范 濤, 顧強康, 劉少博, 姚志華, 朱思迪

(空軍工程大學 航空航天工程學院, 陜西 西安 710038)

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重塑Q3黃土K0三軸蠕變特性的試驗研究

范 濤, 顧強康, 劉少博, 姚志華, 朱思迪

(空軍工程大學 航空航天工程學院, 陜西 西安 710038)

摘要：[目的] 研究陜西省延安地區(qū)重塑Q3黃土高填方工程的后期沉降變形特性，為高填方工程的設計、施工提供一定的技術(shù)和理論支撐。[方法] 通過改進K0三軸蠕變儀，對所取黃土進行了不同壓實度、不同含水量、不同豎向應力下的室內(nèi)土的靜止側(cè)壓力系數(shù)K0三軸固結(jié)排水蠕變試驗。[結(jié)果] 重塑Q3黃土具有明顯的蠕變特性，在低應力條件下，呈現(xiàn)出典型的衰減蠕變；在K0條件下，隨著含水量增大、豎向應力的增大，壓實度的減小，蠕變呈增強趨勢，蠕變變形量增大；在低水平應力的條件下，土體所受側(cè)向應力與豎向應力成線性關(guān)系。[結(jié)論] 建立了重塑Q3黃土關(guān)于豎向 應力的自定義蠕變模型，通過試驗數(shù)據(jù)擬合獲得了模型參數(shù)，所建模型能很好地描述延安地區(qū)重塑Q3黃土的蠕變特性。

關(guān)鍵詞：重塑Q3黃土; K0三軸蠕變試驗; 蠕變特性; 蠕變模型

文獻參數(shù)： 范濤, 顧強康, 劉少博, 等.重塑Q3黃土K0三軸蠕變特性的試驗研究[J].水土保持通報，2016,36(3)：56-61.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.03.011

在骨架應力的作用下，土顆粒表面吸附水(氣)具有粘滯性，從而使顆粒的重新排列和骨架體的錯動具有時間效應，即土的流變性。蠕變是其重要的形式之一，絕大多數(shù)土體都具有一定的蠕變性，黃土也不例外[1-2]。大量工程實踐證明，蠕變性是黃土的一個重要特征，是影響工程全周期壽命的重要因素。因此，對黃土進行蠕變試驗方法改進、蠕變特性、蠕變理論研究有著重要的工程實際意義。

王鵬程等[3-4]通過對加卸載條件下黃土三軸蠕變特性的研究，探究了黃土黏彈塑性的基本規(guī)律。王松鶴等[5-7]通過一系列室內(nèi)三軸剪切蠕變試驗，系統(tǒng)地分析了時間、偏應力水平對應變速率的影響，且進行了原狀、重塑、飽和黃土的蠕變特性對比，建立了適用于楊凌地區(qū)黃土的蠕變本構(gòu)模型。陳中偉等[8-9]對重塑黃土蠕變特性進行了試驗研究。趙憲民等[10]通過試驗分析了含水率、圍壓對延安地區(qū)Q2黃土的影響，并依據(jù)時間建立了考慮瞬時損傷的黃土蠕變本構(gòu)模型。目前關(guān)于黃土三軸蠕變試驗特性研究的較多，在特性分析、經(jīng)驗蠕變模型研究方面也取得了一些成果，但關(guān)于K0固結(jié)條件下的蠕變特性研究較少。

殷宗澤[11]認為：只有在有效應力保持恒定條件下，獲得的土體蠕變模型才能反映有效應力與應變、時間的關(guān)系。且中國黃土分布范圍廣，地區(qū)差異性大，探究的蠕變特性以及蠕變模型不具有共性。由此，本文針對陜西延安機場改擴建工程黃土填方工程，擬通過對土的靜止側(cè)壓力系數(shù)K0三軸蠕變儀改進來實現(xiàn)對大面積填土體實際狀態(tài)的模擬，利用橡膠膜來有效減少側(cè)向摩擦力對試驗效果的影響，探討K0固結(jié)條件下，含水率、壓實度、豎向應力對重塑Q3黃土蠕變的影響規(guī)律，建立適用于填方黃土固結(jié)的蠕變模型，以期為延安填方工程設計和施工提供依據(jù)和參考。

1材料與方法

1.1試驗土樣

本文選取延安機場高填方地基處理工程黃土，其屬于Q3黃土，按照《公路土工試驗工程》測得塑限為18.4%，液限為28.0%，塑性指數(shù)為7.6。土體的顆粒相對密度為2.70，通過擊實試驗得到最大干密度和最優(yōu)含水率分別為1.88 g/cm3，13.0%。

1.2試驗方法

試驗儀器采用自行改進，依托西安亞星土木儀器有限公司生產(chǎn)的K0三軸蠕變儀。儀器由加壓部分，控制部分，數(shù)據(jù)采集部分組成(圖1)。由高壓氣泵通過反力架對試驗施加豎向應力，能夠?qū)崿F(xiàn)瞬時加壓，避免應力延遲，且能實現(xiàn)電腦自行控制；通過機電百分表對豎向變形數(shù)據(jù)進行采集，壓力變送器對側(cè)壓力進行采集，通過阿爾法采集卡對數(shù)據(jù)集成；利用標定后的精密壓力控制系統(tǒng)實現(xiàn)分級加載，由電腦控制中心實現(xiàn)K0三軸蠕變試驗方案的總控制。

圖1　K0三軸蠕變儀剖面圖

儀器研制的最大亮點在于通過構(gòu)建側(cè)向壓力室和改進豎向傳力桿來保證土體蠕變過程中不產(chǎn)生側(cè)向變形，又實現(xiàn)了對側(cè)壓力進行測量；有效減少了側(cè)向摩擦力對試驗的影響，實現(xiàn)了對大面積填筑土體受力狀態(tài)的模擬，能更貼近于工程填土實際。

1.3試驗方案

本試驗的研究內(nèi)容為：延安機場黃土蠕變變形與豎向應力，含水率，壓實度的關(guān)系以及固結(jié)歷史對蠕變的影響。試驗采用重塑樣，依據(jù)工程實際需要，控制其壓實度為90%，93%，95%，含水率控制為10.0%，11.5%，13.0%，14.5%，16.0%共5個等級。直接在儀器中制成各等級試樣，每組3個試樣，共計15組試驗。根據(jù)土體在自然條件下初始應力狀態(tài)以及結(jié)合土體在實際工程中的應力狀態(tài)，對試樣進行12.5 kPa預壓，25，50，100，200，400，800 kPa這7級荷載下的室內(nèi)K0固結(jié)三軸排水蠕變試驗。

依照工程實際，試樣由黃土碾碎、過篩、風干后，擊實而成。試樣尺寸為圓柱形50 cm2×12 cm，試樣的荷載加載方式為分級加載，以在每級荷載作用下，24 h作為蠕變穩(wěn)定標準，且每1 h的變形量不超過0.005 mm時，開始下一級荷載的加載。試驗記錄時刻為：3 s，6 s，15 s，1 min，2.25 min，4 min，6.25 min，9 min，12.25 min，16 min，20.25 min，25 min，30.25 min，36 min，42.25 min，49 min，60 min，75 min，90 min，120 min，之后每隔0.5 h記錄1次數(shù)據(jù)。而本試驗為自動采集，將采集頻率設置為每3S采集1次，最后再由Matlab軟件進行數(shù)據(jù)的篩選。實驗室采用空調(diào)控溫，保持室內(nèi)溫度在20±2 ℃。

2結(jié)果與分析

試驗采用分級加載的方式，利用“陳氏加載法”對試驗資料進行整理分析，探究豎向應力、含水率、壓實度以及側(cè)壓力變化對黃土蠕變的影響。

2.1側(cè)壓力變化分析

K0三軸蠕變儀的優(yōu)點就在于能夠比較直觀地模擬出填土過程中水平應力隨著豎向應力增大的過程，不需要控制圍壓，這一點與實際填土過程中，側(cè)向應力變化是比較接近的，隨著填土層的高度增加，土體所受的側(cè)向應力逐漸增大。K0三軸蠕變試驗是通過假定水是不可壓縮的，在壓力室充滿水，然后逐漸加載，隨著土體的變形會擠壓壓力室中的水，使水產(chǎn)生側(cè)向壓力。且隨著荷載的增大，土體的變形越來越大，會使得壓力室所受的圍壓越來越大。試驗中通過壓力變送器測得的圍壓—時間關(guān)系曲線(如圖2所示)。

圖2　不同豎向應力下側(cè)壓力與時間關(guān)系

(1) 在壓應力較小時，土體產(chǎn)生的側(cè)向應力較小；這是因為低應力條件下，土體的變形主要是壓密階段，主要由孔隙水和氣體的排出引起。在壓應力較大時，隨著豎向荷載的逐級翻倍增大，土體所受圍壓也逐級增大。

(2) 由于加載方式是氣壓加載，能夠?qū)崿F(xiàn)瞬時加載，而土體的變形需要一個過程，所以每一級荷載施加的開始階段，土體所受的側(cè)向應力逐漸增大，但在前15 min以內(nèi)，就達到一個穩(wěn)定值。而后隨著蠕變量的增大緩慢地增大。這也從另一個方面反映出，土體后期的蠕變速率越來越小而趨于穩(wěn)定。為分析穩(wěn)定后側(cè)向應力與豎向應力的關(guān)系，取每級荷載作用下的側(cè)向應力穩(wěn)定值為縱坐標，豎向應力作為橫坐標，繪制出側(cè)向應力隨豎向應力的變化曲線(圖3)。

圖3　側(cè)向應力隨豎向應力的變化

由于所施加的荷載不大，依據(jù)數(shù)據(jù)曲線的走向，可以近似的采用線性擬合，得出穩(wěn)定時側(cè)向應力與豎向應力間的關(guān)系：

σ3=0.462σ1

(1)

式中：σ1——豎向應力;σ3——側(cè)向應力。

從圖3可以看出，自行設計的K0三軸蠕變儀滿足了試驗要求。

2.2豎向應力影響分析

為了研究豎向應力對黃土蠕變的影響，在控制壓實度為90%情況下選取25，50，100，200，400，800 kPa這6個等級下荷載對土樣進行加載，分析得出其在K0三軸蠕變數(shù)據(jù)并分別繪制加載曲線(如圖4所示)。

圖4　不同軸向應力下應變與時間關(guān)系

從圖4可以看出：在K0試驗條件下，隨著豎向應力的增大，土體的蠕變變形量越來越大。荷載作用到土體上，先產(chǎn)生瞬時變形，然后變形逐漸穩(wěn)定，最后達到一個穩(wěn)定值。隨著荷載的增大，瞬時變形越來越大，穩(wěn)定所需要的時間也越來越長。這是因為，在荷載作用的過程，首先孔隙中的氣體和孔隙中的自由水易于被擠出，隨著豎向荷載的增大，產(chǎn)生摩擦阻力，結(jié)合水膜與土體顆粒間摩阻力被克服，土體顆粒間發(fā)生錯動，使得孔隙水和氣體的排出受到阻礙，從而產(chǎn)生變形延遲，宏觀表現(xiàn)為蠕變狀態(tài)持續(xù)時間變長。

當豎向應力小于一定水平時，蠕變先呈現(xiàn)衰減的趨勢，然后再進入等速蠕變階段，土體重新達到穩(wěn)定。這是因為本次試驗不同于常規(guī)的三軸蠕變試驗，不進行專門的圍壓控制，完全模擬不同深度的填土受力，土體側(cè)向不發(fā)生變形，圍壓隨著豎向應力的增大而增大，阻礙土體的豎向變形，所以當豎向應力越來越大，土體瞬時位移會引起圍壓的較大變化，從而使蠕變速率降低。

2.3含水率影響分析

為了反映含水率對黃土蠕變的影響，在控制壓實度為90%情況下選取10%，11.5%，13%，14.5%，16%這5個水平對土樣進行試驗，分析含水率對K0狀態(tài)下黃土的蠕變特性的影響，得到的試驗結(jié)果經(jīng)處理后如圖5所示。

圖5　不同含水率下軸向應變與時間關(guān)系

從圖5對比分析可以得出：K0狀態(tài)下，隨著含水率的增大，試樣的蠕變量逐漸增大，并且其達到穩(wěn)定的時間也逐漸增大。土體中水的存在形式為結(jié)合水和自由水，隨著含水率的增大，結(jié)合水和自由水的量都有所增加，結(jié)合水膜厚度越來越大，減小了土顆粒之間的吸引力，而自由水的增加減小了土顆粒之間的摩擦力，這都導致相同的荷載作用下含水率大的土體的變形增大。而土體變形變大后，其圍壓也隨之增長，圍壓約束了土體的變形，導致其穩(wěn)定時間增加。

2.4壓實度影響分析

為研究壓實度對延安機場黃土蠕變的影響規(guī)律，本文在工程采取的壓實度附近取了3個壓實度分別為0.9，0.93，0.95，進行了K0三軸蠕變試驗，經(jīng)處理后其蠕變曲線如圖6所示。

由圖6可以看出：在K0狀態(tài)下，當土樣的壓實度逐漸增大時，其蠕變量逐漸減小，蠕變達到穩(wěn)定所需要的的時間也隨之增大。壓實度增大，則土樣內(nèi)部空隙變小，土顆粒之間的距離減小，在平衡的過程中土顆粒與結(jié)合水之間摩擦接觸面增大，導致要產(chǎn)生很小的蠕變量，就會需要較大摩擦力來平衡外界壓力，所以隨著壓實度的增大，土體蠕變量減?。辉谄胶獾倪^程中，隨著壓實度增大，阻力越大，所以變形趨勢越緩。

圖6　不同壓實度下軸向應變與時間關(guān)系

3蠕變模型的建立

依據(jù)實際工程，本文以含水率為13%，壓實度為95%，高度為12 cm的試樣試驗數(shù)據(jù)為依據(jù)，建立貼近工程實際的蠕變模型。C C維亞洛夫[12]認為，可以采用指數(shù)函數(shù)、冪函數(shù)或雙曲線函數(shù)來描述應力應變等時關(guān)系；可以分別采用冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、對數(shù)函數(shù)或雙曲線函數(shù)來描述應變與時間之間的關(guān)系。經(jīng)過試算驗證，本文選定冪函數(shù)來描述應力應變關(guān)系，選用雙曲線函數(shù)表示應變與時間之間的關(guān)系。則可建立如下蠕變模型表達式：

(2)

令A=B/T1，T=T2/T1，則式(2)可以寫成：

ε=A(σ1-σ3)nt/(t+T)

(3)

公式(3)即為簡化的自定義蠕變模型。觀察可知：需要確定的參數(shù)有3個，A，n和T。

(1) 參數(shù)T確定。在一定應力水平下，土體蠕變穩(wěn)定時，取t→∞時，則ε→ε∞

(4)

帶入式(3)變形得：

ε=ε∞t/(T+t)

(5)

變形得：

t/ε=t/ε∞+T/ε∞

(6)

令Y=t/ε，X=t，a=1/ε∞，b=T/ε∞，則式(6)變?yōu)椋?/p>

Y=aX+b

(7)

依據(jù)試驗數(shù)據(jù)，作不同豎向應力下的Y，X值，作Y—X的關(guān)系曲線如圖7所示。由圖7可見，各級應力下的Y—X曲線呈線性，所以分別進行線性擬合，得不同應力作用下的斜率a和截距b。由T=b/a，從而可以得各級荷載下的T，平均值為T=13.283。

圖7　Y與X關(guān)系

(2) 參數(shù)n和T確定。對式(4)兩端同時取對數(shù)，得：

lnε∞=lnA+nln(σ1-σ3)

(8)

由式(8)知：lnA和n分別是lnε∞和ln(σ1-σ3)關(guān)系曲線的截距和斜率。由上文求得各級豎向應力下的a值，可以得各級應力下的ε∞=1/a值為：-2.701，-2.014，-1.353，-0.232，0.399。繪制lnε∞-ln(σ1-σ3)關(guān)系曲線(如圖8所示)。

圖8　lnε∞與ln(σ1-σ3)的關(guān)系

發(fā)現(xiàn)基本呈線性，通過線性擬合，得截距l(xiāng)nA=-3.862 7，斜率n=0.684 6，進一步求得A=

0.021 011 193，由此得蠕變方程的表達式：

(9)

將式(1)帶入上式(9)得：

(10)

采用含水率13%，壓實度95%，高度為12 cm的試驗數(shù)據(jù)與模型擬合數(shù)據(jù)作圖對比(如圖9所示)。

由圖9可以看出，模型擬合數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)比較接近，且未來發(fā)展趨勢基本相同，所建模型能夠較好地描述該地區(qū)重塑黃土的蠕變特性。因此，能夠為高填方工程的工后沉降變形監(jiān)測提供理論支持，具有較大的工程實際意義。

圖9　蠕變試驗值與擬合值對比

4結(jié) 論

(1) 隨著土樣所受豎向荷載的增大，土樣產(chǎn)生的瞬時變形逐漸增大，所需穩(wěn)定時間逐漸變大，土樣的穩(wěn)定蠕變量基本呈指數(shù)或者冪函數(shù)形式增長；在固定荷載的作用下，土體先發(fā)生衰減蠕變，再發(fā)生等速蠕變，最后進入等速的穩(wěn)定蠕變階段；隨著含水率的增大，土樣的穩(wěn)定蠕變量逐漸增大；當壓實度增大時，土樣的最終蠕變量減小；在低水平應力的條件下，土體所受側(cè)向應力與豎向應力成線性關(guān)系。

(2) 通過分析試驗數(shù)據(jù)，提出了采用反函數(shù)表示應力與時間之間的關(guān)系，采用冪函數(shù)描述應力應變關(guān)系，建立了適用于延安地區(qū)重塑Q3黃土含水率為13%，壓實度為95%蠕變模型，該模型具有擬合高，參數(shù)少且易獲得，能夠較好地反映延安地區(qū)黃土的蠕變規(guī)律，可以為延安機場高填方工程工后沉降以及安全預警提供一定的指導意見。

[參考文獻]

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收稿日期：2015-10-30修回日期：2015-12-18

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2016)03-0056-06

中圖分類號：TU444

Experimental Study onK0Triaxial Creep Properties of RemoldedQ3Loess

FAN Tao, GU Qiankang, LIU Shaobo, YAO Zhihua, ZHU Sidi

(TheEngineeringInstitute,AirForceEngineeringUniversity,Xi’an,Shaanxi710038,China)

Abstract：[Objective] To analyze the late settlement of high filled project in Yan’an District of Shaanxi Province in order to provide technological and theoretic support for the design and construction of high filled project.[Methods] A variety of laboratory consolidated drained static lateral pressure coefficient K0 triaxial creep tests were conducted under different water content, compacted degree and vertical stress by using a refitted K0 triaxial creepmeter.[Results] The remolded Q3 loess had an obvious creep properties, and it showed a typical attenuation creep under low stress level. Creep phenomenon showed an increase trend and the deformation of creep enlarged, with higher water content, higher pressure stress and smaller compacted degree. Under low stress level, there was a linear relationship between lateral stress and vertical stress. [Conclusion] Based on the tested data, a user-defined creep model of remolded Q3 loess about vertical stress was established, and characteristic parameters were obtained by fitting test data. The established model can well describe the properties of remolded Q3 loess in Yan’an District.

Keywords:remolded Q3 loess; K0 triaxial creep test; creep characteristics; creep model

資助項目：國家自然科學基金項目“大厚度自重濕陷性黃土力學特性及濕陷變形規(guī)律”(51509257)

第一作者：范濤(1991—),男(漢族),陜西省寶雞市人, 碩士研究生, 研究方向為機場地基處理和邊坡加固技術(shù)。E-mail:fan_tao1991@126.com。