史　祥，樊恒輝，劉　剛，李　普

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌　712100；2.中冶南方工程技術(shù)有限公司，武漢　430223)

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飽和分散性土變形特性試驗研究

史祥1,2，樊恒輝1，劉剛1，李普1

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌712100；2.中冶南方工程技術(shù)有限公司，武漢430223)

目前，人們對于分散性土的研究主要集中在分散性土的鑒定、抗?jié)B和改性等方面，而對其變形特性方面的研究很少。針對此現(xiàn)狀，采用單向壓縮試驗研究了不同壓實度下飽和分散性土的變形特性。試驗結(jié)果表明：飽和分散性土的變形既與應(yīng)力有關(guān)，也與時間有關(guān)，且具有明顯的非線性特征；壓實度對飽和分散性土的變形有顯著的影響。試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析表明，飽和分散性土的應(yīng)力-應(yīng)變、應(yīng)變-時間關(guān)系均可用冪函數(shù)的形式來表述；據(jù)此，建立了飽和分散性土的加荷本構(gòu)模型和蠕變本構(gòu)模型。通過對模型預(yù)測值與實測值的對比分析，發(fā)現(xiàn)該模型能夠較合理地預(yù)測飽和分散性土的變形特性。

飽和分散性土；變形特性；單向壓縮試驗；冪函數(shù)；本構(gòu)模型

1　研究背景

從滲透穩(wěn)定和抗水沖蝕破壞的角度，可將黏性土分為分散性土和非分散性土。分散性土是一種在低含鹽量水中由于土顆粒間的排斥力大于吸引力而導(dǎo)致土顆粒分散成原級顆粒的土，其工程特性是抗沖蝕性低、抗?jié)B性能差，容易造成堤壩管涌、路堤失穩(wěn)等工程事故。盡管如此，工程實踐證明，只要采取科學(xué)合理的措施，就能有效防止分散性土的破壞[1-2]。國內(nèi)外均有采用分散性土修筑水利工程成功的經(jīng)驗，如：美國墨西哥州LosEsteros大壩、新疆北部額爾齊斯河水利樞紐工程、青島官路水庫、海南嶺落水庫及寧夏馬家樹水庫等。壩體在運行過程中，其浸潤線以下土體常處于飽和狀態(tài)，而土體的變形特征與其經(jīng)歷的有效應(yīng)力的變化方式密切相關(guān)，當(dāng)土體處于飽和狀態(tài)時，其變形特性與非飽和狀態(tài)時差別較大。因此，研究分散性土在飽和條件下的變形特性具有重要的工程實踐價值。

目前，國內(nèi)外很多學(xué)者對飽和土的變形特性進行了研究，并且取得了較多成果。王盛源[3]從理論上分析了飽和黏性土的主固結(jié)和次固結(jié)變形，并以工程實例驗證了飽和軟黏土的排水固結(jié)沉降。張云等[4-5]用單向固結(jié)儀研究了飽和黏性土和飽和砂性土的蠕變特性及蠕變規(guī)律，在分析蠕變試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上建立了蠕變模型。白冰[6]基于飽和土體的非線性固結(jié)變形方程，建立了描述飽和土體非線性固結(jié)變形特征的實用理論模型，并通過定義固定參量來描述不同厚度土層固結(jié)形態(tài)的差異性。秦鵬飛等[7]通過模擬施工過程中擾動土體不同位置的變形和應(yīng)力狀態(tài)，探討了飽和粉土在不同應(yīng)力路徑下的變形特性。蔡袁強等[8]、黃茂松等[9]、王軍等[10]、劉添俊等[11]先后從不同角度研究了飽和軟黏土在循環(huán)荷載作用下的變形特性，并分別探討了飽和軟黏土的變形機理。

對分散性土的研究尚處于探索階段，因為分散性土在顆粒組成、黏粒含量、孔隙水運移規(guī)律等方面均有別于普通黏性土，其固結(jié)與變形特性非常復(fù)雜，與應(yīng)力、時間及壓實度等密切相關(guān)。采用室內(nèi)單向壓縮試驗可以對不同壓實度的飽和分散性土在自重應(yīng)力作用下產(chǎn)生的變形沉降量進行預(yù)測，而且更接近于工程實際。本文以寧木特水利樞紐工程黏土心墻的分散性土為研究對象，研究飽和分散性土的變形特性及其影響因素，構(gòu)造側(cè)限條件下垂直壓應(yīng)力與垂直壓應(yīng)變的關(guān)系，并將試驗結(jié)果用于飽和分散性土的變形預(yù)測，為實際工程提供一定的理論參考。

2　試驗概況

2.1土樣性質(zhì)

試驗所用土樣取自寧木特水利樞紐工程大壩壩料場地。試驗前，采用針孔試驗、碎塊試驗、雙比重計試驗、孔隙水可溶性陽離子試驗以及交換性鈉離子百分比試驗5種方法綜合判定試驗土樣的分散性。試驗表明，該土樣具有分散性土的典型特征，屬于分散性土。土樣的基本物理化學(xué)性質(zhì)指標見表1。試驗儀器采用的YS系列高壓固結(jié)儀見圖1，該儀器為單杠桿式加荷系統(tǒng)，加載方式為砝碼加載，測量精度為0.001mm。儀器所配備的砝碼及百分表均經(jīng)過國家計量認證。

圖1　YS-I型高壓固結(jié)儀Fig.1　YS-I high-pressure consolidation apparatus

2.2試驗方案

試驗在室內(nèi)常溫條件下進行，土樣面積為50cm2，高度為20mm。所有土樣均采用重塑土，取土深度為2.00～4.00m。試驗前，對試樣進行真空抽氣飽和。本次試驗按壓實度分別為K=90%，92%，94%，96%和98%制樣，研究不同壓實度條件下飽和分散性土的壓縮變形量與變形特性。所有試樣采用逐級加載的方式，加載等級分別為50，100，200，400，800kPa，共5級。每級荷載下讀數(shù)時間為：加載開始起24h內(nèi)，按照土工試驗規(guī)程[12]常規(guī)固結(jié)試驗讀數(shù)頻率進行，后期每隔24h觀測一次。加載下級荷載是以本級荷載的豎向變形速率在連續(xù)24h內(nèi)的累積壓縮變形量小于0.005mm為標準。

3　 試驗結(jié)果與分析

3.1壓縮曲線分析

圖2為不同壓實度下飽和分散性土的壓縮曲線。分析圖2(a)可知，軸向應(yīng)力相同時，孔隙比隨壓實度的增加而減小，且e-p曲線切線的斜率也隨壓實度的增大而減小，說明土的壓實度越高，壓縮系數(shù)越小；從圖2(b)可以看出，e-lgp曲線切線斜率隨軸向應(yīng)力的增加而增大，隨壓實度的增加而減小，說明壓實度越高，土體的壓縮指數(shù)越小。

(a)e-p曲線

(b)e-lgp曲線圖2　不同壓實度下e-p曲線與e-lgp曲線Fig.2　Relationships between void ratio and verticalpressure under different degrees of compaction

3.2壓縮模量分析

圖3為壓縮模量隨法向應(yīng)力的變化規(guī)律曲線。由圖3可以看出，壓實度相同時，壓縮模量隨法向應(yīng)力的增加而增大；壓實度不同時，壓實度愈大，壓縮模量越大，尤其是在壓實度較大，法向應(yīng)力較大的情況下，壓縮模量顯著增大。因此，為了減小飽和分散性土體的工后沉降，提高壓實度是一種比較有效的方法。

表1　土樣的物理化學(xué)性質(zhì)指標Table 1　Physical and chemical indexes of soil samples

注：砂粒粒徑為(0.075，2]mm;粉粒粒徑為(0.005，0.075]mm;黏粒粒徑為<0.005mm。

圖3　壓縮模量與法向應(yīng)力關(guān)系曲線Fig.3　Curves of compression modulus vs.normal stress

3.3蠕變曲線分析

圖4是不同壓實度試樣初次加載時不同荷載作用下變形隨時間的變化曲線。由圖4可知，在各級荷載作用下，土體的蠕變曲線非常相似，且具有明顯的階段性，主要分為瞬時彈塑性變形、衰減蠕變變形和穩(wěn)定蠕變變形3個階段。荷載較小時，土體變形量小且在較短時間內(nèi)蠕變達到穩(wěn)定；荷載較大時，土體變形速率增大，蠕變現(xiàn)象較為明顯且試樣達到變形穩(wěn)定的時間增長；荷載越大，土體達到變形穩(wěn)定的時間越長。壓實度對飽和分散性土變形影響較為顯著，隨壓實度增加，土體的變形逐漸減小，如壓實度為90%時，軸向應(yīng)力800kPa下的應(yīng)變?yōu)?.02%；壓實度為98%時，軸向應(yīng)力800kPa下的應(yīng)變?yōu)?.695%，應(yīng)變減小了26%。說明在工程中應(yīng)盡可能增加土體的壓實度，以減弱蠕變帶來的危害，提高結(jié)構(gòu)物或構(gòu)筑物的穩(wěn)定性。

圖4　不同壓實度蠕變試驗曲線Fig.4　Creep curves under different degrees of compaction

3.4等時曲線分析

以90%的壓實度為例，土樣的應(yīng)力-應(yīng)變等時曲線如圖5所示。由圖5可知，在不同的時刻，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線都呈現(xiàn)顯著的非線性特征，且隨應(yīng)力增大，等時曲線的非線性程度增大，說明非線性程度隨應(yīng)力的增加而增大。

以上的試驗結(jié)果表明，分散性土的應(yīng)力-應(yīng)變、應(yīng)變-時間關(guān)系是非線性的。

圖5　蠕變等時曲線(壓實度90%)Fig.5　Isochronous curves of creep(compactiondegree K=90%)

4　飽和分散性土本構(gòu)模型

4.1應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)模型

本文在大量室內(nèi)試驗的基礎(chǔ)上，分別采用雙曲函數(shù)和冪函數(shù)擬合飽和分散性土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，試驗數(shù)據(jù)和擬合曲線如圖6、表2所示。

(a)pi/εi-pi關(guān)系曲線

(b)ln(pi/εi)-lnpi雙對數(shù)關(guān)系曲線圖6　飽和分散性土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系Fig.6　Stress-strain curves of saturated dispersive clay表2　飽和分散性土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系擬合曲線Table 2　Stress-strain fitting curves of saturated dispersive clay

壓實度K/%雙曲函數(shù)擬合冪函數(shù)擬合擬合曲線相關(guān)系數(shù)擬合曲線相關(guān)系數(shù)90p/ε=11.142p+1115.40.9942ε/p=0.014p-0.73860.999792p/ε=11.809p+1121.70.9960ε/p=0.0129p-0.73220.999994p/ε=11.649p+1769.80.9911ε/p=0.0066p-0.63860.999796p/ε=13.322p+1958.10.9973ε/p=0.0051p-0.61340.998498p/ε=14.344p+2439.60.9979ε/p=0.0035p-0.57190.9971

由表2可知，采用冪函數(shù)擬合飽和分散性土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)更接近于1，說明冪函數(shù)在一定程度上更能反映飽和分散性土的應(yīng)力-應(yīng)變特性。

4.2蠕變本構(gòu)模型

張云等[4-5]在對飽和黏性土、飽和砂性土的蠕變研究中擬合了應(yīng)變與應(yīng)力、時間的關(guān)系式，本文以類似的方法著重擬合飽和分散性土應(yīng)變隨應(yīng)力及時間的變化關(guān)系。圖7為應(yīng)變-時間雙對數(shù)關(guān)系曲線。

圖7　雙對數(shù)坐標中的蠕變曲線(壓實度90%)Fig.7　Creep curves in log-log coordinates(K=90%)

以90%的壓實度為例，由圖7可知，在相同壓實度、不同荷載作用下的試驗曲線近似為直線，且直線斜率的絕對值近似相等。因此，在某一時刻、不同應(yīng)力作用下，應(yīng)變-時間的關(guān)系曲線可以表示為

(1)

由式(1)可得

(2)

圖8為應(yīng)力-應(yīng)變雙對數(shù)關(guān)系曲線，即將等時曲線分別表示在雙對數(shù)坐標系中。

圖8　雙對數(shù)坐標中的等時曲線(壓實度92%)Fig.8　Isochronous curves in log-log coordinates(K=92%)

以92%的壓實度為例，由圖8可知，在相同壓實度、不同時刻的應(yīng)力-應(yīng)變等時曲線近似為直線。因此，在不同時刻、某一應(yīng)力作用下，應(yīng)力-應(yīng)變的關(guān)系曲線可以表示為

我姨媽和同學(xué)們扮成染了傳染病的男孩，在金陵醫(yī)學(xué)院的病號房藏了兩天，又被偷偷地送到南京附近的鄉(xiāng)下，再從那里乘船到蕪湖，而后轉(zhuǎn)船去了漢口。法比·阿多那多一路護送，身份從神甫變成了監(jiān)護“醫(yī)生”。誰也沒想到，那次臨時的職業(yè)偽裝永久地改變了法比的身份。半年后他回到南京，辭去了教堂的職務(wù)，在威爾遜教會學(xué)校教世界歷史和宗教史，在其他大學(xué)零散兼課，那十三個被秦淮河女人頂替下來的女孩中，唯有我姨媽孟書娟一直和他通信，因為她和他都存在一份僥幸，萬一能找到十三個女人中的某一個，或兩個，即便都找不到，得到個下落也好，別讓他們的牽記成為永遠的懸疑。

(3)

由式(3)可得

(4)

由式(4)可得

(5)

將式(5)代入式(2)，可得

(6)

當(dāng)t=0時，式(6)為

(7)

由以上可知，飽和分散性土蠕變方程可表示為

(8)

表3　飽和分散性土蠕變參數(shù)Table 3　Creep parameters of saturated dispersive clay

將表3蠕變參數(shù)代入蠕變方程并與試驗結(jié)果進行擬合，以92%和94%的壓實度為例，結(jié)果如圖9所示。

(a)壓實度92%

(b)壓實度94%圖9　飽和分散性土蠕變模型計算結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)對比Fig.9　Comparison between calculated values from creepmodel and testing data of saturated dispersive clay

分析圖9可知，軸向應(yīng)力較小時，模型預(yù)測值與實測值基本一致；軸向應(yīng)力較大時，隨蠕變時間的延長，預(yù)測值比實測值有所升高，但升高的幅度不大，從工程角度講是偏于安全的?？傮w來說，模型的預(yù)測值與實測值吻合較好，該模型可以準確地描述飽和分散性土的蠕變特性。

5　結(jié)　論

通過對寧木特水利樞紐工程黏土心墻的分散性土在飽和條件下的變形特性分析，得到以下結(jié)論：

(1)飽和分散性土的蠕變具有明顯的階段性，其變形分為瞬時彈塑性變形、衰減蠕變變形和穩(wěn)定蠕變變性3個階段；應(yīng)力-應(yīng)變等時曲線表明，飽和分散性土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系具有明顯的非線性特征。

(2)單向壓縮試驗表明，側(cè)限條件下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系可以用冪函數(shù)進行擬合，其相關(guān)系數(shù)更接近于1且穩(wěn)定性較好，可以用來描述飽和分散性土的應(yīng)力應(yīng)變特性。

(3)飽和分散性土的應(yīng)變與時間、應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系均可以用冪函數(shù)描述，且建立的蠕變本構(gòu)模型用于預(yù)測土體后期的變形是偏于安全的，可以作為飽和分散性土的蠕變預(yù)測模型。

研究成果可供分散性土防滲心墻及防滲渠土體的工后變形預(yù)測、安全性評價和參考，具有一定的實際應(yīng)用價值。

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(編輯：劉運飛)

Deformation Properties of Saturated Dispersive Clay

SHI Xiang1,2,FAN Heng-hui1,LIU Gang1,LI Pu1

(1.CollegeofWaterResourcesandArchitecturalEngineering，NorthwestA&FUniversity，Yangling712100，China； 2.WISDRIEngineering&ResearchIncorporationLimited，Wuhan430223，China)

Dispersiveclayisoflowerosionresistanceandimpermeability,andseverelyendangersthesafetyofwaterconservancyconstructionasithashighdispersioninlowsalinitywater.Atpresent,researchofdispersiveclaymainlyfocusesontheidentification,impermeabilityandmodification;however,studiesonthedeformationpropertiesarerare.Inthispaper,thedeformationbehaviorofsaturateddispersiveclayunderdifferentdegreesofcompactionwasstudiedthroughuniaxialcompressiontests.Thetestresultsshowthatthedeformationofdispersiveclaydependsnotonlyonthestressesexertedonthembutalsothetimeelapsed,andhasobviousnonlinearcharacteristics.Theresultsalsoindicatethatthedegreeofcompactionhassignificanteffectonthedeformationofsaturateddispersiveclay.Accordingtothetestresults,thestress-strainandstrain-timecurvesofsaturateddispersiveclaycanbeexpressedwiththepowerfunction.Theloadingconstitutivemodelandcreepconstitutivemodelwereestablished,andthecomparisonbetweenmodelpredictedresultandmeasuredresultindicatesthatthepredictedresultusingthemodelareinreasonableagreementwiththetestdata.

saturateddispersiveclay;deformationproperties;uniaxialcompressiontests；powerfunction;constitutivemodel

2015-08-05;

2015-10-06

國家自然科學(xué)基金項目(51379177，51579215);中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金項目(ZD2013013)

史祥(1988-)，男，湖北襄陽人，碩士研究生，主要從事特殊土的工程性質(zhì)等方面的研究，(電話)13689244595(電子信箱)shixiang0618@163.com。

樊恒輝(1973-)，男，山西夏縣人，研究員，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事特殊土的工程性質(zhì)、土質(zhì)化學(xué)加固原理與技術(shù)、環(huán)境巖土工程等方面的研究，(電話)029-87082884(電子信箱)yt07@nwsuaf.edu.cn。

10.11988/ckyyb.20150630

2016,33(09):87-92

TU411

A

1001-5485(2016)09-0087-06