王興陳
摘要:為實現(xiàn)不同擾動條件下原位土壓縮特性的模擬,文章基于結(jié)構(gòu)性破損壓縮模型,提出孔隙相對變化指數(shù)E,研究土體孔隙變化壓縮特性的影響,通過對不同擾動狀態(tài)下的原狀軟土進行固結(jié)試驗,分別建立Ev與土體結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力及結(jié)構(gòu)破損指數(shù)6的相關(guān)關(guān)系,從而提出基于室內(nèi)壓縮試驗結(jié)果預(yù)測原位壓縮特性的方法。結(jié)合相關(guān)試驗數(shù)據(jù)的分析,驗證了該方法的可行性。
關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)性軟土;孔隙相對變化指數(shù);壓縮特性;結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力;結(jié)構(gòu)性破損指數(shù)
原狀土的壓縮特性并不能準確反映在室內(nèi)土體壓縮試驗中,但可以通過室內(nèi)試驗進行預(yù)測。劉維正等選用結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力和結(jié)構(gòu)破損指數(shù)6表征土體壓縮性狀;S.Horpibulsuk等、T.S.Nagaraj等研究結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力sy與原位不排水強度su的相關(guān)關(guān)系,提出原位壓縮曲線的預(yù)測方法。前人僅建立擾動指標與土體屈服應(yīng)力的相關(guān)關(guān)系。事實上,擾動狀態(tài)下,物性變化不僅影響結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力,還與結(jié)構(gòu)破損有關(guān),要研究通過室內(nèi)試驗預(yù)測原位土體壓縮性狀的方法,必然要考慮物性變化對土體結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力的變化,以及結(jié)構(gòu)破損的演化規(guī)律。
本文提出物性變化參數(shù):孔隙相對變化指數(shù)Ev,研究其對土體壓縮性狀的影響,建立其與土體結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力及結(jié)構(gòu)破損指數(shù)b的對應(yīng)關(guān)系,進而提出通過室內(nèi)壓縮試驗預(yù)測原位壓縮特性的新方法。
1.原狀土的壓縮特性
原狀土的壓縮特性關(guān)系如圖1所示。重塑土的壓縮曲線(e-log)是一條直線,原狀土的壓縮曲線分為三個階段。平緩階段:當壓力小于結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力時,曲線近似是一條直線,e=eo;陡降階段:當大于時,土的結(jié)構(gòu)破壞,孔隙比減小;趨同階段:當壓力繼續(xù)增大到某一特征值時,重塑土和原狀土的孔隙比差值將趨于常數(shù),為土結(jié)構(gòu)引起的剩余孔隙比evsr。
由圖1可知,原狀土的孔隙比可以下式表示:
e=eR+es(1)
式中,e是原狀土的孔隙比,er是相同壓力下重塑土的孔隙比,es是土結(jié)構(gòu)性引起的額外孔隙比。
Liu,Carter等人對不同軟土進行研究,發(fā)現(xiàn)當>時,土體結(jié)構(gòu)引起的額外孔隙比es與()b成反比,其中b為結(jié)構(gòu)破損指數(shù),描述結(jié)構(gòu)性對孔隙比的影響程度,取值由土的種類和狀態(tài)決定。
圖1可知,垂直應(yīng)力遠超過屈服應(yīng)力,軟土依然存在剩余孔隙比esr,可以發(fā)現(xiàn)額外孔隙比es將滿足下式:
es=esy(/)b+esr(2)
其中,esy是對應(yīng)于屈服應(yīng)力時的額外孔隙比。
Horpibulsuk等提出曼谷原狀土壓縮曲線表達式如下:
<時,e=eo (3)
>時,e=eR+esy(/)b+esr (4)
>>時,e=er+esr (5)
當壓力=時,上式滿足:
e=ery+esy+esr
(6)
其中,Horpibulsuk通過實驗得出曼谷土結(jié)構(gòu)破損指數(shù)b=1,而原位屈服應(yīng)力syf由下式確定:
=3.78S.+7 (7)
Su為現(xiàn)場十字板不排水強度,單位為kPa。
2.孔隙相對變化指數(shù)Ev
本文借鑒Z.Hong等對擾動度定義的思路,提出孔隙相對變化指數(shù)Ev,定義如下式所示:
Ev=x100% (8)
式中,表示有效上覆應(yīng)力為時擾動土的孔隙比,evr表示有效上覆應(yīng)力為時重塑土的孔隙比。如圖2所示。
由式(8)可知,土體原位完整狀態(tài)時,esvO基本與eO相同,此時,Ev=0;而當原位完整狀態(tài)趨于重塑狀態(tài)時,基本與evr相同,此時,Ev=1。
參數(shù)的各個指標可由原狀土和重塑土的壓縮曲線求得。
3.試驗過程及結(jié)果分析
土樣物理力學指標如表1所示。
3.1不同初始振動的固結(jié)試驗
通過振動試驗?zāi)M不同擾動條件對土體壓縮特性的影響。進行6組時長為0,20,40,60,80,100min的振動試驗。振動結(jié)束后立即取樣進行固結(jié)試驗。試驗結(jié)果如圖3所示:
3.2試驗結(jié)果分析
圖3中可以發(fā)現(xiàn),振動時間變長,相同豎向應(yīng)力狀態(tài)下土體的孔隙比不斷變小。
由式(8)可計算出不同振動時間下孔隙相對變化指數(shù)大小,其關(guān)系如圖4所示。
由式(12)可知,隨著Ev增加,對應(yīng)的結(jié)構(gòu)破損指數(shù)線性減小,因此,建議由下式確定原位土體結(jié)構(gòu)破損指數(shù):
(13)
式中,為原位土體結(jié)構(gòu)破損指數(shù),為重塑土體結(jié)構(gòu)破損指數(shù)。
根據(jù)結(jié)構(gòu)破損指數(shù)的定義,重塑土體結(jié)構(gòu)破損指數(shù)趨向于零,如圖5所示。
則式(13)可轉(zhuǎn)化為:
(14)
4.原位壓縮曲線的預(yù)測方法
本文基于Horpibulsuk等曼谷粘土壓縮曲線預(yù)測方法,提出通過室內(nèi)壓縮試驗預(yù)測原狀土壓縮曲線的新方法:
(1)試驗測出重塑土壓縮曲線、eo及,并用eo畫出平緩階段的壓縮曲線;
(2)實驗得出任一擾動條件下的壓縮曲線,確定對應(yīng)的及b,由式(8)計算出,由式(11)、式(14)分別計算出對應(yīng)原狀土的及bf。
(3)取=1000kPa時對應(yīng)的孔隙比差值為esr。過屈服應(yīng)力點(,eO)及特征點()畫曲線eS=esy(/)bf+esr。
(4)>>時,e=eR+esr
5.試驗分析與驗證
選取t=0min的室內(nèi)土樣驗證預(yù)測。首先確定出原位狀態(tài)e0=1.345,=53.5kPa,=68.3kPa,根據(jù)式(4)計算室內(nèi)擾動土結(jié)構(gòu)破損指數(shù)b=1.11,根據(jù)式(8)計算此擾動條件下Ev=7.5%,并由式(11)和式(14)分別計算出原狀土原位狀態(tài)下=73.8kPa,bf=1.2,即可預(yù)測出原位土壓縮曲線,如圖6所示。
6.結(jié)語
借鑒Hong擾動度定義的思路,提出孔隙相對變化指數(shù),研究其與土體屈服應(yīng)力、結(jié)構(gòu)破損指數(shù)的相關(guān)關(guān)系。提出確定原位土體壓縮特性的新方法,擴展了Horpibulsuk方法的應(yīng)用范圍,實現(xiàn)對不同擾動條件下原位土體壓縮特性預(yù)測。