葛苗苗,李 寧,鄭建國(guó),張繼文,朱才輝
(1.西安理工大學(xué) 巖土工程研究所,陜西 西安 710048;2.機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院,陜西 西安 710043)
一般地,土體在上覆荷載的作用下其變形的發(fā)展不會(huì)立刻完成,而是隨著時(shí)間的推移逐漸增長(zhǎng),稱(chēng)之為土的蠕變。土體的蠕變概念源于固體材料力學(xué),它的大小與土體的種類(lèi)、荷載持續(xù)的時(shí)間以及周?chē)沫h(huán)境有關(guān)。對(duì)于西部地區(qū)覆蓋層較厚的黃土來(lái)說(shuō),其蠕變可能在幾天就完成,也可能需要幾個(gè)月甚至幾年時(shí)間,這對(duì)西部地區(qū)黃土地基沉降問(wèn)題的研究有很大意義,尤其近年來(lái)在西部黃土丘陵地帶涌現(xiàn)了一批黃土高填方工程,這些工程的填方高度甚至超過(guò)100 m,對(duì)黃土高填方長(zhǎng)期工后沉降的預(yù)測(cè)是此類(lèi)工程關(guān)注的重點(diǎn),而這與黃土的蠕變息息相關(guān)。
對(duì)于土體的蠕變,早在20 世紀(jì)70年代就有學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究[1-4],國(guó)內(nèi)很多學(xué)者在此方面也取得了不少進(jìn)展,尤其是對(duì)應(yīng)力歷史、加荷比、加載時(shí)間等因素對(duì)蠕變特性的影響研究[5-9]。對(duì)于高填方工后沉降的預(yù)測(cè),目前多集中在新模型、新方法的研究上。梅國(guó)雄等[10]根據(jù)瞬時(shí)加載情況下沉降的特點(diǎn),建立一個(gè)能考慮瞬時(shí)沉降、固結(jié)沉降和次固結(jié)沉降的的沉降-時(shí)間關(guān)系曲線;Yin[11]在劍橋模型基礎(chǔ)上提出一種能夠模擬軟土?xí)r效特性的簡(jiǎn)單彈黏塑性模型;宋二祥等[12]針對(duì)高填方地基蠕變特性,在雙曲線模型基礎(chǔ)上提出一個(gè)考慮蠕變過(guò)程中荷載變化的計(jì)算方法。Yao 等[13]在UH 模型屈服面方程中引入折算時(shí)間,建立能夠考慮時(shí)間效應(yīng)、土的剪切蠕變、松弛、速率效應(yīng)的三維黏彈塑性本構(gòu)模型。關(guān)于工后沉降的預(yù)測(cè)方法已有不少,但對(duì)于黃土高填方工程來(lái)說(shuō),填料含水率、壓實(shí)度以及填土高度對(duì)工后沉降有很大影響,因此,很有必要從蠕變角度分析壓實(shí)度、含水率對(duì)工后沉降的影響。
筆者對(duì)壓實(shí)黃土進(jìn)行了長(zhǎng)期的一維固結(jié)蠕變?cè)囼?yàn),研究了壓實(shí)度、含水率及上覆荷載對(duì)壓實(shí)黃土蠕變特性的影響,提出一個(gè)適合描述壓實(shí)黃土變形發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)蠕變模型,并運(yùn)用此模型,研究了壓實(shí)度、含水率和壓實(shí)黃土蠕變之間的關(guān)系。
試驗(yàn)選取的黃土土樣取自延安黃土梁,取土深度為5.0~8.0 m,土樣以粉土為主,含少量粉質(zhì)黏土,結(jié)構(gòu)疏松,強(qiáng)度低,且有一定濕陷性,試驗(yàn)土樣基本物理參數(shù)見(jiàn)表1。
表1 土樣物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Physical properties of the soil samples
為了系統(tǒng)地研究含水率及壓實(shí)度對(duì)黃土蠕變特性的影響,本文選取了以下8 種試驗(yàn)方案:試樣含水率w=w0=15.5%時(shí),壓實(shí)度k 分別為0.90、0.93、0.95、0.98。試樣壓實(shí)度k=0.90 時(shí),含水率w 分別為8%、12%、17%、22%。
試驗(yàn)采用WG 型單杠桿固結(jié)儀,試樣尺寸為圓柱形50 cm2×2 cm。為保證試樣與加載系統(tǒng)接觸良好,一維固結(jié)蠕變?cè)囼?yàn)是在25 kPa 下預(yù)壓穩(wěn)定后,按照100→200→400→800→1 200→1 600→2 000 kPa進(jìn)行逐級(jí)加載,加載的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為24 h 豎向累計(jì)變形小于0.002 mm。
圖1為上述幾種方案下試樣的一維固結(jié)蠕變?cè)囼?yàn)曲線,由于篇幅有限,在此只列出部分成果。
圖1 壓實(shí)黃土豎向應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系曲線Fig.1 Strain-time curves of compacted loess
從圖可以看出:每級(jí)荷載加載瞬時(shí),試樣變形速率較大,隨著時(shí)間的推移,變形速率逐漸減小,并趨于穩(wěn)定。比較圖1(a)、(b)曲線發(fā)現(xiàn)壓實(shí)黃土的長(zhǎng)期變形受壓實(shí)度影響明顯,同一含水率下,隨著壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)的增加,試樣的長(zhǎng)期變形逐漸減小,同樣的,比較圖1(c)、(d)可以看出,同一壓實(shí)度下,試樣含水率越高,長(zhǎng)期變形也就越大。
雖然壓實(shí)黃土的長(zhǎng)期變形隨著壓實(shí)度和含水率以及應(yīng)力水平的變化而變化,但對(duì)于一特定試樣,在一定的應(yīng)力水平下,根據(jù)其應(yīng)變速率和時(shí)間的關(guān)系曲線,其應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系曲線可以分為3 部分:瞬時(shí)變形、固結(jié)變形、蠕變變形,具體見(jiàn)圖2。瞬時(shí)變形一般在荷載加載瞬間就完成,固結(jié)變形需要幾個(gè)小時(shí)甚至幾天時(shí)間才能完成,這與土體本身的特性以及滲透系數(shù)等有關(guān),蠕變變形發(fā)展更為緩慢,在上覆荷載作用下,土體可能在幾年甚至幾十年內(nèi)持續(xù)蠕變,但是變形量小。對(duì)本文試樣在不同應(yīng)力水平下的應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系曲線作其應(yīng)變-應(yīng)變速率(St′-St)關(guān)系曲線,發(fā)現(xiàn) St′-St關(guān)系曲線呈現(xiàn)很明顯的兩個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn),如圖2 所示,可以通過(guò)轉(zhuǎn)折點(diǎn)的發(fā)生時(shí)間分離試樣的蠕變變形,且固結(jié)段及蠕變階段的 St′-St曲線均符合線性關(guān)系[14],其分離點(diǎn)即為兩個(gè)線性關(guān)系的交點(diǎn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn),本文試樣在加載30~200 min 之后,固結(jié)基本已經(jīng)完成,試樣開(kāi)始發(fā)生蠕變,且隨著荷載增大,分界點(diǎn)越靠后,具體見(jiàn)圖3 和圖4。顯然分界點(diǎn)后變形即為試樣的蠕變變形,本文壓實(shí)黃土試樣的蠕變變形占到總變形的6%~23%,且隨著試樣含水率提高,蠕變占總變形的比例越大,隨著試樣壓實(shí)度的增大,蠕變占總變形的比例越小,隨著應(yīng)力水平的提高,蠕變占到該應(yīng)力水平下應(yīng)變的比值越小,即壓實(shí)黃土的蠕變隨著試樣含水率的提高而提高,隨著壓實(shí)度的提高而減小,隨著應(yīng)力水平的提高而減小。
圖2 壓實(shí)黃土S t′-St曲線Fig.2 St′-St curveofc ompacted loess
由于土是土骨架、水、氣三相組成的松散顆粒集合體,在高應(yīng)力水平下,壓實(shí)度越高,試樣土顆粒間的孔隙就越小,自由水也就相應(yīng)較小,擴(kuò)散膜厚度就越薄,土顆粒間的靜電吸力就很大,在外荷載作用下,土顆粒間的相互作用很難被破壞,相應(yīng)的蠕變就越小。同樣的,同一壓實(shí)度下含水率越高,土顆粒間自由水就越多,擴(kuò)散膜的厚度就越厚,土顆粒間的靜電吸力就越小,土顆粒間的相互作用就較弱,也越容易發(fā)生滑移和蠕動(dòng),蠕變就越大。
圖3 固結(jié)蠕變分界點(diǎn)示意圖Fig.3 Cut-off point between consolidation and creep
圖4 固結(jié)蠕變分界點(diǎn)隨豎向荷載變化曲線Fig.4 Curves of cut-off point with stress
根據(jù)文獻(xiàn)[15]對(duì)砂土蠕變模型的研究,本文整理了壓實(shí)黃土應(yīng)變時(shí)間對(duì)數(shù)關(guān)系lgε-lgt曲線,發(fā)現(xiàn)也符合線性關(guān)系,所不同的是,壓實(shí)黃土的lgε-lgt曲線組未經(jīng)過(guò)原點(diǎn),具體如圖5 所示,顯然有以下關(guān)系式:
式中:ε為試樣應(yīng)變;σ為豎向荷載;t為加載時(shí)間;t0為參考時(shí)間,本文取 t0=1 min;a,m 均為參數(shù)。通過(guò)固結(jié)試驗(yàn)得到的壓實(shí)黃土在不同荷載下對(duì)應(yīng)參考時(shí)間的應(yīng)變,發(fā)現(xiàn)隨著豎向荷載的增加,對(duì)應(yīng)參考時(shí)間試樣的應(yīng)變呈線性增長(zhǎng),如圖6 所示,具體可以用式(2)表示。
因此,壓實(shí)黃土的應(yīng)力-應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系曲線可以用下式來(lái)表示:
式中:A=10aε(σ,t0),其中,ε(σ,t0)是試樣在σ的軸向荷載下,在t0時(shí)刻的應(yīng)變,式(3)所得到的應(yīng)變是試樣的總應(yīng)變,包括了壓實(shí)黃土各階段的變形。為了更好地描述壓實(shí)黃土的變形隨時(shí)間的發(fā)展過(guò)程,將式(3)對(duì)時(shí)間求導(dǎo),可以得到壓實(shí)黃土應(yīng)變速率隨時(shí)間的變化關(guān)系為
通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),m <1,因此,對(duì)于式(4),應(yīng)變速率隨著時(shí)間逐漸減小,而且很容易看出,壓實(shí)黃土lgε˙-lgt也符合線性關(guān)系,這與Singh-mitchell的蠕變模型結(jié)果類(lèi)似。并且從式(4)可以看出,應(yīng)變速率與試樣的應(yīng)力水平有關(guān),軸向應(yīng)力越大,應(yīng)變速率越大。
圖5 壓實(shí)黃土lgε-lgt 曲線Fig.5 lgε-lgt curves of compacted loess
圖6 參考應(yīng)變與σ 關(guān)系曲線Fig.6 Relationship between ref.ε andσ
通過(guò)對(duì)本文試驗(yàn)曲線(試樣壓實(shí)度k=0.93,含水率w=15.5%)進(jìn)行分析,可以得到試樣在該經(jīng)驗(yàn)?zāi)P拖碌南嚓P(guān)參數(shù),見(jiàn)表2。將表中擬合參數(shù)帶入式(3)并與本文試驗(yàn)曲線進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)兩者能很好地吻合,說(shuō)明本文的經(jīng)驗(yàn)?zāi)P湍芎芎玫孛枋鰤簩?shí)黃土的應(yīng)力-應(yīng)變-時(shí)間特性,具體見(jiàn)圖7。
表2 試樣k=0.93,w=15.5%時(shí)經(jīng)驗(yàn)?zāi)P蛥?shù)Table 2 Empirical model parameters of sample with k=0.93,w=15.5%
圖7 經(jīng)驗(yàn)?zāi)P皖A(yù)測(cè)應(yīng)變-時(shí)間曲線與試驗(yàn)值對(duì)比Fig.7 Comparison between prediction strain-time of empirical model and experimental value
對(duì)于填方高度大、面積廣的黃土高填方工程,其遠(yuǎn)離黃土高邊坡及接坡處的填方體可視為一維的側(cè)限壓縮,現(xiàn)以某59.6 m 黃土高填方工程為例,對(duì)本文提出的壓實(shí)黃土經(jīng)驗(yàn)蠕變模型進(jìn)行驗(yàn)證。本文的模型計(jì)算結(jié)果為一定時(shí)間一定上覆荷載下土體隨時(shí)間的應(yīng)變,對(duì)于較高的填方體,直接運(yùn)用式(3)顯然會(huì)降低預(yù)測(cè)精度,因此,本節(jié)在經(jīng)驗(yàn)?zāi)P偷幕A(chǔ)上,結(jié)合分層總和法計(jì)算高填方的最終沉降,具體沉降計(jì)算公式為
式中:S為工后沉降;ΔSi為各分層填土工后沉降;ε(t)為每層填土對(duì)應(yīng)的變形;Hi為每層填土的計(jì)算高度。計(jì)算過(guò)程中,認(rèn)為本文提出的經(jīng)驗(yàn)?zāi)P驮趖=1 d 的沉降為填方體加載的瞬時(shí)沉降,之后發(fā)生的沉降為工后沉降,為了與試驗(yàn)的應(yīng)力水平相吻合,本文按圖8 對(duì)高填方進(jìn)行分層。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程施工資料,該區(qū)域填方體壓實(shí)度k 保持在0.92~0.95 之間,為了便于計(jì)算,本文取壓實(shí)k=0.93 進(jìn)行計(jì)算,填料含水率控制在w=w0=15.5%,根據(jù)填料天然重度及填方高度計(jì)算每層填方對(duì)應(yīng)的上覆壓應(yīng)力,具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。該黃土高填方工程已有244 d的連續(xù)工后沉降監(jiān)測(cè)值,運(yùn)用本文提出經(jīng)驗(yàn)?zāi)P陀?jì)算相應(yīng)時(shí)間的工后沉降,并與實(shí)測(cè)沉降進(jìn)行比較,具體見(jiàn)表4 及圖9。
圖8 高填方分層示意圖(單位:m)Fig.8 The layer schematic diagram of high embankment(unit:m)
表3 基于新模型的某黃土高填方工后沉降預(yù)測(cè)Table 3 Settlement prediction of a loess high embankment with a new model
表4 預(yù)測(cè)沉降值與實(shí)測(cè)沉降對(duì)比Table 4 Comparison of predicted and monitored settlements
圖9 實(shí)測(cè)工后沉降與預(yù)測(cè)工后沉降曲線Fig.9 Curves of predicted and monitoring post-construction settlements
從表4 及圖9 可以看出:本文提出的壓實(shí)黃土經(jīng)驗(yàn)蠕變模型能較好地描述黃土高填方工后沉降的變化趨勢(shì),表現(xiàn)出在工后沉降最初,沉降速率較大,隨著時(shí)間的推移,沉降速率逐漸降低,最后趨于穩(wěn)定的過(guò)程。通過(guò)將預(yù)測(cè)結(jié)果與現(xiàn)有工后沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn):預(yù)測(cè)沉降較監(jiān)測(cè)結(jié)果偏高,但隨著工后時(shí)間的推移,誤差逐漸減小。分析誤差原因有以下幾點(diǎn):(1)本文試驗(yàn)取土選自延安黃土梁,試驗(yàn)土樣為Q3黃土,而現(xiàn)場(chǎng)施工填料為Q2、Q3組成的雜填土,相比試驗(yàn)土樣強(qiáng)度大密度高,蠕變特性弱,因此,本文通過(guò)試驗(yàn)所得經(jīng)驗(yàn)蠕變模型的預(yù)測(cè)沉降較現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)沉降偏大;(2)本文按照輕型擊實(shí)試驗(yàn)得到試樣的最大干密度和最優(yōu)含水率分別為1.72 g/cm3和15.5%,而現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)重型擊實(shí)試驗(yàn)得到填料的干密度和最優(yōu)含水率分別為1.91 g/cm3和12.0%,試驗(yàn)試樣的壓實(shí)度根據(jù)干密度控制,因此,試樣的壓實(shí)度較現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)夯的壓實(shí)效果偏低,進(jìn)一步使得預(yù)測(cè)沉降偏大。以上原因?qū)е卤疚奶岢龅慕?jīng)驗(yàn)蠕變模型預(yù)測(cè)工后沉降必然比實(shí)測(cè)值大,但通過(guò)本文經(jīng)驗(yàn)?zāi)P皖A(yù)測(cè)所得工后沉降曲線變化趨勢(shì)和實(shí)測(cè)工后沉降發(fā)展趨勢(shì)相同。工后沉降在200 d 左右開(kāi)始出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn),表示工后沉降開(kāi)始趨于穩(wěn)定,且從圖10 的工后沉降速率歷時(shí)曲線看出,若以沉降速率小于0.2 mm/d為穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn),則可得到相同的沉降穩(wěn)定時(shí)間,通過(guò)本文提出的經(jīng)驗(yàn)?zāi)P皖A(yù)測(cè)該高填方工后沉降穩(wěn)定時(shí)為0.3 m。
圖10 預(yù)測(cè)工后沉降速率歷時(shí)曲線Fig.10 Velocity curve of predicted post-construction settlement
通過(guò)以上分析,說(shuō)明本文提出的經(jīng)驗(yàn)蠕變模型可以較準(zhǔn)確地描述黃土高填方工后沉降發(fā)展趨勢(shì),能對(duì)黃土高填方長(zhǎng)期工后沉降進(jìn)行預(yù)測(cè)。
在本文提出的壓實(shí)黃土經(jīng)驗(yàn)蠕變模型基礎(chǔ)上,結(jié)合公式(5),計(jì)算了高填方在不同壓實(shí)度、不同含水率下工后5 a 沉降歷時(shí)曲線,具體見(jiàn)圖11。從圖中可以看出:在考慮填料蠕變變形情況下,當(dāng)填料含水率不變時(shí),工后沉降隨著填料壓實(shí)度的提高而減小。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)填料壓實(shí)度一定時(shí),高填方工后沉降隨著填料含水率的增大而增大。通過(guò)擬合發(fā)現(xiàn)工后5 a 高填方的沉降與填料壓實(shí)度及含水率之間均符合很好的對(duì)數(shù)關(guān)系,見(jiàn)圖12,具體可以用式(6)、式(7)表示。
式中:S為工后沉降;k為填料壓實(shí)度。
式中:w為含水率。
圖11 高填方工后沉降歷時(shí)曲線Fig.11 Post-construction duration curves of settlement for high embankment
圖12 工后沉降與填料壓實(shí)度/含水率關(guān)系曲線Fig.12 Relationship between post-construction settlement and compaction degree/water content
通過(guò)圖11 可以得到填料不同含水率、不同壓實(shí)度下的沉降速率歷時(shí)曲線,如圖13 所示,可以看出,隨著工后時(shí)間的推移,沉降速率逐漸減小,最后趨于穩(wěn)定,若以沉降速率v <0.1 mm/d為標(biāo)準(zhǔn)判斷工后沉降的穩(wěn)定,則高填方工后沉降在工后200~650 d 趨于穩(wěn)定。同時(shí)從圖14 可以看出,工后沉降隨著填料壓實(shí)度增大逐漸降低,隨著填料含水率的增大逐漸增大,這說(shuō)明填料壓實(shí)度越高,含水率越低,高填方工后沉降穩(wěn)定需要的時(shí)間越長(zhǎng),這對(duì)高填方工后沉降穩(wěn)定時(shí)間的判斷有一定的參考意義,同時(shí)對(duì)高填方上部的工程建設(shè)時(shí)間提供一定參考。
圖13 高填方工后沉降速率歷時(shí)曲線Fig.13 Velocity duration curves of post-construction settlement for high embankment
圖14 工后沉降穩(wěn)定時(shí)間與壓實(shí)度/含水率關(guān)系曲線Fig.14 Relationship between post-construction settlement velocity and compaction degree/water content
(1)本文壓實(shí)黃土試樣的蠕變變形占到總變形的6%~23%,壓實(shí)黃土的蠕變隨著試樣含水率的提高而提高,隨著壓實(shí)度的提高而減小,隨著應(yīng)力水平的提高也呈減小趨勢(shì)。
(2)提出的壓實(shí)黃土經(jīng)驗(yàn)蠕變模型可以較準(zhǔn)確的描述黃土高填方工后沉降發(fā)展趨勢(shì),能對(duì)黃土高填方長(zhǎng)期工后沉降進(jìn)行預(yù)測(cè)。
(3)在考慮黃土蠕變變形情況下,高填方工后5 a 沉降與填料壓實(shí)度及含水率之間符合對(duì)數(shù)關(guān)系。高填方沉降在工后200~650 d穩(wěn)定,且壓實(shí)度越高,含水率越低,沉降穩(wěn)定需要的時(shí)間越長(zhǎng)。
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