基于一維固結(jié)儀的黃土蠕變試驗方法

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(西安科技大學 建筑工程學院，西安 710054)

1 研究背景

黃土作為基礎(chǔ)工程建設的建筑材料、建筑環(huán)境和載體，與時間有關(guān)的黃土變形、強度與穩(wěn)定性的問題越加突顯，如擋土墻所受土壓力隨時間變化、邊坡隨時間的發(fā)展所引起的穩(wěn)定性的降低乃至地基的長期沉降、隧道施工及運營時的地表沉降和變形、樁基礎(chǔ)中由于樁間土應力逐漸減小，樁體內(nèi)力逐漸增大等問題[1-4]。長期以來，很多學者致力于上述問題，尤其是黃土蠕變問題的研究，取得了一系列優(yōu)秀成果[5-8]。實際工程中雖基本均為多維問題，但一維的理論研究仍有重要意義，另外，從試驗角度來講，一維問題容易控制，容易得出較為有價值的結(jié)論。近年來，基于一維固結(jié)儀展開對黃土蠕變的研究也越來越多：葛苗苗等[9]基于一維高壓固結(jié)儀對黃土的長期蠕變試驗，提出了符合壓實黃土變形規(guī)律的經(jīng)驗模型；王松鶴等[10]根據(jù)楊凌黃土的單向固結(jié)試驗資料，對比原狀與擾動黃土，根據(jù)蠕變曲線特性，分析得到了能很好模擬該地區(qū)黃土蠕變特性的蠕變曲線和特征參數(shù)；董曉宏等[11]則對經(jīng)歷過凍融循環(huán)的黃土進行單向固結(jié)試驗，研究了凍融循環(huán)次數(shù)、法向壓力對凍融黃土固結(jié)蠕變特性的影響。

利用一維固結(jié)儀研究黃土蠕變，大多得出如圖1(a)所示結(jié)果，這是因為由于環(huán)刀的限制，土體不會破壞，而正常的蠕變試驗所得曲線應該如圖1(b)所示，包含了衰減階段、穩(wěn)定階段、加速蠕變階段。

圖1蠕變曲線
Fig.1Creepcurvesobtainedfromconventionalconsolidationapparatusandtypicalcreepcurves

作者通過在傳統(tǒng)一維固結(jié)儀的基礎(chǔ)上，在試樣中心處沿直徑鉆孔，為土體破壞提供空間，同時在通過將原有環(huán)刀尺寸由2.0 cm×6.18 cm(高×直徑)增大至6.0 cm×6.18 cm，以減少開孔對土體結(jié)構(gòu)性影響，并在試樣中間沿直徑方向鉆孔、在孔內(nèi)放置攝像探頭的方法，觀測土體內(nèi)部變化，實現(xiàn)了在固結(jié)儀上進行黃土蠕變試驗。

2 試驗方案

2.1 試驗取樣

黃土土樣取自唐家塬隧道，根據(jù)隧道埋深及監(jiān)測斷面具體位置，取土深度在12 m左右，該位置屬Q(mào)3黃土。其物理指標如表1所示。

表1 黃土基本物理力學指標Table 1 Basic physical and mechanical indicators

試驗在南京土壤儀器廠WG型固結(jié)儀(圖2)上進行，土樣制成高為6.0 cm，直徑為6.18 cm的圓柱形試樣，并在試樣中心沿直徑方向鉆孔，改進后的固結(jié)儀結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖2 WG型單杠桿固結(jié)儀Fig. 2 WG-type single lever consolidation instrument

圖3改進后的固結(jié)儀及實物
Fig.3Schematicdiagramofimprovedconsolidationinstrumentandphotoofringknife

2.2 試驗步驟

(1)在固結(jié)儀底的透水石上放一濾紙，將環(huán)刀和土樣放入壓縮儀，套上導環(huán)，在土樣頂面放上濾紙，再加上透水石，繼而放上加壓上蓋，最后將固結(jié)容器置于加壓框架正中，并安裝百分表。

(2)施加1 kPa的預應力，使儀器之間的連接部位充分接觸，并將百分表調(diào)零。

(3)根據(jù)分組加載的原則，本試驗不同含水率試樣分別加載125，175，225，275 kPa。

(4)根據(jù)固結(jié)試驗記錄表，并在其時間間隔內(nèi)盡可能多的記錄數(shù)據(jù)，以保證數(shù)據(jù)的飽滿。

本試驗綜合考慮不同含水率(23.8%，20.1%，15.5%)，不同垂直壓力(125，175，225，275 kPa)條件下的黃土蠕變特性，當土樣達到24 h的變形量不超過0.002 mm的標準時，認為土體達到穩(wěn)定。

3 試驗原理

利用固結(jié)儀進行蠕變試驗時，環(huán)刀的側(cè)向限制使試樣不能產(chǎn)生側(cè)向變形，同時給試樣提供了圍壓，所以得到的ε-t曲線只能如圖1(a)所示，并不能得到試樣的加速蠕變階段。為了表征土體蠕變試驗的全過程，尤其是圖1(b)所示CP段加速蠕變特性，將原環(huán)刀尺寸由2.0 cm×6.18 cm(高×直徑)增大至6.0 cm×6.18 cm，并在土樣中心沿直徑方向鉆孔，用來表征土體的內(nèi)部孔隙。而鉆孔的意義在于一方面可以為土體破壞提供空間；另一方面也可以利用內(nèi)窺設備直觀地觀察蠕變過程中試樣的破壞。

對于試樣開孔孔徑的大小，作者根據(jù)3種不同孔徑大小的試驗，得到結(jié)果如圖4所示。

圖4不同孔徑下試樣蠕變曲線(175kPa)
Fig.4Creepcurvesofspecimenwithdifferentapertureunderloadingof175kPa

圖4顯示的是所加荷載為175 kPa下孔徑分別為5，8，10 mm的蠕變曲線。由此可以看出隨著鉆孔孔徑的增大，試樣在加載瞬間的應變值也隨之增大，但是3條蠕變曲線的基本形式保持一致。說明鉆孔孔徑的不同對試樣初始應變量有影響，但對土體的整個蠕變階段的蠕變特性影響不大，由此證明利用本文的試驗方案進行蠕變研究是可行的。

4 試驗結(jié)果及分析

4.1 蠕變曲線及鉆孔破壞形態(tài)

按照既定試驗方案，得到試樣的蠕變試驗數(shù)據(jù)，具體結(jié)果見如下所述。

4.1.1 含水率ω=23.8%蠕變曲線及分析

圖5為試樣含水率為23.8%條件下的黃土蠕變規(guī)律。階段Ⅰ為衰減蠕變階段及穩(wěn)定蠕變階段；階段Ⅱ為加速蠕變階段。

圖5不同豎向荷載作用下含水率ω=23.8%黃土蠕變曲線
Fig.5Creepcurveclusterofloessatamoisturecontentof23.8%

從圖5中可以看出：在施加豎向荷載為125 kPa及175 kPa時，試樣呈現(xiàn)出典型衰減蠕變特性，即土體應變速率由最大值逐漸減小至0，此時土體應變趨近于某一固定值。當豎向荷載為275 kPa時，試樣呈現(xiàn)為非衰減蠕變特性：試樣首先經(jīng)歷衰減蠕變及穩(wěn)定蠕變階段，持續(xù)蠕變至點B處時，孔壁開始出現(xiàn)不平整現(xiàn)象，孔右上角出現(xiàn)土屑脫落；此時將涂有凡士林的小棒插入孔中與孔壁輕微接觸，可發(fā)現(xiàn)小棒上有土屑附著；試樣應變速率增加，進入加速蠕變階段，最終土屑充滿整個孔洞，試樣達到破壞。當荷載為225 kPa時，試樣蠕變規(guī)律與275 kPa時基本一致，但由于豎向荷載減小，導致總體應變量減小，同時由穩(wěn)定蠕變階段進入加速蠕變階段時間變長，同時加速蠕變階段應變速率減小。

圖6為含水率ω=23.8%、豎向荷載275 kPa下黃土試樣在試驗前與試驗完成后的鉆孔形態(tài)對比，通過對比發(fā)現(xiàn)，試驗完成后，鉆孔出現(xiàn)大量土體剝落，同時鉆孔形狀由圓形變?yōu)榻茩E圓形。

圖6豎向荷載275kPa條件下含水率ω=23.8%
黃土試樣鉆孔形態(tài)對比
Fig.6Comparisonofboreholeofloesssampleswithamoisturecontentof23.8%underverticalloadof275kPa

4.1.2 含水率ω=20.1%蠕變曲線及分析

圖7為試樣含水率為20.1%條件下的黃土蠕變規(guī)律。階段Ⅰ為衰減蠕變階段及穩(wěn)定蠕變階段；階段Ⅱ為加速蠕變階段。從圖7中可以看出：在施加豎向荷載為125 kPa及175 kPa時，試樣呈現(xiàn)出典型衰減蠕變特性；當豎向荷載為275 kPa時，試樣首先經(jīng)歷衰減蠕變及穩(wěn)定蠕變階段，持續(xù)蠕變至B點處時，試樣應變速率增加，進入加速蠕變階段；當豎向荷載為225 kPa時，試樣同樣依次經(jīng)歷衰減蠕變、穩(wěn)定蠕變階段及加速蠕變階段。

圖7不同豎向荷載作用下含水率ω=20.1%黃土蠕變曲線
Fig.7Creepcurveclusterofloessunderdifferentverticalloadsatamoisturecontentof20.1%

圖8為含水率ω=20.1%、豎向荷載275 kPa條件下黃土試樣在試驗前與試驗完成后的鉆孔形態(tài)對比，通過對比發(fā)現(xiàn)，試驗完成后，鉆孔出現(xiàn)大量的土體剝落，同時鉆孔形狀發(fā)生變化。

圖8豎向荷載275kPa條件下含水率ω=20.1%黃土試樣鉆孔形態(tài)對比
Fig.8Comparisonofboreholeofloesssampleswithamoisturecontentof20.1%underverticalloadof275kPa

4.1.3 含水率ω=15.5%蠕變曲線及分析

圖9為試樣含水率為15.5%條件下的黃土蠕變規(guī)律。從圖9中可以看出在上述4種荷載作用下，試樣均呈現(xiàn)衰減蠕變特性。同時可以發(fā)現(xiàn)，在豎向荷載為275 kPa時的試樣在穩(wěn)定蠕變階段應變呈近似直線增大，而其他3條曲線基本平直，即試樣應變量趨于某一固定值。

圖9不同豎向荷載作用下含水率ω=15.5%黃土蠕變曲線
Fig.9Creepcurveclusterofloessatamoisturecontentof15.5%underdifferentverticalloads

圖10為含水率ω=15.5%、豎向荷載275 kPa條件下黃土試樣在試驗前與試驗完成后的鉆孔形態(tài)對比，通過對比發(fā)現(xiàn)，試驗完成后，鉆孔表面不再光滑，出現(xiàn)大量錯綜裂紋，但未出現(xiàn)明顯的土體剝落現(xiàn)象，同時鉆孔左上部形狀發(fā)生較為明顯的下沉現(xiàn)象。

圖10豎向荷載275kPa條件下含水率ω=15.5%
黃土試樣鉆孔形態(tài)對比
Fig.10Comparisonofboreholeofloesssampleswithamoisturecontentof15.5%underverticalloadof275kPa

從圖5—圖10可以看出，不同含水率土樣的蠕變曲線展現(xiàn)出了以下性質(zhì)：

(1)相同含水率在不同壓力作用下，變形隨著時間的增長而增長，而且壓力越高，瞬時變形及蠕變變形也越大。

(2)所加壓力一定時，含水率愈大，土體的初始變形愈大，試樣的蠕變變形也愈大。

以上由試驗展現(xiàn)出來的性質(zhì)，與一般蠕變試驗得出的結(jié)論一致，也從側(cè)面證明了本文研究方法的正確性。

4.2 應變速率與時間的關(guān)系

為更好地分析黃土蠕變特性，將含水率23.8%和20.1%的蠕變曲線繪制成應變速率與時間的關(guān)系曲線，如圖11、圖12所示。

從圖11和圖12可以看出，在應力不高的情況下，應變速率隨時間逐漸下降，最后變?yōu)?，符合蠕變過程中減速蠕變階段的特點。在應力較高的情況下，應變速率展現(xiàn)出先減小，后趨于穩(wěn)定，然后急劇增大的特點，符合蠕變所經(jīng)歷的減速、等速、加速蠕變的3個階段。

圖11 含水率23.8%試樣應變速率與時間關(guān)系曲線

圖12含水率20.1%試樣應變速率與時間關(guān)系曲線
Fig.12Strainrateversustimeofloesssamplewithamoisturecontentof20.1%

同時，由于含水率的不同，圖11和圖12展現(xiàn)出含水率越高，初始應變速率越大，試樣破壞時間越短的特點，這是由于黃土的濕陷性，結(jié)構(gòu)迅速破壞面產(chǎn)生顯著附加沉陷，土的結(jié)構(gòu)破壞而發(fā)生顯著附加變形所導致。

5 結(jié) 語

基于一維固結(jié)儀，本文提出一種改進的利用固結(jié)儀進行黃土蠕變試驗的方法，該方法可以較好地得出黃土蠕變過程的3個完整階段，同時可以全程觀測蠕變過程中土體的變化，便于從內(nèi)部了解土體的蠕變特點，另外，該試驗方法具有操作簡單，影響因素少，數(shù)據(jù)可靠性較強等優(yōu)勢。但在試驗過程中，試樣含水率的保持，儀器自身以及操作等問題，都會影響到試驗數(shù)據(jù)，另外，本文只研究了一維問題，而實際工程中更多的是多維問題，有待于進一步深入的研究。