淤泥質(zhì)土封閉作用下側(cè)壓力試驗研究

李曉康,岳祖潤,陳佩哲,高曉靜

(1.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院,石家莊 050043； 2.石家莊鐵道大學(xué)道路與鐵道工程安全保障省部共建教育部重點實驗室,石家莊 050043； 3.石家莊鐵道大學(xué)研究生學(xué)院,石家莊 050043)

淤泥及淤泥質(zhì)土廣泛分布在我國華東、華南地區(qū),具有含水率高、強度低、流動性強的特征。其既屬于巖土工程領(lǐng)域的軟土,又屬于流體力學(xué)領(lǐng)域的非牛頓流體[1],在變形及荷載傳遞方面會表現(xiàn)出一定的流體性質(zhì)。在工程實際中,淤泥質(zhì)土普遍上覆一層厚度不大,強度、剛度相對較高的硬殼層,對其下的軟土具有封閉作用[2]。當(dāng)路基堆載、基坑開挖卸荷等荷載作用在硬殼層上時,硬殼層下沉變形并向其下覆軟土層傳遞荷載,受硬殼層封閉作用和自身高流動性的影響,淤泥質(zhì)土向周圍擠壓變形,在一定范圍內(nèi)引起較大的水平應(yīng)力,對樁基、橋臺、擋土結(jié)構(gòu)等具有一定的危害,甚至引起事故[3-5]。蘇木標(biāo)[6]將這種淤泥質(zhì)土類似封閉液體受荷后向周圍擠壓的現(xiàn)象,稱為“類帕斯卡效應(yīng)”。王錫朝[7]通過模型試驗指出,硬殼層對淤泥土的封閉能使淤泥層中產(chǎn)生超常的附加應(yīng)力,其水平應(yīng)力不宜采用Boussinesq線性變形體理論解求算。

專家學(xué)者們對硬殼層軟土對結(jié)構(gòu)物側(cè)壓力的計算方法進(jìn)行了一些研究。李作勤[8]指出,對于有一定厚度的飽和軟黏土的K0值存在σh/σv≈1的情況,此時擋土結(jié)構(gòu)物承受最大的側(cè)壓力。De. Beer和Wallays[9]提出了硬殼層堆載對臨近軟土層內(nèi)樁基土壓力計算經(jīng)驗公式,并假設(shè)堆載產(chǎn)生的水平土壓力在軟土層內(nèi)呈矩形分布。Springma[10-11]等在研究軟土層內(nèi)橋臺樁基鄰近堆載問題時,通過離心模型試驗得出軟土層內(nèi)土壓力呈矩形分布,并認(rèn)為隨著荷載等級的增長,軟土層內(nèi)側(cè)壓力由矩形分布逐漸向拋物線形分布過渡。此外,用于計算軟土流動對結(jié)構(gòu)物側(cè)壓力的還有力法[12-13]、位移法[14-15]等等。在諸多計算方法中,軟土的側(cè)壓力系數(shù)是計算側(cè)壓力的重要參數(shù)[16-17]。硬殼層的封閉作用會改變其下軟土層側(cè)壓力的傳遞、分布規(guī)律,其對側(cè)壓力系數(shù)的影響效果應(yīng)該納入考慮。因此,通過室內(nèi)試驗探究硬殼層封閉條件下,下覆軟土的側(cè)壓力分布及傳遞規(guī)律,并給出側(cè)壓力系數(shù)的定量值,為深厚軟土層內(nèi)側(cè)壓力計算方法及影響范圍判定提供參考。

1 封閉側(cè)壓力試驗簡介

為控制邊界效應(yīng),結(jié)合室內(nèi)試驗條件,試驗采用內(nèi)徑30 cm、高50 cm的圓柱形土樣筒。為最大限度消除筒壁摩擦,在土樣與土樣筒之間放置玻璃紙,玻璃紙與土樣筒之間涂凡士林潤滑。

為獲得土樣在某一深度處的側(cè)壓力系數(shù),需測出該點的豎向、側(cè)向土壓力,進(jìn)而算得側(cè)壓力系數(shù)K。為了量測不同深度處土樣的豎向土壓力及側(cè)向土壓力,在土中2,10,20,30 cm深度處埋設(shè)豎向、側(cè)向土壓力傳感器。為了比較距加載盤不同距離處側(cè)壓力數(shù)值及傳遞規(guī)律,在2,10 cm深處筒壁位置用免釘膠粘結(jié)側(cè)向土壓力傳感器,土壓力傳感器共布設(shè)10根。采用DH3818型靜態(tài)電阻應(yīng)變儀及配套采集控制軟件采集土壓力數(shù)據(jù)。

試驗土樣高40 cm,采用淤泥質(zhì)土通過室內(nèi)重塑制得,硬殼層厚度2 cm,采用水泥土制作。淤泥質(zhì)土取自蘇州軌道交通15號線07標(biāo)段,地質(zhì)勘探資料顯示該層土為淤泥質(zhì)土,含云母、有機質(zhì),呈軟塑～流塑狀態(tài)。試驗前將淤泥質(zhì)土烘干碾碎,過2 mm篩,配至指定含水率后,分層鋪入土樣筒。根據(jù)文獻(xiàn)[18],水泥土的強度及應(yīng)力-應(yīng)變特性與超固結(jié)土類似,因此可用來模擬硬殼層的板體特性。水泥土硬殼層采用同種淤泥質(zhì)土摻入水泥制作,水泥型號為P.O52.5早強型水泥。通過反復(fù)實驗,確定硬殼層的合理配比為干土∶水∶水泥=1∶0.5∶0.2。淤泥質(zhì)土及硬殼層土樣制備完畢后,靜置3 d使土樣水分均勻分布,同時為硬殼層形成強度提供足夠時間。

試驗以硬殼層完整性及加載方式為劃分標(biāo)準(zhǔn),共分為3種工況,分別為硬殼層完整、滿布加載(工況1),硬殼層完整、中心局部加載(工況2),硬殼層中心破壞、中心局部加載(工況3)。局部加載采用直徑為6 cm的圓形剛性加載盤,滿布加載采用直徑25 cm的圓形剛性加載盤。為了觀察土樣流動程度(以稠度狀態(tài)表征)對其側(cè)壓力分布和傳遞的影響,擬分別對處于軟塑、流塑狀態(tài)的土樣進(jìn)行試驗。同時,通過預(yù)實驗,發(fā)現(xiàn)含水率超過50%后,試樣會出現(xiàn)明顯的水分溢出、聚集在頂端,這將導(dǎo)致其實際含水率無法控制和硬殼層強度不足、難以提供封閉狀態(tài)。因此,綜合考慮上述因素和試驗變量梯度,每組試驗設(shè)置40%,44%,48%三種含水率,其中40%含水率試樣處在軟塑狀態(tài),44%,48%含水率試樣處在流塑狀態(tài)。使用砝碼分級施加靜荷載,3種工況荷載等級分別為1.4,9.0,4.5 kPa。為避免超靜孔隙水壓力對數(shù)據(jù)的干擾,每級荷載持續(xù)30 min,取采集儀示數(shù)充分穩(wěn)定后的測量值,試驗過程以硬殼層破壞、無法繼續(xù)加載為止。

注：TY表示土壓力傳感器,數(shù)字為其編號。

試驗裝置及傳感器布設(shè)方法見圖1,工況2、工況3試驗采用局部加載,加載盤直徑均為6 cm,硬殼層分別為完整、破壞狀態(tài),其余條件均與工況1相同。土樣物理力學(xué)指標(biāo)見表1,試驗變量設(shè)計方法見表2。

表1 土樣物理力學(xué)指標(biāo)

注：表中抗剪強度指標(biāo)為直剪快剪指標(biāo)。

表2 試驗變量設(shè)計方法

2 試驗結(jié)果分析

淤泥質(zhì)土封閉側(cè)壓力試驗共進(jìn)行9次有效試驗,結(jié)果匯總于表3。

由于不同工況試樣的破壞荷載不盡相同,為使試驗結(jié)果簡潔直觀呈現(xiàn),經(jīng)過數(shù)據(jù)整理與篩選,取每次試驗破壞荷載σf的1/4,2/4,3/4,4/4等級處各測點土壓力數(shù)值分析討論。

側(cè)壓力系數(shù)K計算式為

K=σh/σv

(1)

其中,σv為某一深度處測得的豎向土壓力；σh為某一深度處測得的側(cè)向土壓力。

為了能更加直觀地描繪試驗結(jié)果,將試驗中較有代表性的結(jié)果繪成曲線,分析封閉狀態(tài)下淤泥質(zhì)土側(cè)壓力分布規(guī)律、側(cè)壓力系數(shù)變化規(guī)律及硬殼層完整性對側(cè)壓力傳遞方式的影響。

圖2 工況1側(cè)壓力沿深度分布

2.1 側(cè)壓力分布規(guī)律

由圖2可得,土樣承載能力隨著含水率升高而承載能力減弱,導(dǎo)致不同含水率土樣應(yīng)力水平不盡相同,但側(cè)向土壓力沿深度的分布仍表現(xiàn)出一致趨勢,即隨深度近似呈拋物線形分布,這與文獻(xiàn)[19]中現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果一致。

表3 土樣實測壓力 kPa

在應(yīng)力水平較低時(1/4σf處),3種土樣側(cè)壓力沿深度分布近似直線,這可能由于應(yīng)力水平較低,土體處于彈性階段,土中側(cè)壓力數(shù)值在不同深度處近似相等；隨著應(yīng)力水平的增加,側(cè)壓力隨深度分布向拋物線形轉(zhuǎn)變,在4/4σf處,3種含水率試樣均表現(xiàn)出明顯的拋物線形分布。其中,最小點發(fā)生在2 cm處,最大點發(fā)生在10 cm處,且在最大點以下,土壓力隨深度衰減不明顯,呈現(xiàn)“半拋物線的性質(zhì)”。對比3種含水率土樣可得,在側(cè)壓力最高點以下,隨著土樣含水率增加,側(cè)壓力隨深度分布逐漸趨近于直線形,這表明隨著含水率增長,淤泥質(zhì)土側(cè)壓力隨深度分布形式逐漸表現(xiàn)出流體性質(zhì)。

由試驗過程中觀測,在2 cm處,由于淤泥質(zhì)土自身固結(jié)沉降,硬殼層與土樣層具有一層1～5 mm的縫隙,致使土樣頂部受荷區(qū)并不處在嚴(yán)格的封閉狀態(tài)。當(dāng)荷載施加時,土體承受豎向壓力,由于其較強的流動性而側(cè)向擠出,造成豎向土壓力集中、側(cè)向土壓力衰減,這是引起2 cm處側(cè)壓力偏小的原因。同時,硬殼層水泥水化過程中吸水會導(dǎo)致該處含水率減小。因此,上半部土樣的土性、應(yīng)力狀態(tài)、封閉狀態(tài)均與下半部土樣有較大差別,可視為不穩(wěn)定區(qū)。

由上述分析可得,側(cè)向土壓力沿深度呈現(xiàn)上半部為拋物線、下半部近似直線的“半拋物線形”分布。其中,拋物線形趨勢隨應(yīng)力水平的升高而增強,直線形趨勢隨含水率增長而增強。

2.2 側(cè)壓力系數(shù)

由圖3可得,淤泥質(zhì)土側(cè)壓力系數(shù)變化的整體規(guī)律是隨深度增長而增長,逐漸趨近于1。分析表4中數(shù)值,在同一高度處,側(cè)壓力系數(shù)隨含水率變化規(guī)律不明顯。對于3種含水率試樣,側(cè)壓力系數(shù)均隨深度增長而增長,且增長幅度逐漸降低,最終在20,30 cm處穩(wěn)定在1附近。在正常固結(jié)的靜力加載狀態(tài)下,土的側(cè)壓力系數(shù)不可能超過水的側(cè)壓力系數(shù),其最大值應(yīng)為1。因此,30 cm處側(cè)壓力系數(shù)可視為1。在30 cm處出現(xiàn)側(cè)壓力系數(shù)略大于1的情況,通過與傳感器廠商溝通,可能是由于該處豎向土壓力傳感器的試驗環(huán)境與標(biāo)定環(huán)境略有不同,按標(biāo)定過程所取的靈敏度與試驗環(huán)境下的實際靈敏度有細(xì)微差別,進(jìn)而引起實測值略微偏小。

圖3 工況1側(cè)壓力系數(shù)沿深度分布

表4 工況1側(cè)壓力系數(shù)平均值

由前述分析,試樣由于室內(nèi)條件的限制,以20 cm為界存在非穩(wěn)定區(qū)與穩(wěn)定區(qū)。分析穩(wěn)定區(qū)側(cè)壓力系數(shù)試驗結(jié)果,可以得出,在穩(wěn)定區(qū),3種含水率土樣側(cè)壓力系數(shù)均接近1,隨含水率變化不大。這表明,對于深厚淤泥質(zhì)土,取保守值,其封閉狀態(tài)下側(cè)壓力傳遞系數(shù)可認(rèn)為是1。

2.3 硬殼層完整性對側(cè)壓力傳遞的影響

取現(xiàn)象較為典型的40%含水率試樣,在2 cm位置進(jìn)行不同工況下土中與筒壁側(cè)壓力對比,結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同工況下土中與筒壁側(cè)壓力

在中心局部加載條件下,當(dāng)硬殼層完整時(工況2),筒壁側(cè)壓力始終大于土中側(cè)壓力,其并不符合側(cè)壓力隨距離逐漸衰減的一般認(rèn)識。這是由于硬殼層受荷彎沉使荷載擴散至下覆淤泥質(zhì)土層,受到硬殼層封閉作用的約束及自身高流動性的影響,淤泥質(zhì)土向兩側(cè)擠壓流動,致使土壓力向較遠(yuǎn)距離傳遞。由于土中傳感器位移不受約束,筒壁土壓力傳感器位移鎖定在堅硬面,因此出現(xiàn)了筒壁所測土壓力大于中心位置的反?，F(xiàn)象,這也驗證了“類帕斯卡效應(yīng)”[6]的存在。

對于硬殼層中心破壞、局部加載的工況3,其由下部軟弱淤泥質(zhì)土直接承擔(dān)外荷載,故應(yīng)力水平小于硬殼層完整工況。在加載期間,土樣中心側(cè)壓力始終大于筒壁側(cè)壓力,這與布幸內(nèi)斯克彈性解[20]的規(guī)律一致。但引起注意的是,在試驗后半程,土中、筒壁土壓力之差逐漸減小,這說明,隨著外荷載的增大,淤泥質(zhì)土側(cè)向流動擠壓加劇,硬殼層的封閉作用逐步顯現(xiàn),導(dǎo)致局部荷載的影響范圍和影響程度逐漸加大,“類帕斯卡效應(yīng)”逐漸顯現(xiàn)。

對于滿布加載(工況1),不同水平位置的側(cè)壓力則相差不大,這與彈性半無限體理論一致。在試驗后1/3程,隨著外荷載增大,筒壁土壓力逐漸大于土中土壓力,這可能是由于土體受荷壓縮,引起硬殼層下沉,造成筒壁傳感器與硬度較大的硬殼層距離過近,引起一定程度的應(yīng)力集中。

3 結(jié)論

通過對封閉狀態(tài)下不同含水率淤泥質(zhì)土進(jìn)行的3種工況的室內(nèi)試驗,得出如下結(jié)論。

(1)封閉淤泥質(zhì)土側(cè)壓力沿深度分布具有類似流體的性質(zhì),呈半拋物線形分布。半拋物線上半段側(cè)壓力隨深度增加而增加,下半段土壓力隨深度衰減不明顯、近似直線。拋物線趨勢隨荷載水平增大而增強,直線趨勢隨含水率增加而增強。

(2)封閉淤泥質(zhì)土側(cè)壓力系數(shù)在非穩(wěn)定區(qū)沿深度增加,在穩(wěn)定區(qū)趨近于1。從工程安全角度考慮,設(shè)計時可把封閉狀態(tài)下淤泥質(zhì)土側(cè)壓力系數(shù)取為1。

(3)硬殼層完整性對土壓力側(cè)向傳遞具有一定影響。硬殼層完整時,封閉作用明顯,導(dǎo)致側(cè)壓力具有較大的傳遞和影響范圍；硬殼層破壞時,封閉作用隨著荷載水平增加,逐步顯現(xiàn)。這種情況在工程中可能導(dǎo)致超出正常距離的影響范圍,引起遠(yuǎn)處建筑物沉降、管線下沉等,應(yīng)引起重視。

4 展望

應(yīng)當(dāng)指出,受限于室內(nèi)試驗條件,本試驗土樣與實際工程荷載下軟土的應(yīng)力狀態(tài)并不完全相同。此外,試驗本身的尺寸效應(yīng)及邊界效應(yīng)對試驗結(jié)果、尤其是土中應(yīng)力分布也有一定程度的影響。因此,本次試驗所得結(jié)果可作為支撐理論推導(dǎo)的定性分析,定量分析則有待于進(jìn)一步深入研究。同時,本試驗只進(jìn)行了封閉狀態(tài)下淤泥質(zhì)土側(cè)壓力分布規(guī)律的研究,以后應(yīng)在試驗中加入擋墻、樁基等結(jié)構(gòu)物模型,研究封閉狀態(tài)下淤泥質(zhì)土側(cè)壓力在結(jié)構(gòu)物上的作用規(guī)律。