土體壓縮-回彈變形特性試驗(yàn)研究

楊 星，錢 衛(wèi)，武立林，盧洪寧，張海濤

(河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京211100)

地面沉降是由于地殼表層土體壓縮而導(dǎo)致區(qū)域性地面標(biāo)高降低的一種不可補(bǔ)償?shù)挠谰眯原h(huán)境和資源損失[1-2]。造成地面沉降最主要的因素是松散土層結(jié)構(gòu)由于地下水過度抽取引起的土層壓縮，土體的壓縮-回彈特性決定了土體變形的特征。

目前，眾多學(xué)者認(rèn)為土體的壓縮-回彈特性與土體的變形以及地面沉降有十分重要的聯(lián)系[3-13]。而且，目前的研究主要集中于粘性土體，缺少砂性土以及兩者之間的對(duì)比。本文開展了不同土體在不同狀態(tài)下的壓縮-回彈試驗(yàn)，研究成果可為地面沉降的防治工作提供一定的參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)采用的砂土來自于江蘇省南京市，主要的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。黏土為長(zhǎng)江中下游地區(qū)廣泛分布的下蜀土，顏色較砂土深，含水率較高，其主要的物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。粉土取自江蘇省常州市，其主要的物理力學(xué)參數(shù)如表3所示。

表3 粉土的物理力學(xué)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)原理

固結(jié)試驗(yàn)(亦稱壓縮試驗(yàn))是研究土的壓縮性的最基本的方法。固結(jié)試驗(yàn)就是將天然狀態(tài)下的原狀土或人工制備的擾動(dòng)土，制備成一定規(guī)格的土樣，然后將土樣置于固結(jié)儀容器內(nèi)，逐級(jí)施加荷載，測(cè)定試樣在側(cè)限與軸向排水條件下壓縮變形，以及變形和壓力的關(guān)系，孔隙比和壓力的關(guān)系，變形和時(shí)間的關(guān)系。

設(shè)土樣的初始高度為H0，初始孔隙比為e0，在荷載P作用下，土樣穩(wěn)定后的總壓縮量為ΔH，假設(shè)土粒體積Vs=1，且不變，根據(jù)土的孔隙比的定義e=Vv/Vs，則受壓前后土的孔隙體積Vv分別為e0和e，因?yàn)槭軌呵昂笸亮ｓw積不變，且土樣橫截面積不變，所有受壓前后試樣中土粒所占的高度不變，因此，根據(jù)荷載作用下土樣壓縮穩(wěn)定后的總壓縮量ΔH，即可得到相應(yīng)的孔隙比e的計(jì)算公式：

(1)

1.3 試驗(yàn)方法

為研究試樣土的壓縮性，本論文設(shè)計(jì)不同參數(shù)土樣的壓縮固結(jié)試驗(yàn)，通過控制密度、土體性質(zhì)、含水率等參數(shù)研究其對(duì)土體壓縮回彈性質(zhì)的影響。試驗(yàn)所用儀器為WG(GDG)型杠桿式高壓固結(jié)儀。

根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(GB 50123-1999)》相關(guān)要求，選擇面積為30 cm2的環(huán)刀進(jìn)行試樣的制備，試樣的相關(guān)參數(shù)如表4所示。將制備的土樣按以上標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，加載壓力依次為12.5、25、50、100、200、400、600、800 kPa，每一級(jí)荷載的施加均需等上次荷載變形完全穩(wěn)定后再施加下一級(jí)荷載。在加載全部完成后，進(jìn)行回彈試驗(yàn)，回彈時(shí)同樣逐級(jí)卸載，等上一級(jí)變形完全穩(wěn)定后，再進(jìn)行下一級(jí)卸載并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表4 試樣的基本參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)試樣進(jìn)行壓縮-回彈試驗(yàn)后，試驗(yàn)結(jié)果見表5和表6。根據(jù)以上七種土樣在不同固結(jié)壓力下的孔隙比變化，可對(duì)土樣的壓縮-回彈特性與土樣密度、土體性質(zhì)和含水率之間的影響進(jìn)行分析。

2.1.1 土體壓縮-回彈特性與密度的關(guān)系

控制含水率、固結(jié)壓力等其他參數(shù)不變，可以得到不同密度土體壓縮的e-p曲線，由圖1可知，隨著密度的減少，黏土在同一固結(jié)應(yīng)力下的孔隙比等比例增加，分析由于黏土的密度較小，其在相同的體積下顆粒質(zhì)量小，因此孔隙的占比大，在同樣壓力作用下，可以更好地壓縮孔隙體積，壓縮性也更強(qiáng)。此外，在400 kPa壓力下，四個(gè)密度的黏土土樣均有應(yīng)變突增的表現(xiàn)，推測(cè)主要是由于前期顆粒的排列重組以及孔隙間自由水的排出，到300～400 kPa的壓力時(shí)，自由水基本排出，黏土顆粒表面的結(jié)合水膜相互接觸，厚度變薄，而密度較小的黏土土樣，顆粒的比表面積越大，可接觸并變薄的結(jié)合水膜面積越大，因此在相同的固結(jié)壓力下，其孔隙比越大。

表5 壓縮過程中土樣孔隙比變化情況

表6 回彈過程中土樣孔隙比變化情況

圖1 不同密度黏土在壓縮過程中的e-p曲線Fig.1 The e-p curve of clay with different density during compression

圖2 不同土性土體在壓縮過程中的e-p曲線Fig.2 The e -p curve of soil with different soil properties during compression

2.1.2 土體壓縮性與土體性質(zhì)的關(guān)系

由圖2可知，在相同固結(jié)應(yīng)力下，砂土、粉土、黏土的壓縮性表現(xiàn)為黏土最大，依次為粉土、砂土，分析其原因可知砂土的壓縮主要依靠顆粒的移動(dòng)和結(jié)構(gòu)的重組，而粉土、黏土等土樣內(nèi)還有結(jié)合水、自由水的存在，其壓縮不僅有顆粒的滑移及重組，還包括有自由水的排出與結(jié)合水膜的變形，因此在相同密度的條件下其壓縮性高于砂土。此外，砂土顆粒之間主要為點(diǎn)-點(diǎn)接觸，而隨著土體稠度增加，逐漸變?yōu)槊?面甚至堆疊式接觸，當(dāng)砂土顆粒的孔隙被填滿后，砂土便不再變形，而粉土、黏土的稠度增加使其接觸面的滑動(dòng)更加輕松，在相同壓力作用下，其變形更加顯著。

2.1.3 土體壓縮性與含水率的關(guān)系

如圖3所示，黏土C5的含水率為25%，黏土C4的含水率為30%，基本上在相同密度和相同固結(jié)壓力下，隨著含水率的增大，土顆粒中自由水與飽和水的含量增多，其可壓縮性也隨之增大。

圖3 不同含水率土體在壓縮過程中的e-p曲線Fig.3 The e-p curve of soil with different moisture content during compression

在固結(jié)壓力為0～200 kPa時(shí)，含水率的增加會(huì)大大增加土體的壓縮變形量，兩者之間的孔隙比差值達(dá)到0.07，分析可知在壓縮前期，壓縮主要依賴顆粒間的移動(dòng)和破碎重組，自由水和結(jié)合水的存在減少了顆粒間的摩阻力，從而幫助其產(chǎn)生更快更大的壓密變形；但到壓縮后期即400～800 kPa階段，黏土顆粒間的自由水基本排出，壓縮主要以顆粒結(jié)合水膜的變形為主，兩者并沒有拉開較大的差距，孔隙比差值為0.02。

2.2 變形特性分析

砂土的顆粒大小不一，形狀基本呈幾何不規(guī)則狀，顆粒之間相互接觸，接觸方式多為點(diǎn)-點(diǎn)、點(diǎn)-面接觸，在收到外力作用時(shí)，接觸點(diǎn)發(fā)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致應(yīng)力大于摩阻力，發(fā)生固體顆粒的滑動(dòng)、孔隙坍塌以及顆粒結(jié)構(gòu)的重組。在回彈過程中，由于顆粒結(jié)構(gòu)的改變是不可逆的，因此砂土的回彈量并不大，變形很少為彈性變形。圖4為砂土S1在固結(jié)壓力為0～800 kPa過程中的的e-p曲線。

由圖4可看出，砂土的壓縮過程主要分為三個(gè)階段：(1)在受到較小的固結(jié)壓力時(shí)，砂土發(fā)生較快的壓縮變形，顆粒沿著接觸面發(fā)生滑動(dòng)，小顆粒砂土隨著位移不斷填充進(jìn)大孔隙中，砂土骨架結(jié)構(gòu)發(fā)生彈性變形，應(yīng)變的速率隨壓力的增加而增加；(2)在固結(jié)壓力達(dá)到200 kPa時(shí)，砂土的孔隙比出現(xiàn)小幅度的增加而后減少，這是由于在固結(jié)壓力達(dá)到砂土骨架的極限荷載，顆粒之間的接觸面的摩阻力小于有效應(yīng)力的集中，在外部荷載的作用下，發(fā)生骨架坍塌以及顆粒的破碎，顆粒的破碎導(dǎo)致孔隙體積的增大，孔隙比也隨之增大，此時(shí)變形以塑性變形為主，甚至伴隨有一定程度的蠕變變形；(3)在固結(jié)應(yīng)力達(dá)到400 kPa以后，在荷載作用下砂土的壓縮變形達(dá)到最大程度，蠕變變形逐漸收斂，砂土的應(yīng)變速率逐漸減小直至最終穩(wěn)定。

圖4 砂土S1壓縮過程的e-p曲線Fig.4 The e -p curve of sand S1 compression process

圖5 砂土變形受力示意圖Fig.5 Schematic diagram of sand deformation and stress

圖5為砂土在變形過程中受力示意圖，F(xiàn)1為外部荷載對(duì)砂土結(jié)構(gòu)的力，F(xiàn)2為砂土顆粒接觸面之間的摩阻力，當(dāng)收到某一級(jí)壓力F1時(shí)，瞬間F2小于外部荷載導(dǎo)致顆粒發(fā)生移動(dòng)，孔隙體積減少，甚至顆粒破碎填充在大孔隙間，顆粒之間的接觸增加，從而使得F2不斷增大與F1趨于平衡，此時(shí)這一固結(jié)壓力F1作用下的壓縮變形結(jié)束。

砂土的壓縮特性主要受砂土顆粒的級(jí)配以及顆粒間的接觸關(guān)系控制，砂土顆粒的粒徑差距越大，顆粒形狀越復(fù)雜越容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，在相同荷載作用下更容易導(dǎo)致顆粒的破碎與結(jié)構(gòu)的重組，因此其壓縮變形量也越大；顆粒之間的接觸關(guān)系若以點(diǎn)-點(diǎn)或點(diǎn)-邊類型接觸時(shí)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，更容易發(fā)生顆粒的移動(dòng)，而邊-邊或邊-面接觸則更容易維持其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

黏土顆粒較小，基本呈粒狀、片狀，因此顆粒間基本呈邊-邊或面-面接觸，黏土顆粒結(jié)構(gòu)以“蜂窩狀”為主。此外，由于黏土顆粒本身帶電，孔隙間充斥有自由水與結(jié)合水，因此也有很多的黏土顆粒呈團(tuán)塊狀粘結(jié)在一起。黏土顆粒的壓縮回彈主要表現(xiàn)為顆?；瑒?dòng)、孔隙壓縮、自由水釋出以及結(jié)合水膜壓縮。圖6為黏土試樣C1的壓縮過程。

圖6 黏土C1壓縮過程的e-p曲線Fig.6 The e-p curve of clay C1 compression process

如圖7所示，黏土顆粒的壓縮過程與砂土顆粒類似，基本可分為三個(gè)階段：(1)在受到外力作用時(shí)，首先發(fā)生黏土顆粒間自由水的釋出，此外還包括有黏土顆粒的滑移，由于自由水充分潤(rùn)滑了顆粒間的接觸，導(dǎo)致顆粒的移動(dòng)所抵抗的摩阻力變小，因此黏土顆粒在壓縮初期呈現(xiàn)較快的壓縮變形；(2)在200 kPa的固結(jié)壓力時(shí)，黏土顆粒的孔隙比出現(xiàn)了反彈現(xiàn)象，這是由于隨著壓縮不斷進(jìn)行，自由水充分排出，顆?？紫斗植贾饾u均勻，黏土顆粒間的結(jié)合水膜相互接觸，團(tuán)塊化分布程度提高，顆粒變形轉(zhuǎn)為由結(jié)合水膜的壓縮變薄承擔(dān)；(3)隨著固結(jié)壓力的增加至400～800 kPa，黏土結(jié)合水膜壓縮變薄，黏土的飽和度不斷增加，孔隙體積減小至臨界值，顆粒之間的摩阻力逐漸增加，抗壓性也不斷增加，因此變形會(huì)逐漸趨于穩(wěn)定。值得注意的是，由于黏土顆粒間的結(jié)合水雙電子層作用，顆粒逐漸變?yōu)榻腆w狀態(tài)，回彈量明顯小于砂土，且其回彈時(shí)間也增加，具有顯著的滯后效應(yīng)。

圖7 黏土顆粒壓縮前后對(duì)比示意圖Fig.7 Schematic diagrams of comparison before and after clay particle compression

3 結(jié)論

1)砂土的壓縮變形主要是固體顆粒的滑動(dòng)、孔隙坍塌和顆粒結(jié)構(gòu)的重組，而黏土的壓縮包括顆粒滑動(dòng)、孔隙壓縮、自由水釋出以及結(jié)合水膜壓縮，其中，黏土在壓縮初期的變形較為顯著，而到后期變形較為穩(wěn)定；砂土呈現(xiàn)出相反的趨勢(shì)，在壓縮初期的變形較小，而到后期變形較為顯著。

2)砂土與黏土的變形中不可逆變形占較大比例，且黏土的壓縮回彈具有滯后性。黏土的壓縮特性與其密度、含水率等均有關(guān)系，密度越大，孔隙體積越小，可壓縮性越小；含水率越大，結(jié)合水與自由水的含量越大，顆粒之間的摩阻力越小，可壓縮性越大。

3)粉土的壓縮變形性質(zhì)具有砂土和黏土的兩種特點(diǎn)。一方面，粉土的壓縮變形特點(diǎn)與黏土相似，均為在壓縮初期的變形較為顯著，而到后期變形較為穩(wěn)定；另一方面，其壓縮性大于黏土，小于砂土，介于砂土與黏土之間。