長(zhǎng)江口軟基圍堤施工的加載速率效應(yīng)

趙丁鳳,錢 健,潘 強(qiáng),孫近陽(yáng),賈敏才

(1.中交上海航道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200120；2.同濟(jì)大學(xué) 地下建筑與工程系，上海 200092)

隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，為緩解土地用地日益緊缺的問題，可持續(xù)利用灘涂資源的圍海造陸工程不斷興起。圍堤工程的堤壩通常建于深厚的淤泥質(zhì)軟土地基上，受沉積環(huán)境和土體顆粒性質(zhì)影響，軟黏土普遍具有含水量高、壓縮性大、強(qiáng)度低、透水性差的特性。國(guó)內(nèi)外在類似的灘涂、海堤圍填造地工程中也積累了較多經(jīng)驗(yàn)。

袋裝砂棱體快速堆載是圍堤施工較為常用的方法。在施工過程中，當(dāng)監(jiān)測(cè)到深層土體位移(沉降)速率超限時(shí)，則適當(dāng)放緩施工進(jìn)度甚至?xí)和Ｔ搮^(qū)域范圍內(nèi)的全部施工，但對(duì)確保工程穩(wěn)定性的效果仍不明朗，且不利于控制工期。而基于目前規(guī)范[1-3]對(duì)深層土體位移(沉降)速率的控制要求，仍發(fā)現(xiàn)圍堤施工及后期運(yùn)營(yíng)中存在側(cè)向位移大的問題。已有試驗(yàn)研究結(jié)果表明，軟土具有明顯的加載速率效應(yīng)，在宏觀上表現(xiàn)為不排水抗剪強(qiáng)度的加載速率效應(yīng)[4-9]。針對(duì)該現(xiàn)象，Hinchberger等[10]和Qu等[11]提出了速率敏感參數(shù)的概念來定義應(yīng)變速率變化對(duì)土體強(qiáng)度參數(shù)的影響。此外，Hanzawa等[12]、Kabbaj等[13]對(duì)比了軟黏土室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系指出，工程施工堆載軟基的應(yīng)變速率為10-5～10-4/h，而實(shí)驗(yàn)室常規(guī)試驗(yàn)的應(yīng)變速率為5×10-3～5×10-2/h，量級(jí)差異較大。朱啟銀等[14]針對(duì)軟黏土加載速率效應(yīng)也指出，單純以實(shí)驗(yàn)室加載速率標(biāo)準(zhǔn)下取得的抗剪強(qiáng)度作為工程設(shè)計(jì)依據(jù)，而不考慮土的加載速率效應(yīng)，極易導(dǎo)致圍堤在施工階段時(shí)發(fā)生失穩(wěn)。因此，根據(jù)工程特點(diǎn)，仍須進(jìn)一步開展特定加載路徑下區(qū)域性軟黏土的工程特性研究。

圍堤施工大部分為分級(jí)加載法，即每級(jí)荷載增加后需要靜置一段時(shí)間，再進(jìn)行下一級(jí)堆載。由于圍堤工程施工工期短、堆載速率快，故可認(rèn)為在施工過程中土體水未能及時(shí)排出，我國(guó)大部分圍堤工程均采用不排水條件下的試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。此外，對(duì)于未經(jīng)地基處理的天然結(jié)構(gòu)性的軟土地基，土體滲透系數(shù)低、分級(jí)靜置過程中固結(jié)緩慢，強(qiáng)度增長(zhǎng)非常有限。因此，可主要考慮加載速率對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、靜置時(shí)間對(duì)軟黏土地基觸變性和流變作用的影響?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)一般耗時(shí)較長(zhǎng)，自然環(huán)境復(fù)雜多變，控制試驗(yàn)條件困難，目前仍以室內(nèi)試驗(yàn)為主要研究手段。Hinchberger等[15]通過統(tǒng)計(jì)大量的三軸試驗(yàn)結(jié)果表明，不排水抗剪強(qiáng)度的增長(zhǎng)幅度與土體固結(jié)狀態(tài)、固結(jié)應(yīng)力及試驗(yàn)類型(伸長(zhǎng)或壓縮)均無(wú)關(guān)，僅與土體的物理力學(xué)性質(zhì)相關(guān)。鑒于此，本文以長(zhǎng)江口某圍堤建設(shè)工程為例，通過不同分級(jí)加載及靜置時(shí)間下的室內(nèi)三軸試驗(yàn)，開展長(zhǎng)江口軟黏土結(jié)構(gòu)性破壞下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、結(jié)構(gòu)損傷特性、破壞強(qiáng)度、應(yīng)變速率的試驗(yàn)研究，預(yù)測(cè)長(zhǎng)期條件下的土體力學(xué)行為，并為圍堤施工的合理方案確定提出相關(guān)建議。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)土樣

試驗(yàn)土樣取自長(zhǎng)江口9 ～ 16 m深度范圍內(nèi)的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，為該工程堤基的主要壓縮層，土體天然含水率大，呈流塑狀態(tài)，具有高壓縮性，主要物理性質(zhì)指標(biāo)：含水率w為38.4%，濕密度ρ為1.83 t/m3,土粒相對(duì)密度Gs為2.73，孔隙比e為1.06，飽和度Sr為98.6%，液限ωL、塑限ωP分別為36.1%、21.2%，塑性指數(shù)IP、液性指數(shù)IL分別為14.9、1.25，垂直向滲透系數(shù)Kv、水平向滲透系數(shù)Kh分別為5.65×10-7、35.3×10-7cm/s，壓縮系數(shù)a1-2為0.71 MPa-1,壓縮模量Es為2.925 MPa。

1.2 試驗(yàn)儀器和試樣制備

試驗(yàn)采用GDS多功能三軸儀。試樣為實(shí)心圓柱形，上、中、下的平均直徑約為39.1 mm，高度為80 mm。試樣制備完成后，采用真空飽和法進(jìn)行飽和。隨后裝樣進(jìn)行反壓飽和，反壓加至300 kPa，至孔壓系數(shù)B值大于0.98時(shí)認(rèn)為試樣飽和。

1.3 試驗(yàn)方案

飽和完成后，對(duì)試樣進(jìn)行K0固結(jié)，有效圍壓為70 kPa。當(dāng)固結(jié)排水變化量小于0.1 cm3,或5 min內(nèi)的軸向變形≤ 0.005 mm，達(dá)到固結(jié)完成標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)前期試驗(yàn)測(cè)試，本次試驗(yàn)的固結(jié)時(shí)間統(tǒng)一為48 h。隨后，對(duì)試樣進(jìn)行應(yīng)力控制的不排水分級(jí)加載三軸試驗(yàn)(CTC試驗(yàn))，各試樣每級(jí)分段施加荷載，先以特定速率加載后保持荷載不變，至設(shè)計(jì)時(shí)間后再進(jìn)入下一級(jí)加載，直至試樣發(fā)生破壞。試樣的破壞標(biāo)準(zhǔn)為：應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)為應(yīng)變硬化時(shí)，取應(yīng)變達(dá)到15%時(shí)的分級(jí)應(yīng)力(σ1-σ3)a作為破壞點(diǎn)；應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)為應(yīng)變軟化時(shí)，取應(yīng)力峰值為破壞點(diǎn)。

軟黏土的結(jié)構(gòu)可能使其力學(xué)和工程特性截然不同，故本次共設(shè)計(jì)了13組試驗(yàn)，以時(shí)間為參數(shù)，系統(tǒng)性研究淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土的加載速率效應(yīng)，研究方案及相應(yīng)的試驗(yàn)強(qiáng)度結(jié)果見表1。

表1 試驗(yàn)方案及試驗(yàn)強(qiáng)度結(jié)果

2 長(zhǎng)江口軟黏土的試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 典型試驗(yàn)結(jié)果及分級(jí)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

為模擬施工堆載過程中地基土的強(qiáng)度和變形特性，現(xiàn)分析不同應(yīng)變速率下土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，各工況下得到的應(yīng)力-應(yīng)變?cè)囼?yàn)曲線如圖1所示?？梢钥闯?，隨著分級(jí)加載級(jí)數(shù)的增加，土體蠕變逐漸發(fā)揮。

注：分級(jí)加載速率為5 kPa/min，原狀土。

圖2為各級(jí)加載下土體的應(yīng)力-應(yīng)變發(fā)展關(guān)系。整體而言，當(dāng)分級(jí)應(yīng)力(σ1-σ3)a< 45 kPa時(shí)，3個(gè)加載速率下的分級(jí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線較為接近，土樣內(nèi)的剪應(yīng)力較小，并不足以破壞土體的結(jié)構(gòu)性，使得土的強(qiáng)度幾乎不受加載速率影響。此時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)可較快加載，以加快施工進(jìn)度。由圖2c)可知，當(dāng)分級(jí)總時(shí)間為300 min時(shí)，每級(jí)加載速率為1和0.2 kPa/min原狀土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本重合，表明特定間歇期下可能存在加載速率閾值，使得加載速率對(duì)土的結(jié)構(gòu)性產(chǎn)生的影響減弱。

進(jìn)一步對(duì)比同一加載模式下原狀土和重塑土的分級(jí)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系可知，由于重塑土的結(jié)構(gòu)已遭到破壞，造成同一加載模式下，重塑土的應(yīng)變較原狀土發(fā)展更快。但在不考慮固結(jié)的前提下，兩者的試驗(yàn)強(qiáng)度基本一致，即結(jié)構(gòu)損傷的快慢并不影響土體的最終強(qiáng)度。

圖2 分級(jí)加載速率對(duì)土體分級(jí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響

Vaid等[16]、Zhu等[17]對(duì)比了室內(nèi)三軸試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，結(jié)果表明：三軸不排水抗剪強(qiáng)度峰值對(duì)應(yīng)的應(yīng)變與加載速率無(wú)關(guān)。因此，現(xiàn)采用各工況下的試驗(yàn)強(qiáng)度qf來歸一化分級(jí)應(yīng)力與分級(jí)應(yīng)變的關(guān)系，如圖3所示?？梢钥闯?，歸一化后的分級(jí)應(yīng)力可基本消除加載模式對(duì)長(zhǎng)江口軟黏土應(yīng)變發(fā)展的影響，土體在軟化前呈對(duì)數(shù)發(fā)展關(guān)系。綜上，仍主要考慮加載模式對(duì)長(zhǎng)江口軟黏土強(qiáng)度的影響。

圖3 歸一化分級(jí)應(yīng)力與分級(jí)應(yīng)變的關(guān)系曲線

2.2 加載模式對(duì)強(qiáng)度的影響

為了定量分析加載速率(速率效應(yīng))和分級(jí)時(shí)間(蠕變影響)對(duì)土體強(qiáng)度的影響，匯總的原狀土和重塑土在不同加載模式下的qf值見圖4。可看出，土體強(qiáng)度與加載速率、靜置時(shí)間均存在緊密聯(lián)系。當(dāng)保持分級(jí)總時(shí)間相同時(shí)，分級(jí)加載速率越快，qf越低。而當(dāng)分級(jí)加載速率不變時(shí)，受土體蠕變的影響，分級(jí)靜置時(shí)間越長(zhǎng)，試樣的qf顯著降低。其中，加載速率為5 kPa/min，加載總時(shí)間為300 min時(shí)的qf(=105 kPa)最低。且相較于每級(jí)加載速率為1 kPa/min、靜置時(shí)間為30 min的qf(=165 kPa)，土體強(qiáng)度降低了36.4%。實(shí)際施工時(shí)，若快速堆載后伴隨較長(zhǎng)的間歇期，將不利于土體強(qiáng)度的發(fā)揮。

圖4 不同加載模式下的土體強(qiáng)度

進(jìn)一步擬合同一加載速率下的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，分級(jí)總時(shí)間ta與qf呈現(xiàn)較好的對(duì)數(shù)關(guān)系：

qf=A1lgta+A2

(1)

式中：A1為與加載總時(shí)間相關(guān)的擬合參數(shù)；A2為與分級(jí)加載速率相關(guān)的參數(shù)。對(duì)于本次試驗(yàn)，A1=-36.02時(shí)，擬合效果均較好。

現(xiàn)采用分級(jí)加載時(shí)間t1來等效分級(jí)加載速率，并與A2值建立關(guān)系，如圖5所示。經(jīng)擬合，兩者滿足如下關(guān)系：

A2=-28.98×101/t1+257.41

(2)

綜合式(1)、(2)可得：

qf=-36.02lg(t1+t2)-28.98×101/t1+257.41

(3)

式中：t2為分級(jí)靜置時(shí)間。

圖5 擬合參數(shù)A2與分級(jí)加載時(shí)間的關(guān)系

根據(jù)式(3)，給出長(zhǎng)江口軟黏土分級(jí)加載時(shí)間-分級(jí)靜置時(shí)間-強(qiáng)度的三維曲線色譜圖，見圖6?？梢钥闯觯?dāng)分級(jí)加載時(shí)間較短(< 6 min)，即加載速率較快(> 2.5 kPa/min)時(shí)，不同分級(jí)靜置時(shí)間下，土體強(qiáng)度均較低，qf普遍小于130 kPa。分級(jí)加載時(shí)間在7 ～ 40 min內(nèi)、靜置時(shí)間在35～70 min范圍內(nèi)時(shí)，土體強(qiáng)度均處于較高的水平，qf普遍超過160 kPa。此外，由色譜圖還可知，過慢的分級(jí)加載速率(大于40 min)將使土體強(qiáng)度有所降低。因此，實(shí)際施工時(shí)，控制分級(jí)加載速率，并盡量縮短分級(jí)靜置時(shí)間，可以有效防止土體蠕變導(dǎo)致的強(qiáng)度降低。

圖6 分級(jí)加載時(shí)間-分級(jí)靜置時(shí)間-強(qiáng)度的三維曲線色譜圖

2.3 加載模式對(duì)應(yīng)變速率的影響

實(shí)際工程中，通常使用變形速率的絕對(duì)值和變形趨勢(shì)來作為土體的失穩(wěn)標(biāo)準(zhǔn)。目前，根據(jù)國(guó)內(nèi)建筑和交通行業(yè)規(guī)范提出的沉降速率的控制標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)天然地基建議采用沉降速率≤10 mm/d的標(biāo)準(zhǔn)來控制填土速率，以保證填筑期間地基的穩(wěn)定性。此次試驗(yàn)土樣的應(yīng)變速率曲線見圖7。

圖7 不同加載模式下土的應(yīng)變率時(shí)程曲線

由圖7可知，每級(jí)加載時(shí)間為3 min，分級(jí)總時(shí)間為30和120 min時(shí)，土體失穩(wěn)時(shí)兩者的應(yīng)變速率相差約2.4%；每級(jí)加載時(shí)間為75 min，分級(jí)總時(shí)間為120和300 min時(shí)，土體失穩(wěn)時(shí)兩者的應(yīng)變速率相差約13.3%。而當(dāng)靜置時(shí)間均為120 min時(shí)，相較于每級(jí)加載時(shí)間為75 min土樣失穩(wěn)時(shí)的應(yīng)變率，每級(jí)加載時(shí)間為3 min土體失穩(wěn)時(shí)的應(yīng)變率更大，相差約44%。綜上，土體失穩(wěn)時(shí)的應(yīng)變率與加載速率和靜置時(shí)間均相關(guān)，但受加載速率的影響更大。因此，采用統(tǒng)一的應(yīng)變速率標(biāo)準(zhǔn)來判斷土樣是否發(fā)生破壞，仍無(wú)法很好地預(yù)判土體是否失穩(wěn)。

現(xiàn)選取加載至應(yīng)變軟化的試驗(yàn)土樣進(jìn)行討論，并給出了不同加載模式下土體每級(jí)最大應(yīng)變速率與歸一化分級(jí)應(yīng)力的發(fā)展關(guān)系，如圖8所示。整體而言，當(dāng)加荷至土體強(qiáng)度的80%前，每級(jí)最大應(yīng)變速率基本呈線性發(fā)展模式；而當(dāng)加荷超過土體強(qiáng)度的80%時(shí)(圖中灰色區(qū)域)，即使土樣尚未發(fā)生應(yīng)變軟化現(xiàn)象，分級(jí)最大應(yīng)變率也逐漸偏離加載初期的線性變化。此時(shí)，土樣已瀕臨破壞，實(shí)際工程中當(dāng)土樣每級(jí)最大應(yīng)變率發(fā)生非線性變化時(shí)，需要引起警惕。

圖8 不同加載模式下每級(jí)最大應(yīng)變率變化曲線

此外，對(duì)比各工況，分級(jí)加載速率為1 kPa/min下的每級(jí)最大應(yīng)變速率發(fā)展趨勢(shì)呈現(xiàn)較好的連續(xù)性，每級(jí)的最大應(yīng)變速率也較小，有利于加載過程中地基穩(wěn)定性的控制；而加載速率為0.2 kPa/min時(shí)，土體在破壞前仍呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系，但隨著蠕變作用的發(fā)揮，土體很有可能在下一次加載過程中突然破壞，使得土體的失穩(wěn)難以預(yù)判，易造成工程事故。

3 結(jié)論

1)三軸不排水抗剪強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的應(yīng)變與加載速率無(wú)關(guān)，但與分級(jí)加載時(shí)間和分級(jí)靜置時(shí)間存在相互作用關(guān)系，并以此建立了相應(yīng)的強(qiáng)度模型。從模型參數(shù)分析，當(dāng)加載速率大于1 kPa/min時(shí)，分級(jí)靜置時(shí)間的影響很小，此時(shí)土的不排水抗剪強(qiáng)度均較低。當(dāng)分級(jí)加載速率小于1 kPa/min時(shí)，分級(jí)靜置時(shí)間越短，土的不排水抗剪強(qiáng)度越高。實(shí)際施工時(shí)，選取相對(duì)較慢的分級(jí)加載速率，并盡量縮短分級(jí)靜置時(shí)間，可以有效防止土體蠕變導(dǎo)致的強(qiáng)度降低。

2)當(dāng)分級(jí)應(yīng)力(σ1-σ3)a< 45 kPa時(shí)，加載速率對(duì)強(qiáng)度的影響并不明顯。此時(shí)土樣內(nèi)的剪應(yīng)力較小，并不足以破壞土體的結(jié)構(gòu)性，使得土的強(qiáng)度幾乎不受加載速率影響。在加載初期，長(zhǎng)江口軟黏土受結(jié)構(gòu)性保護(hù)，在較快的加載速率下仍能保持強(qiáng)度，故建議適當(dāng)提高加載速率、縮短施工工期。同時(shí)，在較高堆載下也將有助于提高軟黏土未來的排水和固結(jié)速度。

3)從應(yīng)變率曲線來看，利用變形速率的絕對(duì)值來判斷土體失穩(wěn)缺乏說服力，土體失穩(wěn)時(shí)的應(yīng)變率與加載速率和靜置時(shí)間均有一定關(guān)系，且受加載速率的影響更大。當(dāng)分級(jí)最大應(yīng)變率偏離加載初期的線性變化或達(dá)到不排水抗剪強(qiáng)度的80%時(shí)，需要引起警惕。在加載的中和末期，長(zhǎng)江口軟黏土的結(jié)構(gòu)性逐漸被破壞，應(yīng)變率不斷提升，建議此時(shí)逐漸加強(qiáng)對(duì)應(yīng)變率的監(jiān)測(cè)，適當(dāng)提升最大應(yīng)變率的控制標(biāo)準(zhǔn)，及時(shí)關(guān)注應(yīng)變率的變化趨勢(shì)，當(dāng)分級(jí)最大應(yīng)變率呈非線性變化時(shí)，隨時(shí)調(diào)整施工方案，以避免工程事故的發(fā)生。