基于不同應(yīng)力路徑加載的黃土蠕變研究的綜述

李麗

摘要：針對(duì)黃土蠕變問題，結(jié)合對(duì)相關(guān)學(xué)者所采用的一維固結(jié)蠕變?cè)囼?yàn)、三軸蠕變?cè)囼?yàn)、平面蠕變?cè)囼?yàn)及其他試驗(yàn)方法下所展開的研究進(jìn)行簡(jiǎn)要論述，目的是對(duì)未來黃土蠕變的后續(xù)研究提供一些有益的參考和借鑒。

Abstract： Aiming at the question of loess creep， this paper briefly discusses the research carried out under the one-dimensional consolidation creep test， triaxial creep test， plane creep test and other creep tests adopted by relevant scholars， in order to provide some useful references for the follow-up research of loess creep in the future.

關(guān)鍵詞：黃土;蠕變?cè)囼?yàn);應(yīng)力路徑;研究現(xiàn)狀

Key words： the loess;creep test;stress path;the research status

中圖分類號(hào)：TU444 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2020）25-0251-03

0 ?引言

中國是世界上黃土分布范圍最廣、厚度最大的國家。近年，隨著經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展及“西部大開發(fā)”、“一帶一路”等戰(zhàn)略的實(shí)施，西部城鎮(zhèn)建設(shè)工作大力開展，用地需求不斷增加，極大地推動(dòng)了對(duì)黃土的深入研究。

黃土屬于典型的非飽和土，具有獨(dú)特的柱狀節(jié)理與高孔隙性，其物理力學(xué)性質(zhì)受含水狀態(tài)影響較大。因其特殊的結(jié)構(gòu)性與水敏感性，黃土產(chǎn)生的持續(xù)性蠕變?nèi)菀滓疬吰禄?、路基挖方邊坡失穩(wěn)、建筑物地基沉降等工程破壞問題，嚴(yán)重威脅到人民的生命財(cái)產(chǎn)安全[1-2]。目前，已有眾多學(xué)者對(duì)黃土的蠕變問題展開了研究[3-8]。黃土蠕變的試驗(yàn)方法大致分為兩種：現(xiàn)場(chǎng)蠕變位移監(jiān)測(cè)、室內(nèi)蠕變?cè)囼?yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)蠕變位移監(jiān)測(cè)[9-10]經(jīng)濟(jì)成本相對(duì)較高，且易受到環(huán)境干擾，但在工程實(shí)踐中必不可少;室內(nèi)蠕變?cè)囼?yàn)?zāi)鼙憬?、?zhǔn)確地得到蠕變變形曲線及其特征參數(shù)，包括微觀試驗(yàn)與宏觀試驗(yàn);部分學(xué)者在完成現(xiàn)場(chǎng)蠕變位移監(jiān)測(cè)或室內(nèi)蠕變?cè)囼?yàn)后還會(huì)基于有限元法等對(duì)相關(guān)問題進(jìn)行數(shù)值模擬。

本文就相關(guān)學(xué)者對(duì)黃土蠕變室內(nèi)試驗(yàn)研究的三個(gè)方面做以概括和總結(jié)，以期對(duì)后續(xù)研究提供一些有益的參考和借鑒。

1 ?研究現(xiàn)狀

1.1 基于一維固結(jié)蠕變?cè)囼?yàn)的黃土蠕變特性研究現(xiàn)狀

2015年，葛苗苗等[11]開展大量一維固結(jié)蠕變?cè)囼?yàn)，討論含水率、壓實(shí)度對(duì)蠕變特性的影響，驗(yàn)證了在反映壓實(shí)黃土應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系時(shí)Burger模型的適用性，并基于模型使用數(shù)值仿真軟件得到黃土高填方工后沉降規(guī)律。此后，葛苗苗等[12]又針對(duì)壓實(shí)黃土進(jìn)行了長(zhǎng)期蠕變?cè)囼?yàn)，得到了一種非線性經(jīng)驗(yàn)蠕變模型，并在此基礎(chǔ)上，得到工后沉降與填料的含水率、壓實(shí)度間滿足對(duì)數(shù)關(guān)系。周遠(yuǎn)強(qiáng)等[13]以呂粱機(jī)場(chǎng)黃土高填方為背景，對(duì)重塑黃土進(jìn)行單軸固結(jié)蠕變?cè)囼?yàn)，獲得了變形時(shí)效參數(shù)。并基于填方體及原地基相關(guān)因素，分析工后沉降敏感度系數(shù)變化規(guī)律。羅汀等[14]把蠕變時(shí)間也假設(shè)成一種加載，在最終荷載、蠕變時(shí)間相同的條件下，通過改變荷載與蠕變的加載次序，進(jìn)行了四種加載方式下的一維蠕變?cè)囼?yàn)，得到了加載路徑對(duì)重塑黃土蠕變變形的影響規(guī)律。張?jiān)ゴǖ萚15]展開一維固結(jié)蠕變?cè)囼?yàn)，選取不同模型擬合壓實(shí)黃土應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系，對(duì)比發(fā)現(xiàn)Burgers模型能較好描述該變形規(guī)律，并在數(shù)值模擬后得到黃土高填方的沉降穩(wěn)定期限。谷拴成等[16]基于一維固結(jié)儀，將土樣制成圓柱形，在中心沿直徑方向鉆孔，放置攝像探頭，全程監(jiān)測(cè)黃土在蠕變各個(gè)階段的變化。相較傳統(tǒng)固結(jié)儀，得到了蠕變的衰減、穩(wěn)定、加速三個(gè)完整階段，且此方法易操作、影響因素少、數(shù)據(jù)可靠性更強(qiáng)。

1.2 基于三軸蠕變?cè)囼?yàn)的黃土蠕變特性研究現(xiàn)狀

王松鶴等[17]對(duì)陜西楊凌某黃土邊坡試樣開展了三軸剪切蠕變?cè)囼?yàn)，討論時(shí)間、偏應(yīng)力對(duì)應(yīng)變速率的影響，建立了經(jīng)驗(yàn)蠕變模型，與Burgers模型相比，精度更高、參數(shù)更少且易獲取，能更好描述該地區(qū)黃土的應(yīng)力-應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系。此外，筆者還基于該試驗(yàn)推導(dǎo)并驗(yàn)證了在三軸應(yīng)力條件下，黏滯系數(shù)與時(shí)間、偏應(yīng)力的經(jīng)驗(yàn)公式。李廣冬等[18]針對(duì)陜西武功縣Q3黃土，利用改進(jìn)的應(yīng)力型三軸蠕變儀，開展三軸剪切蠕變?cè)囼?yàn)，探討圍壓、干體積質(zhì)量、含水率對(duì)蠕變變形的影響，并提出了經(jīng)驗(yàn)蠕變模型。趙憲民等[19]針對(duì)延安地區(qū)Q2黃土，開展了三軸蠕變?cè)囼?yàn)，分析應(yīng)力水平、圍壓、含水率對(duì)蠕變規(guī)律的影響，建立了在三維應(yīng)力條件下考慮瞬時(shí)損傷的本構(gòu)模型，擬合發(fā)現(xiàn)，此模型適用于該地區(qū)Q2黃土的蠕變研究。王鵬程等[20]把陜西涇陽縣某邊坡重塑黃土作為研究對(duì)象，開展三軸固結(jié)排水蠕變?cè)囼?yàn)，重點(diǎn)研究了土樣在0.90壓實(shí)度下，含水率、圍壓對(duì)蠕變特性的影響，并據(jù)此建立兩種經(jīng)驗(yàn)蠕變模型。唐皓等[21]在不同含水量條件下，對(duì)Q2黃土開展三軸蠕變?cè)囼?yàn)，并選用四元件非線性蠕變模型，該模型含有基于分?jǐn)?shù)階微積分所得的元件，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理，得到了含水損傷蠕變模型，可以有效描述Q2黃土的流變特征。張昊等[22]針對(duì)延安機(jī)場(chǎng)高填方黃土，在不同圍壓條件下，進(jìn)行三軸固結(jié)不排水蠕變?cè)囼?yàn)，建立了高應(yīng)力條件下高填方地基黃土的蠕變經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀＠缀愕萚23]在研究陜西扶風(fēng)縣黃土邊坡的穩(wěn)定性時(shí)，采用SR-60型雙聯(lián)三軸蠕變儀，開展三軸固結(jié)排水蠕變?cè)囼?yàn)，分析了含水率、固結(jié)圍壓、偏應(yīng)力水平對(duì)蠕變變形的影響規(guī)律，并得到擬合精度高、能較好模擬該地區(qū)黃土蠕變過程的Singh-Mitchell修正模型。郭鴻等[24]使用SR-6型三聯(lián)式三軸蠕變儀，進(jìn)行固結(jié)排水蠕變?cè)囼?yàn)，研究在分別加載、分級(jí)加載時(shí)的蠕變特性，并提出了在這兩種不同的加載方式下，蠕變變形穩(wěn)定值間的轉(zhuǎn)換經(jīng)驗(yàn)公式、離散元模型。楊春景等[25]利用SR-60型雙聯(lián)三軸蠕變儀，對(duì)非飽和重塑黃土開展固結(jié)排水蠕變?cè)囼?yàn)，并據(jù)此建立經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，與Singh-Mitchell、Mesri模型相比，該模型精度高、參數(shù)少且易獲得。范濤等[26]針對(duì)延安地區(qū)重塑Q3黃土，通過改進(jìn)K0三軸蠕變儀，進(jìn)行三軸固結(jié)排水蠕變?cè)囼?yàn)，得到了關(guān)于豎向應(yīng)力的自定義蠕變模型與參數(shù)，適用于描述該地區(qū)重塑Q3黃土的蠕變特性。陳勇戰(zhàn)等[27]研究山西太原某地重塑黃土?xí)r，利用一維壓縮儀器、Geocomp全自動(dòng)三軸儀，開展了一系列為期72天的一維壓縮蠕變?cè)囼?yàn)、三軸固結(jié)排水蠕變?cè)囼?yàn)，得到了重塑黃土在循環(huán)加卸載時(shí)的一維蠕變特性、及在不同圍壓下的三軸蠕變特性。王新剛等[28]采用改進(jìn)的FSR-10非飽和三軸蠕變儀，在控制基質(zhì)吸力狀態(tài)下，對(duì)黃土開展了三軸蠕變?cè)囼?yàn)，得到偏應(yīng)力、基質(zhì)吸力、圍壓對(duì)蠕變特性的影響。谷拴成等[29]基于SR-6型土體三軸流變?cè)囼?yàn)機(jī)，采用分組加卸載方式開展試驗(yàn)，獲得了原狀Q3黃土的加卸載曲線、應(yīng)變速率—時(shí)間曲線;并據(jù)此建立加速西原模型，此模型能很好地描述黃土的加速蠕變階段;筆者還根據(jù)冪函數(shù)方程，提出了適用于西安地區(qū)Q3黃土的長(zhǎng)期強(qiáng)度方程。蔣煉等[30]通過不同溫度作用下凍結(jié)黃土的蠕變?cè)囼?yàn)，得到了軸向應(yīng)變、體應(yīng)變隨時(shí)間的變化關(guān)系。歐湘萍等[31]對(duì)蘭州定遠(yuǎn)隧道的黃土進(jìn)行了三軸蠕變?cè)囼?yàn)，在探討多種本構(gòu)模型后，最后確定了適用于描述該隧道濕陷性黃土流變特性的本構(gòu)模型。

1.3 基于平面蠕變?cè)囼?yàn)等的黃土蠕變特性研究現(xiàn)狀

為了能更準(zhǔn)確地解決平面應(yīng)變狀態(tài)下的黃土蠕變問題，胡連信等[32]把真三軸儀通過兩次改造為平面蠕變儀，進(jìn)行了固結(jié)平面蠕變?cè)囼?yàn)，得到了在不同偏應(yīng)力水平下平面蠕變的軸向、側(cè)向形變量及穩(wěn)定時(shí)間規(guī)律。郭鴻等[33]利用改造的平面蠕變儀，開展了固結(jié)蠕變?cè)囼?yàn)，分析含水率、固結(jié)壓力、剪應(yīng)力對(duì)重塑黃土蠕變變形的影響，建立了適用于描述黃土平面蠕變的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

此外，劉身偉等[34]對(duì)黃土滑坡原狀滑帶土開展蠕變與應(yīng)力松弛試驗(yàn)，得到了不同應(yīng)力等級(jí)下土樣的蠕變曲線、應(yīng)力松弛曲線，據(jù)此探討了黃土滑坡滑帶土的流變特性。龐旭卿等[35]采用載荷裝置和高壓固結(jié)儀，對(duì)不同強(qiáng)夯水平下壓實(shí)黃土開展蠕變?cè)囼?yàn)，探討含水率、壓實(shí)度對(duì)結(jié)構(gòu)屈服強(qiáng)度的影響，提出了能描述壓實(shí)黃土流變特征的本構(gòu)模型。李金華等[36]針對(duì)延安地區(qū)的黃土高填方，開展了高壓固結(jié)蠕變?cè)囼?yàn)，討論初始含水率、壓實(shí)度、固結(jié)壓力等對(duì)蠕變變形的影響，得到了可反映該地區(qū)高填方工后沉降的蠕變模型。王永剛等[37]針對(duì)蘭州濕陷性黃土隧道，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)、微觀結(jié)構(gòu)測(cè)試、數(shù)值模擬等，系統(tǒng)地研究了此種隧道的病害機(jī)理、基底加固、長(zhǎng)期蠕變特性。陳瓊等[38]為了研究黃土坡滑坡滑帶土在不同固結(jié)狀態(tài)下的蠕變特性，先采用單向加載、加載-卸載、加載-卸載-再加載的方式分別固結(jié)滑帶土，再在不同固結(jié)狀態(tài)下對(duì)滑帶土開展剪切蠕變?cè)囼?yàn)，擬合分析后發(fā)現(xiàn)Burgers模型能夠較好地反映滑帶土在不同固結(jié)狀態(tài)下的蠕變特性。

2 ?結(jié)論與展望

本文通過對(duì)大量文獻(xiàn)的閱讀與總結(jié)，論述了不同應(yīng)力加載路徑下學(xué)者所展開的黃土蠕變?cè)囼?yàn)研究的概況。針對(duì)黃土蠕變的試驗(yàn)研究，從一維固結(jié)蠕變?cè)囼?yàn)到三軸蠕變?cè)囼?yàn)，再到平面蠕變?cè)囼?yàn)及其它蠕變?cè)囼?yàn)研究;加載路徑由常規(guī)三軸應(yīng)力路徑到多種復(fù)雜應(yīng)力路徑;針對(duì)黃土蠕變特性的分析，也由宏觀特性深入到宏觀、微觀相結(jié)合的力學(xué)特征分析。在黃土蠕變?cè)囼?yàn)研究中，離不開壓實(shí)度、含水率、圍壓、偏應(yīng)力水平等因素對(duì)黃土蠕變變形的影響，討論經(jīng)典模型在各地區(qū)黃土應(yīng)力-應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系中的適用性，通過數(shù)值模擬進(jìn)行修正或提出可反映該地區(qū)的經(jīng)驗(yàn)蠕變模型，描述壓實(shí)黃土變形規(guī)律，以便對(duì)實(shí)際施工提供一些參考。對(duì)黃土蠕變的研究歷經(jīng)多年已經(jīng)取得不錯(cuò)的成效，但由于土體自身的復(fù)雜多變性，仍存在很多問題有待解決。目前所展開的室內(nèi)試驗(yàn)研究，還處于理論積累階段，其研究成果在工程的應(yīng)用還存在一些理論論證過程;有學(xué)者引進(jìn)或研發(fā)了一些新型試驗(yàn)設(shè)備，得到了新的研究成果，但還未在大范圍內(nèi)進(jìn)行推廣，其適用性也還有待進(jìn)一步的驗(yàn)證。如何探索出更直觀、更方便地觀察黃土土體蠕變變化的研究方法，得到蠕變各階段更完整的變形過程，構(gòu)建能更準(zhǔn)確描述蠕變特性的模型，并廣泛地應(yīng)用到工程實(shí)踐中，將是我們未來研究的方向和目標(biāo)。

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