劉　群　劉　麗

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司　貴州　550081)

含水率對(duì)砂質(zhì)板巖粗粒土蠕變特性影響試驗(yàn)研究

劉群劉麗

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司貴州550081)

摘要粗粒土在公路、鐵路路基工程中應(yīng)用廣泛，其蠕變特性是影響高填方路堤長(zhǎng)期沉降的重要因素。通過單軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)研究含水率對(duì)粗粒土蠕變的影響規(guī)律，分析砂質(zhì)板巖粗粒土在不同含水狀態(tài)下的蠕變特性，并基于與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符的H-K蠕變模型探討含水率、應(yīng)力與蠕變參數(shù)之間的關(guān)系。結(jié)果表明，含水率是影響粗粒土蠕變特性的重要因素，提出使用干燥或飽和含水態(tài)的粗粒土填料以控制路堤長(zhǎng)期沉降。

關(guān)鍵詞含水率粗粒土單軸試驗(yàn)蠕變特性

隨著我國(guó)交通設(shè)施的快速發(fā)展，鐵路建設(shè)不斷向山區(qū)延伸，受地形條件限制，大量高填方路堤不斷涌現(xiàn)。粗顆粒土具有壓實(shí)性能好、抗剪強(qiáng)度高等特點(diǎn)，在山區(qū)鐵路建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。粗粒土高填路堤的蠕變變形是眾多因素綜合作用的結(jié)果，包括土的類別、含水率、填土高度等。過去對(duì)蠕變影響因素的研究多集中在巖石[1]、軟土[2-3]、黃土[4]、膨脹土[5]等，而涉及粗粒土的研究較少?；谇叭说难芯炕A(chǔ)，通過大型單軸蠕變?cè)囼?yàn)，以含水率為控制指標(biāo)，研究滬昆客運(yùn)專線砂質(zhì)板巖粗粒土填料的蠕變特性。

1單軸蠕變?cè)囼?yàn)及試驗(yàn)結(jié)果分析

砂質(zhì)板巖粗粒土的干密度為2.10g/cm3，顆粒密度為2.70 g/cm3，人工配制4組含水率分別為0.07%，1.29%，4.86%，8.12%的試樣，對(duì)應(yīng)干燥、天然、非飽和、飽和含水狀態(tài)，顆粒級(jí)配情況見圖1，可知粗粒土級(jí)配良好。

圖1　砂質(zhì)板巖粗粒土級(jí)配曲線

選取直徑280mm×230mm的單軸固結(jié)儀，采用50→100→200→400→800kPa的分級(jí)加載方式進(jìn)行蠕變?cè)囼?yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

根據(jù)粗顆粒填料的干密度與含水率關(guān)系曲線有2個(gè)峰值的特點(diǎn)，施工中當(dāng)填料為干燥狀態(tài)(含水率接近0)、干密度較大時(shí)，不需加水；當(dāng)填料處于潮濕狀態(tài)時(shí)，需加水改變含水率接近谷點(diǎn)的不利狀態(tài)，增加壓實(shí)效果。

3結(jié)語

本文根據(jù)現(xiàn)有試驗(yàn)規(guī)范和國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究成果，對(duì)高速鐵路高填路基無黏性粗顆粒填料進(jìn)行了篩分試驗(yàn)和振動(dòng)擊實(shí)試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明：

(1) 砂質(zhì)板巖無黏性粗顆粒填料是級(jí)配良好的填料，振動(dòng)擊實(shí)試驗(yàn)曲線呈波浪形，即隨含水率的增大，干密度先減小后增大，曲線出現(xiàn)雙峰值現(xiàn)象。

(2) 砂質(zhì)板巖無黏性粗顆粒填料在干燥狀態(tài)或飽和含水狀態(tài)時(shí)干密度較大，最大干密度為2.21g/cm3。

(3) 建議在實(shí)際工程中當(dāng)砂質(zhì)板巖無黏性粗顆粒填料為干燥狀態(tài)時(shí)，碾壓填料不需或少量灑水；當(dāng)填料處于潮濕狀態(tài)時(shí)，需加水改變含水率接近谷點(diǎn)的不利狀態(tài)，以此增加壓實(shí)效果。

參考文獻(xiàn)

[1]陳宏偉.粗粒土壓實(shí)試驗(yàn)研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2004.

[2]TB10102-2010鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2010.

[3]郭慶國(guó).無黏聚性粗粒土的壓實(shí)特性與壓實(shí)參數(shù)[J].大壩觀測(cè)與土工測(cè)試，1984(1):41-49.

[4]郭慶國(guó).粗粒土的工程特性及應(yīng)用[M].鄭州:黃河水利出版社，1998.

a)試驗(yàn)曲線-模型曲線Db)試驗(yàn)曲線-模型曲線N

c)試驗(yàn)曲線-模型曲線Ud)試驗(yàn)曲線-模型曲線S

D-干燥態(tài);N-天然態(tài);U-非飽和態(tài);S-飽和態(tài)

圖2砂質(zhì)板巖粗粒土試驗(yàn)曲線與模型曲線對(duì)比圖

利用H-K模型描述粗粒土的蠕變性，一維常應(yīng)力σ0作用下其蠕變方程為

(1)

式中：ε0為瞬時(shí)彈性變形；ε1為極限蠕變變形；E1為彈性模量；E2為黏彈性模量；β為黏性系數(shù)。

利用改進(jìn)的高斯-牛頓法，編制計(jì)算機(jī)程序Creep，求解H-K模型參數(shù)，計(jì)算結(jié)果見表1，圖2中H-K模型蠕變曲線與實(shí)驗(yàn)測(cè)試點(diǎn)達(dá)到了很高的擬合精度，所得參數(shù)說明了不同含水狀態(tài)下泥質(zhì)板巖粗粒土的蠕變性態(tài)變化。

表1　H-K蠕變模型參數(shù)值

2不同含水狀態(tài)下粗粒土蠕變特性分析

2.1瞬時(shí)彈性應(yīng)變?chǔ)?和瞬時(shí)彈性模量E1

圖3為瞬時(shí)彈性應(yīng)變與含水率關(guān)系曲線。

圖3　瞬時(shí)彈性應(yīng)變與含水率關(guān)系曲線

由表1、圖3可見，隨含水率增大，瞬時(shí)彈性模量有增大的趨勢(shì)，瞬時(shí)彈性應(yīng)變有減小的趨勢(shì)，這是因?yàn)榭紤]含水率的蠕變與粗、細(xì)顆粒間的孔隙壓縮及孔隙水壓力等有關(guān)。當(dāng)含水率較低時(shí)，孔隙中空氣比率相對(duì)較大，孔隙壓縮沒有受到太大的阻礙，產(chǎn)生較大的瞬時(shí)彈性應(yīng)變；當(dāng)含水率較大時(shí)，由于水的壓縮系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于空氣且對(duì)于瞬時(shí)變形孔隙水來不及擴(kuò)散，產(chǎn)生孔隙水壓力，孔隙壓縮受到阻礙，瞬時(shí)彈性變形較??；非軟弱泥質(zhì)板巖粗顆粒骨架的彈性模量隨含水率的增加而降低的幅度并不大，當(dāng)含水率達(dá)到一定程度后，孔隙水壓力使彈性模量有較大的回彈，出現(xiàn)隨含水率增大瞬時(shí)彈性模量發(fā)生較小幅度增大的現(xiàn)象。

2.2極限蠕變應(yīng)變?chǔ)?和極限蠕變變形模量E2

圖4形象地反映了同一應(yīng)力水平下隨含水率增大，極限蠕變應(yīng)變?chǔ)?呈“先增加后減小”的變化規(guī)律，而極限蠕變變形模量E2先減小后增大(見表1)，這說明粗粒土的蠕變受到含水率較明顯的影響。原因是當(dāng)含水率很小時(shí)，可以認(rèn)為粗粒土由固-氣二相組成，瞬時(shí)加載產(chǎn)生較大的變形，細(xì)顆粒良好地填充粗顆粒骨架，孔隙壓縮更密實(shí)，變形模量較大；隨含水率增大，加載產(chǎn)生的孔隙水壓力隨時(shí)間的延長(zhǎng)、水四處擴(kuò)散而消減，水四處擴(kuò)散驅(qū)趕空氣，產(chǎn)生新的孔隙，阻礙細(xì)顆粒填充粗顆粒骨架，水慢慢被粗、細(xì)顆粒吸收，細(xì)顆粒填充新的粗顆粒骨架，使之密實(shí)，并將部分水趕入骨架外的孔隙，在這不斷循環(huán)密實(shí)的過程中土體承載能力和彈性模量有所降低；當(dāng)含水率增大到飽和時(shí)，土體看作是固-液二相，土顆粒間的孔隙充斥著水，加載產(chǎn)生孔隙水壓力，使變形模量回彈。

圖4　極限蠕變應(yīng)變與含水率的關(guān)系曲線

由圖4可見，天然、非飽和含水態(tài)的極限蠕變應(yīng)變明顯大于干燥、飽和含水態(tài)，建議使用干燥或飽和含水態(tài)的泥質(zhì)板巖粗粒土填料來減小路堤長(zhǎng)期沉降。

2.3趨穩(wěn)時(shí)間常數(shù)α

趨穩(wěn)時(shí)間常數(shù)α=E1/β，由式(1)可知，α越大，exp(-αt)衰減越快，ε達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間越短，反映了蠕變達(dá)到穩(wěn)定階段的快慢程度。圖5描述了不同含水狀態(tài)下試樣在不同應(yīng)力水平作用下的趨穩(wěn)時(shí)間常數(shù)α值。

圖5　趨穩(wěn)時(shí)間常數(shù)與含水率的關(guān)系曲線

由圖5可見，同一應(yīng)力水平下隨含水率的增加，趨穩(wěn)時(shí)間常數(shù)α值先是減小，當(dāng)含水率達(dá)到一定程度后反而增加。這說明同應(yīng)力水平下，與干燥、飽和態(tài)相比，天然、非飽和含水狀態(tài)的粗粒土進(jìn)入穩(wěn)定蠕變所需的時(shí)間較長(zhǎng)。

2.4蠕變的非線性

由表1可見，粗粒土試樣隨著加載應(yīng)力的不同及含水狀態(tài)的改變，蠕變參數(shù)E1，E2，β值發(fā)生很大的變化，說明E1，E2，β是應(yīng)力σ0和含水率ω的函數(shù)，則有

(2)

式中：蠕變?nèi)崃縅是應(yīng)力和含水率的函數(shù)，說明粗粒土具有非線性蠕變特性。

3結(jié)論

(1) 隨含水率的增加，砂質(zhì)板巖粗粒土的瞬時(shí)彈性應(yīng)變?chǔ)?減小，瞬時(shí)彈性模量E1增大。

(2) 隨含水率的增加，砂質(zhì)板巖粗粒土的極限蠕變應(yīng)變?chǔ)?先增大后減小，即同等其他條件下相比天然、非飽和態(tài)，干燥、飽和態(tài)的粗粒土發(fā)生極限蠕變較小；極限蠕變變形模量E2和趨穩(wěn)時(shí)間常數(shù)α呈相反規(guī)律，即天然、非飽和態(tài)的粗粒土達(dá)到穩(wěn)定蠕變所需的時(shí)間較長(zhǎng)。

(3) 為了減小路堤長(zhǎng)期沉降，建議采用干燥或飽和含水狀態(tài)的砂質(zhì)板巖粗粒土填料。

[1]楊彩紅，王永巖，李劍光，等.含水率對(duì)巖石蠕變規(guī)律影響的試驗(yàn)研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2007，32(7)：695-699.

[2]胡華.含水率對(duì)軟土流變參數(shù)的影響特性及其機(jī)理分析[J].巖土工程技術(shù)，2005，19(3)：134-136.

[3]陳曉平，周秋娟，朱鴻鵠，等.軟土蠕變固結(jié)特性研究[J].巖土力學(xué)，2007(28S)：1-10.

[4]李廣冬.黃土的三軸蠕變特性試驗(yàn)研究[D].西安：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2011.

[5]邱平華.膨脹土直剪蠕變特性及長(zhǎng)期強(qiáng)度研究[D].株洲：湖南工業(yè)大學(xué)，2012.

收稿日期：2014-09-30

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.01.046