(shí)間效應(yīng)，其e-lgp曲線如圖4所示。陳志輝等[15]通過(guò)試驗(yàn)得到了壓縮-蠕變變形特性。由圖4可看出：在豎向應(yīng)力水平較低時(shí)(不超過(guò)100 kPa)，時(shí)間效應(yīng)對(duì)孔隙比的變化影響較為明顯。當(dāng)豎向應(yīng)力增大為200 kPa～400 kPa時(shí)，孔隙比變化量基本一樣(時(shí)間效應(yīng)為36 h、48 h的孔隙比變化量分別為0.050 942、0.058 968)。在豎向應(yīng)力不斷增加(增加范圍：800 kPa～1 200 kPa)的狀況下，土樣孔隙比隨著豎向應(yīng)力的增大為線性減小，但時(shí)間效應(yīng)為48 h的土樣孔隙比減小速度快于時(shí)間效應(yīng)36 h的土樣。隨著豎向應(yīng)力的再次增加孔隙比變化的兩條曲線已趨于平行。說(shuō)明了在豎向應(yīng)力較小時(shí)(豎向應(yīng)力不超過(guò)100 kPa)土樣對(duì)壓縮變形時(shí)間效應(yīng)反應(yīng)明顯，其孔隙比差值達(dá)到了0.011 22。在豎向應(yīng)力不斷增大(增加范圍：300 kPa～1 200 kPa)的過(guò)程中，孔隙比的變化可視為隨豎向應(yīng)力的增大線性減小。豎向應(yīng)力的再增大(至3 200 kPa)的過(guò)程中，土樣孔隙比減小速度相同，進(jìn)一步說(shuō)明了當(dāng)豎向應(yīng)力達(dá)到1 200 kPa時(shí)，土樣的結(jié)構(gòu)性開(kāi)始破壞，同時(shí)土樣開(kāi)始發(fā)生塑性變形，所以造成了在不同的壓縮變形時(shí)間狀況下，土樣孔隙比減小速度相同的這一現(xiàn)象。

圖4基于不同加載時(shí)間的飽和原狀黃土蠕變曲線

2.3.2 蠕變時(shí)間效應(yīng)下的孔隙比差值變化特征分析研究

為研究時(shí)間效應(yīng)對(duì)飽和原狀飽和黃土壓縮變形量的影響，用蠕變時(shí)間為48 h的每級(jí)豎向應(yīng)力累計(jì)壓縮量減去蠕變時(shí)間為36 h的每級(jí)豎向應(yīng)力累計(jì)壓縮量，其結(jié)果如圖5所示。由圖5可看出：當(dāng)豎向應(yīng)力不超過(guò)50 kPa時(shí)孔隙比差值Δe緩慢增長(zhǎng)。在豎向應(yīng)力增大到100 kPa～1 200 kPa范圍內(nèi)孔隙比差值Δe增長(zhǎng)與豎向應(yīng)力增大呈近似線性關(guān)系。然后隨著豎向應(yīng)力的增大其孔隙比差值Δe又逐漸減小。說(shuō)明在豎向應(yīng)力未達(dá)到1 200 kPa之前，土樣在結(jié)構(gòu)性的作用下對(duì)蠕變時(shí)間效應(yīng)的響應(yīng)為其壓縮量基本呈線性增大模式。再一次說(shuō)明了當(dāng)豎向應(yīng)力達(dá)到1 200 kPa時(shí)土樣的結(jié)構(gòu)性遭到破壞。而后隨著豎向應(yīng)力的增大土樣發(fā)生塑性變形。

圖5土樣在不同時(shí)間效應(yīng)下的孔隙比差值

2.3.3 不同孔位處同一蠕變時(shí)間的壓縮試驗(yàn)

1#、2#孔位飽和原狀黃土在同一蠕變時(shí)間效應(yīng)下的e-lgp曲線如圖6所示。由圖6可看出2#孔位土樣在豎向應(yīng)力的作用下孔隙比的變化相較于1#孔位土樣總體變化趨勢(shì)較為平緩。1#、2#孔位土樣在豎向應(yīng)力不超過(guò)100 kPa時(shí)土樣孔隙比變化較小。當(dāng)豎向應(yīng)力增大至200 kPa～300 kPa時(shí)土樣的孔隙比減小速度呈遞增式變化。在豎向應(yīng)力不斷增加(增加范圍：300 kPa～1 200 kPa)的狀況下，土樣孔隙比隨著豎向應(yīng)力的增大為線性減小，但1#孔位土樣e-lgp曲線斜率明顯大于2#孔位土樣e-lgp曲線斜率。豎向應(yīng)力的再增大(至3 200 kPa)的過(guò)程中，土樣孔隙比減小速度均降低，且1#孔位比2#孔位土樣速度減小更為明顯。反映了不同孔位的土樣在形成過(guò)程中其結(jié)構(gòu)性上存在的差異，表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)性未遭到破壞以前，土樣孔隙比減小速率的不同(1#孔位孔隙比減小速率大于2#孔位)，以及當(dāng)豎向荷載達(dá)到1 200 kPa后結(jié)構(gòu)性破壞孔隙比變小速度幅度的不同(1#孔位孔隙比變小幅度大于2#孔位)，造成了在同一豎向應(yīng)力作用過(guò)程下1#、2#孔位土樣產(chǎn)生不同的壓縮總量。

2.4 不同應(yīng)力水平的應(yīng)變-時(shí)間壓縮特性

飽和原狀黃土在不同應(yīng)力水平下的應(yīng)變-時(shí)間壓縮特性如圖7所示。熊雄等[16]通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定了土樣在固結(jié)過(guò)程中的沉降量和孔隙比，得出了其曲線大致分為兩個(gè)階段，自重沉降階段；自重固結(jié)階段-平衡階段。由圖7可看出飽和原狀黃土在每級(jí)豎向應(yīng)力在作用下的應(yīng)變可分為兩個(gè)階段：第一階段為壓縮變形快速遞增段，為瞬時(shí)沉降變形；第二階段為壓縮變形緩慢增加階段，應(yīng)變速率逐漸減小并趨于零，以次固結(jié)變形為主。在豎向應(yīng)力不超過(guò)400 kPa時(shí)，壓縮變形量較小，且應(yīng)變?cè)诮?jīng)歷第一階段進(jìn)入第二階段后其應(yīng)變速率逐漸變小并接近于零，壓縮變形量不斷發(fā)展并最終趨于穩(wěn)定。當(dāng)豎向應(yīng)力增大時(shí)(400 kPa

圖6 不同孔位土樣加壓時(shí)間48 h壓縮曲線

圖7土樣在不同豎向壓力下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

當(dāng)豎向應(yīng)力為4 000 kPa時(shí)，土樣的應(yīng)變量變化很小，且可近似認(rèn)為第一階段的壓縮變形量就是其最終的壓縮變形量。從而驗(yàn)證了該土樣在豎向應(yīng)力為3 200 kPa時(shí)土樣的結(jié)構(gòu)性完全破壞。

3 結(jié) 論

(1) 飽和原狀黃土的壓縮e-lgp曲線可分為“平緩段”和“遞降段”。不同孔位原狀黃土的結(jié)構(gòu)性差異引起土樣在相同應(yīng)力條件下，壓縮曲線“平緩段”和“遞降段”的變化特征均出現(xiàn)差異。

(2) 飽和原狀黃土的加載—回彈—再加載特性與土樣的結(jié)構(gòu)性存在關(guān)聯(lián)[17]。

(3) 飽和原狀黃土的蠕變特性與加載時(shí)間存在聯(lián)系。當(dāng)應(yīng)力條件較小(P<100 kPa)時(shí),加載時(shí)間對(duì)土樣的壓縮變形影響效應(yīng)明顯，說(shuō)明土樣在加載初期存在著一定水平的塑性變形，并隨著加載時(shí)間的延長(zhǎng)而得以發(fā)展。