含水率對軟土無側(cè)限強度研究

盧成偉，盧冠銅 （南京南大巖土工程技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210000）

1 引言

在軟土地基上進行施工建設(shè)，常常會因為軟土的力學(xué)特性造成地基的沉降變形，引發(fā)建筑物的損壞[1]。因此軟土地區(qū)的土壤變形控制是值得關(guān)注的問題。

關(guān)于軟土地基的特性研究和處理問題國內(nèi)外已有諸多學(xué)者做出了探究。Whittle A J 等[2]建立了小應(yīng)變模型來預(yù)測軟土地基的建筑物沉降量；楊敏等[3]在4 種不同軟土加固的基礎(chǔ)上提出一種新的地基沉降預(yù)測辦法；Peck[4]基于實測數(shù)據(jù)，將實測數(shù)據(jù)的地基沉降繪制成圖表，探究基坑距離與沉降量的關(guān)系；王衛(wèi)東等[5]對比了上海不同軟土地區(qū)的沉降實測數(shù)據(jù)，從統(tǒng)計學(xué)的角度出發(fā)探究軟土的流變特性。

本文對天然狀態(tài)的軟土和重塑土進行無側(cè)限壓縮試驗，記錄試驗后樣品的軸向應(yīng)變和側(cè)向應(yīng)變，研究加載的軸向力和樣品含水率對樣品軸向應(yīng)變和側(cè)向應(yīng)變值的影響規(guī)律。

2 試驗描述

本文將普通固結(jié)儀進行改進，去掉固結(jié)盒，只使用傳統(tǒng)固結(jié)儀的加載系統(tǒng)和位移量測系統(tǒng)，用于測量樣品的無側(cè)限壓縮應(yīng)力應(yīng)變，這里稱改進后的設(shè)備為無側(cè)限壓縮儀。將天然狀態(tài)的軟土和天然軟土制成的重塑土制成環(huán)刀樣品，使用無側(cè)限壓縮儀進行試驗，記錄試驗后樣品的軸向應(yīng)變和側(cè)向應(yīng)變，研究加載的軸向力和樣品含水率對樣品軸向應(yīng)變和側(cè)向應(yīng)變值的影響規(guī)律。

2.1 地質(zhì)條件

本文實驗用土取自江蘇省南京市的長江漫灘相沖積平原，現(xiàn)狀為待開發(fā)用地，雜草、樹木叢生，土質(zhì)為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，局部夾有中風(fēng)化巖塊，遇水易軟化，屬極破碎極軟巖。原狀土呈分層狀態(tài)，淤泥質(zhì)土與粉質(zhì)黏土黑黃交錯分布。土中有機質(zhì)含量高，帶有些許臭味，實驗用土的物理指標(biāo)見表1。根據(jù)現(xiàn)場踏勘及調(diào)查，取土場區(qū)及周邊未見有巖溶、滑坡、危巖崩塌、泥石流、采空區(qū)、地面沉降、活動斷裂等不良地質(zhì)作用和地質(zhì)災(zāi)害分布。

表1 軟土的物理力學(xué)性質(zhì)

2.2 樣品制備

取天然軟土，烘干后按照設(shè)計的含水率向土壤中均勻地加入所需含水率質(zhì)量的水分，將拌合后的土壤放置在密封袋中靜置24h，讓水分遷移均勻。控制每個樣品的干密度為1.5g/cm3。

設(shè)計樣品的含水率分別為26%、24%、22%和20%，采用分層壓實法，將樣品制備成高20mm、截面面積為30cm2的圓柱體樣品。

2.3 試驗過程

樣品的荷載施加采用分級加載的方式進行，分5 級（12.5kPa、25kPa、50kPa、100kPa和200kPa）施加荷載，施加完畢一級荷載后在飽載后的第5s、15s、30s、60s、120s、300s 和600s 讀取百分表的示數(shù)，具體試驗設(shè)計見表2。對樣品進行無側(cè)限壓縮試驗時，軸向力導(dǎo)致樣品產(chǎn)生壓縮變形，在無側(cè)向束縛的情況下，樣品還會發(fā)生側(cè)向擠壓變形，因此樣品的側(cè)邊會出現(xiàn)較大的受拉裂縫，當(dāng)出現(xiàn)這一現(xiàn)象時視為試驗結(jié)束。

表2 試驗設(shè)計

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 原狀軟土的無側(cè)限變形特性

將原狀土制備的樣品放在無側(cè)限壓縮儀中進行試驗，對試驗結(jié)果進行疊加處理。各級荷載施加后采用疊加處理，處理的數(shù)據(jù)繪制見圖1。圖1 展示了不同荷載條件下樣品的軸向和側(cè)向應(yīng)變隨加載時間的變化趨勢。由圖1 可知在各級荷載剛開始加載時樣品產(chǎn)生的變形較大，且變形速度快，隨著施加荷載的時間增長，樣品的變形速度下降；樣品的變形量隨著加載時間的增長不斷增大，但變化速率呈現(xiàn)出不斷減小的趨勢。為了更顯著地比較在無側(cè)向束縛的條件下樣品的軸向變形和側(cè)向變形的變化速率，將兩種變形的變化率繪制于圖2 中。由圖2 可知，在無側(cè)向束縛的條件下，樣品的軸向與側(cè)向變形的發(fā)展速度遠遠超過單軸壓縮有側(cè)向束縛的應(yīng)變變化速率。在0～600s 的時間內(nèi)，無側(cè)限壓縮環(huán)境中樣品的軸向應(yīng)變率從5.8%衰減為0.05%、側(cè)向應(yīng)變率從3.1%衰減為0.02%，單軸壓縮環(huán)境中樣品的軸向應(yīng)變率從0.06%衰減為0.006%；在樣品剛承受加載力值的瞬間，無側(cè)限壓縮試驗的樣品變形速率是單軸壓縮試驗樣品變形速率的98倍；在加載結(jié)束時，無側(cè)限壓縮試驗的樣品變形速率是單軸壓縮試驗樣品變形速率的8 倍。由此可見，在加載之初，相較于有側(cè)向束縛，在無側(cè)向束縛的條件下樣品的變形速率更快，但隨著加載時間的增長，樣品的變形速率差距逐漸縮小，可以說明單軸壓縮流變理論并不適用于流動狀態(tài)的軟土變形。

圖1 原狀樣軸向和側(cè)向應(yīng)變ε-t曲線

圖2 應(yīng)變率ε-t曲線

在無側(cè)向束縛的條件下，樣品中的土顆粒在受到軸向力的擠壓之后會發(fā)生位移，顆粒間的排列發(fā)生變化，導(dǎo)致粒間孔隙減小，表現(xiàn)為土體出現(xiàn)壓縮變形。由于土體在荷載作用下需要經(jīng)過很長一段時間才能達到穩(wěn)定狀態(tài)，保持變形量基本不變，在受壓變形過程中土體中的水分會漸漸在外力作用下被排除，土體顆粒間的水膜厚度減少，顆粒間的接觸面積增大，土體強度得到增強，在壓縮過程中土體漸漸達到穩(wěn)定。天然的土體雖然存在一定的粘聚力但數(shù)值較小。在受到側(cè)向力的作用時，樣品從邊緣開始出現(xiàn)受拉裂縫，土體的抗拉強度基本可以忽略不計。由于受拉出現(xiàn)的裂縫隨著受力時間的增長，裂縫寬度不斷發(fā)展，由細(xì)小裂縫發(fā)展為大裂縫。在無側(cè)向束縛的條件下，樣品產(chǎn)生破壞的主要原因是由于土體受拉造成的，樣品的受拉裂縫迅速發(fā)展，樣品的強度也迅速下降。相較于有側(cè)向束縛，在無側(cè)向束縛的條件下樣品的變形速率更快，并且能在600s 左右達到變形穩(wěn)定的狀態(tài)，而單向壓縮條件下，土體達到壓縮變形穩(wěn)定需要耗費數(shù)十小時。

3.2 含水量對軟土變形特性的影響

本文控制每個樣品的干密度為1.5g/cm3，設(shè)計樣品的含水率分別為26%、24%、22%和20 %，采用重塑土制備樣品進行無側(cè)限壓縮試驗。土體的重塑是將烘干后的天然狀態(tài)軟土錘碎并過2mm 篩作為試驗用土。在重塑過程中會將天然土體的結(jié)構(gòu)全部破壞，重塑土的強度會遠低于天然軟土，當(dāng)重塑土的含水率大于30%時，土體就會表現(xiàn)出流體的狀態(tài)。但是現(xiàn)有的試驗條件無法精準(zhǔn)測得施加荷載后重塑土樣品的變形量，因此本文的試驗樣品含水率不能超過30%。比較相同試驗條件下天然狀態(tài)土壤和重塑土樣品的無側(cè)限壓縮試驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)重塑土的結(jié)構(gòu)雖然被破壞，但是其在低含水率的區(qū)間內(nèi)能夠更好地展現(xiàn)土壤的壓縮變形特性。樣品在不同的含水量條件下軸向和側(cè)向應(yīng)變的變化趨勢如圖3 所示，樣品在不同級別荷載條件下軸向和側(cè)向應(yīng)變的變化趨勢如圖4 所示。對比圖2、圖3、圖4 可知，重塑土制備的樣品在無側(cè)向束縛的條件下壓縮試驗的變形規(guī)律與原狀土的變形規(guī)律基本一致，軸向和側(cè)向應(yīng)變的發(fā)展趨勢和應(yīng)變的變化速率衰減趨勢基本一致。

圖3 不同含水量條件下重塑土試樣軸向ε-t曲線

圖4 不同含水量條件下重塑土試樣側(cè)向ε-t曲線

觀察圖3和圖4可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)含水率相同時，樣品承受的軸向壓力越大，樣品產(chǎn)生的壓縮變形越大，應(yīng)變曲線表現(xiàn)為曲線上移，變形量也會越來越大。土體在外力作用下，承受的軸向壓力上升，土體間的顆粒發(fā)生相對滑動位移越大，樣品的軸向壓縮變形量也越大。為了探究樣品軸向應(yīng)變與含水率間的關(guān)系，本文取施加荷載為100kPa 時樣品在無側(cè)限壓縮試驗中的數(shù)據(jù)進行分析，具體數(shù)據(jù)見表3。

表3 施加荷載為100kPa時樣品在無側(cè)限壓縮試驗中的數(shù)據(jù)

觀察表3 中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)樣品承受相同的軸向壓力時，樣品的含水率越大，在側(cè)向束縛的條件下樣品產(chǎn)生的側(cè)向和軸向壓縮變形量就越大。因為土體含水率越高，土體顆粒間的間距就越大，包圍在土體周圍的結(jié)合水膜厚度越厚。在土體受到外力作用時，水起到了潤滑劑的作用，減小了土體顆粒間的摩擦阻力，更容易發(fā)生相對位移，土體的流變性增強。因此軟土流變特性變化與土中水分含量的多少息息相關(guān)。

觀察圖3、圖4 可以看出，重塑土樣品的無側(cè)限壓縮試驗產(chǎn)生的軸向變形量和側(cè)向變形量隨加載時間增長的發(fā)展規(guī)律基本一致。樣品承受的加載時間越長，產(chǎn)生的應(yīng)變越大，但應(yīng)變在加載后期趨于平穩(wěn)狀態(tài)。為了便于比較相同條件下重塑土軸向應(yīng)變與側(cè)向應(yīng)變的發(fā)展關(guān)系，本文提出“應(yīng)變比”這一概念，即求解軸向應(yīng)變值與側(cè)向應(yīng)變值的比值。在不同含水率、不同荷載、不同受壓時間條件下重塑土樣品的應(yīng)變比數(shù)值見表4。通過表4 的數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)施加的荷載和含水率相同時，飽載時間對樣品應(yīng)變比的變化影響較小，因為這一條件下應(yīng)變比的標(biāo)準(zhǔn)差計算值差距較小，應(yīng)變可被視為一個常數(shù)。樣品的含水率越低、承受的荷載值越小，則計算得出應(yīng)變比的標(biāo)準(zhǔn)差差距越大，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因可能是在低含水率的情況下，樣品產(chǎn)生的變形較小，放大了由于測試度數(shù)產(chǎn)生的誤差。因此在試驗中，保持樣品的荷載值和含水率相同時，應(yīng)變比不會隨著加載時間的增長而產(chǎn)生變化，即時間是與應(yīng)變比無關(guān)的參數(shù)。綜合比較表4中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，隨著土體含水率的增大，樣品的應(yīng)變比逐漸減小并收斂于2。

表4 重塑土樣品的應(yīng)變比數(shù)值

4 結(jié)論

本文對天然狀態(tài)的軟土和重塑土進行無側(cè)限壓縮試驗，記錄試驗后樣品的軸向應(yīng)變和側(cè)向應(yīng)變，研究加載的軸向力和樣品含水率對樣品軸向應(yīng)變和側(cè)向應(yīng)變值的影響規(guī)律，主要研究結(jié)論如下。

①天然軟土在各級荷載剛開始加載時樣品產(chǎn)生的變形較大且變形速度快，隨著施加荷載時間的增長，樣品的變形速度下降；樣品的變形量隨著加載時間的增長不斷增大，但變化速率呈現(xiàn)出不斷減小的趨勢。

②當(dāng)樣品承受相同的軸向壓力時，樣品的含水率越大，在側(cè)向束縛的條下樣品產(chǎn)生的側(cè)向和軸向壓縮變形量就越大。在土體受到外力作用時，水起到了潤滑劑的作用，減小了土體顆粒間的摩擦阻力，更容易發(fā)生相對位移，土體的流變性增強。因此軟土流變特性變化與土中水分含量的多少息息相關(guān)。

③重塑土樣品的無側(cè)限壓縮試驗產(chǎn)生的軸向變形量和側(cè)向變形量隨加載時間增長的發(fā)展規(guī)律基本一致。樣品承受的加載時間越長，產(chǎn)生的應(yīng)變越大，但應(yīng)變在加載后期趨于平穩(wěn)狀態(tài)。