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        軟土蠕變及結(jié)構(gòu)特性試驗(yàn)研究

        2023-11-16 13:21:26盧成偉盧冠銅南京南大巖土工程技術(shù)有限公司江蘇南京210000
        安徽建筑 2023年11期

        盧成偉,盧冠銅 (南京南大巖土工程技術(shù)有限公司,江蘇 南京 210000)

        1 引言

        近年來(lái)隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,沿江、沿海、沿湖城市為了尋求經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展,開(kāi)始大量擴(kuò)地,因此圍海、圍湖造地成了城市擴(kuò)地的主要方法。在此背景之下,大量沖填土被投入圍海、圍湖造地的工程之中,研究表明[1-4]此類(lèi)軟土具有含水量高、承載能力差等缺點(diǎn),雖然在工程中會(huì)將此類(lèi)土進(jìn)行處理后再投入使用,但作為地基使用時(shí)土層下部在長(zhǎng)期的固結(jié)條件下仍然會(huì)發(fā)生沉降,產(chǎn)生蠕變??紤]到工程中較長(zhǎng)的安全使用年限,因此對(duì)軟土的蠕變及結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行研究,從根本上了解其受力特征及變形規(guī)律,對(duì)于保證工程建筑結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行使用有著重要意義。不少學(xué)者對(duì)不同類(lèi)型的軟粘土蠕變特性進(jìn)行研究,王常明等[5]通過(guò)三軸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)濱海軟土具備非線(xiàn)性蠕變特征,在Singh-Mitchell 模型的基礎(chǔ)上提出了雙曲線(xiàn)模型,該模型更為簡(jiǎn)潔且通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了模型的適用性。談炎培等[6]基于蘇州地鐵一號(hào)線(xiàn)的軟土層,采用三軸及一維蠕變?cè)囼?yàn)并結(jié)合S-O 模型對(duì)軟土力學(xué)特性進(jìn)行有限元模擬,發(fā)現(xiàn)該地區(qū)軟土層具有顯著的蠕變特征,并基于該特征計(jì)算出了合適的盾構(gòu)推力。柳文濤等[7]通過(guò)一維壓縮蠕變?cè)囼?yàn)與三軸固結(jié)不排水試驗(yàn)研究了近代海洋沉積相軟土的蠕變規(guī)律,發(fā)現(xiàn)海相軟土的蠕變性質(zhì)呈現(xiàn)出非線(xiàn)性特征,并且發(fā)現(xiàn)隨著固結(jié)壓力的增大次固結(jié)系數(shù)會(huì)出現(xiàn)峰值。張先偉等[8]通過(guò)固結(jié)排水與不排水試驗(yàn),研究了不同偏應(yīng)力下的蠕變曲線(xiàn),發(fā)現(xiàn)對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)可以采用雙曲線(xiàn)形式進(jìn)行描述。劉漢龍等[9]借助改進(jìn)的三軸儀對(duì)軟土進(jìn)行真空-堆載預(yù)壓試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)軟土的軸向應(yīng)變與體積應(yīng)變以及時(shí)間的對(duì)數(shù)呈現(xiàn)出非線(xiàn)性關(guān)系,但隨著堆載時(shí)間的延長(zhǎng),會(huì)演變?yōu)榫€(xiàn)性關(guān)系。

        但現(xiàn)有的研究局限于自然沉積下的軟土,且很少考慮到不同應(yīng)力條件下軟土的蠕變及結(jié)構(gòu)特性。因此本文以南京市建鄴區(qū)雙閘街道住宅樓項(xiàng)目的地下軟土為研究對(duì)象,通過(guò)固結(jié)及直剪試驗(yàn),采用不同荷載及加載方式對(duì)軟土的蠕變特性進(jìn)行研究,通過(guò)應(yīng)力、應(yīng)變與時(shí)間三者間的關(guān)系,揭示軟土在不同應(yīng)力條件下蠕變的內(nèi)在機(jī)理,為實(shí)際相關(guān)工程提供一定參考依據(jù)。

        2 工程概況

        試驗(yàn)所用土樣取自南京市建鄴區(qū)雙閘街道住宅樓項(xiàng)目的地下軟土,項(xiàng)目用地面積約40483.2m2,總建筑面積158341.96m2,其中地上113352.96m2,地下44800m2。項(xiàng)目由8 棟住宅樓(26~29F)、配套用房(1F)、配電房(1F)及開(kāi)關(guān)站(1F)組成,下設(shè)整體1 層地下室,部分區(qū)域?yàn)? 層地下室?;A(chǔ)形式擬采用樁基礎(chǔ)。

        該地區(qū)屬北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),四季分明,雨水充沛,光能資源充足,年平均溫度為15.7℃,最高氣溫43℃(1934年7 月13 日),最低氣溫-16.9℃(1955年1 月6 日),最熱月平均溫度28.1℃,最冷月平均溫度-2.1℃。年平均降雨117d,降雨量1106.5mm,最大平均濕度81%,最大風(fēng)速19.8m/s。土壤最大凍結(jié)深度-0.09m。夏季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|南、東風(fēng),冬季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|北、東風(fēng)。無(wú)霜期237d。每年6 月下旬到7 月中旬為梅雨季節(jié)。晚第三紀(jì)以來(lái),南京市地殼運(yùn)動(dòng)經(jīng)歷了由強(qiáng)到弱,由相對(duì)活動(dòng)趨于相對(duì)穩(wěn)定的過(guò)程。上新世以來(lái),地殼已進(jìn)入一個(gè)新的階段(新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)),與老構(gòu)造運(yùn)動(dòng)相比,在性質(zhì)、方向、強(qiáng)度上都有明顯的不同,全新世地殼運(yùn)動(dòng)已趨于穩(wěn)定。

        綜上,南京地區(qū)大地構(gòu)造屬揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)的下?lián)P子凹陷褶皺帶,這個(gè)凹陷從震旦紀(jì)以來(lái)長(zhǎng)期交替沉積了各時(shí)代的海相、陸相和海陸相地層,下三疊系青龍群沉積以后,經(jīng)印支運(yùn)動(dòng)、燕山運(yùn)動(dòng)發(fā)生斷裂及巖漿活動(dòng),并在相鄰凹陷區(qū)及山前山間盆地堆積了白堊紀(jì)及第三紀(jì)紅色巖系及侏羅~白堊紀(jì)的火山巖系。

        3 試驗(yàn)方法

        3.1 試驗(yàn)材料

        試驗(yàn)所用軟土取自南京市建鄴區(qū)土層,試驗(yàn)所用土樣取自深度為4.2~6.1m的土層內(nèi),其試驗(yàn)土樣的物理性質(zhì)如表1所示。

        表1 試驗(yàn)用土的基本物理性質(zhì)

        本次試驗(yàn)主要為固結(jié)試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)對(duì)軟土的蠕變特性進(jìn)行研究,其中固結(jié)試驗(yàn)采用三聯(lián)高壓杠桿固結(jié)儀,剪切試驗(yàn)采用流變直剪儀,其試驗(yàn)精度為0.01mm。

        3.2 試驗(yàn)方案

        其中固結(jié)試驗(yàn)試樣設(shè)置為高2cm、直徑61.8mm 的環(huán)刀試樣。固結(jié)試驗(yàn)采用三種不同類(lèi)型的加載方式,分別為分級(jí)加載、分別加載、預(yù)壓加載。其中分別加載設(shè)置25kPa、100kPa、200kPa 三個(gè)加載等級(jí),在加載過(guò)程中定時(shí)觀察試樣的應(yīng)變變化,并將變形低于0.005mm/d設(shè)置為穩(wěn)定狀態(tài)。分級(jí)加載分為加荷比等于1、小于1、大于1 三種情況,每種情況分別在第一級(jí)荷載加載穩(wěn)定后進(jìn)行下一級(jí)荷載的加載工作,每級(jí)荷載加載時(shí)長(zhǎng)保持一致,均設(shè)置為8h,共設(shè)置6級(jí)加載,總計(jì)48h 的加載時(shí)間,分級(jí)加載的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)同分別加載,均為0.005mm/d。對(duì)于預(yù)壓加載則是對(duì)試樣先進(jìn)行3h 的加載后卸除試樣上的荷載,待卸載荷載達(dá)12h 之后對(duì)試樣進(jìn)行分級(jí)加載,以此得到不同應(yīng)力條件下土樣的固結(jié)蠕變特性,其中預(yù)壓加載設(shè)置100kPa、300kPa、600kPa三個(gè)等級(jí)。

        直剪試驗(yàn)在室溫及雙面排水的條件下進(jìn)行,所用環(huán)刀試樣同固結(jié)試驗(yàn),均為高2cm、直徑61.8mm 的環(huán)刀試樣。但直剪試驗(yàn)僅設(shè)置分級(jí)加載的加荷方式,每個(gè)加荷等級(jí)加載5d,一共設(shè)置8 組試樣,且每級(jí)加荷的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)同固結(jié)試驗(yàn)的0.005mm/d,試驗(yàn)直至試樣被剪切破壞。

        4 結(jié)果分析

        4.1 固結(jié)試驗(yàn)結(jié)果分析

        圖1 所示為固結(jié)試驗(yàn)中的第一種加載方式結(jié)果示意圖,其中橫軸為加載時(shí)間,縱軸為應(yīng)變。從圖1 所反映的趨勢(shì)可以看出,在三種不同荷載等級(jí)下的分別加載,其試樣均表現(xiàn)出同一種變化特征,即在加載初期均會(huì)產(chǎn)生一定的彈性應(yīng)變,但隨著加載時(shí)間的進(jìn)行,土樣的應(yīng)變變化基本趨于穩(wěn)定。但對(duì)于不同應(yīng)力等級(jí)下軟土試樣的蠕變量不同,在低應(yīng)力的加載等級(jí)下,試樣的蠕變量?jī)H4%,而在高應(yīng)力的加載等級(jí)下蠕變量會(huì)隨之增大,達(dá)到將近20%,此現(xiàn)象說(shuō)明該地軟土具備結(jié)構(gòu)性效應(yīng)。

        圖1 分別加載方式下三種等級(jí)的土體應(yīng)變-時(shí)間變化圖

        為了進(jìn)一步分析在分別加載條件下軟土的蠕變性質(zhì),將圖1 所示的分別加載方式下三種等級(jí)的土體應(yīng)變-時(shí)間變化圖轉(zhuǎn)化為雙對(duì)數(shù)形式,并繪制了圖2。

        圖2 分別加載方式下三種等級(jí)的土體應(yīng)變-時(shí)間雙對(duì)數(shù)曲線(xiàn)

        從圖2 可以看出,三種不加載等級(jí)的曲線(xiàn)均包含有拐點(diǎn),在拐點(diǎn)之后應(yīng)變趨于穩(wěn)定,此拐點(diǎn)為區(qū)分主固結(jié)、次固結(jié)的分界點(diǎn),在拐點(diǎn)之前的部分均為主固結(jié)蠕變,之后的部分均為次固結(jié)蠕變。分別加載條件下產(chǎn)生此種現(xiàn)象的原因在于土體的固結(jié)本質(zhì)上是將土體內(nèi)的自由水和結(jié)合水排出,在土體受力時(shí)孔隙被壓縮,結(jié)合水之間彼此靠近,其相互作用力增強(qiáng),因此導(dǎo)致土體內(nèi)排水量降低,此種微觀現(xiàn)象在體積變化上就表現(xiàn)為圖2中的拐點(diǎn)。

        圖3 為三種加荷比下分級(jí)加載方式下的土體應(yīng)變-時(shí)間變化圖,從圖中可以看出對(duì)于三種不同的加荷比,均表現(xiàn)出在固結(jié)初期產(chǎn)生一定量的彈性應(yīng)變,但與分別加載不同的是,隨著試驗(yàn)的進(jìn)行,應(yīng)變量與蠕變變形會(huì)隨之增加。在加荷比小于1 時(shí)應(yīng)變量隨時(shí)間增長(zhǎng)的增加量較小,但隨著加荷比的提高,應(yīng)變量導(dǎo)致的蠕變變形會(huì)隨著時(shí)間的增長(zhǎng)增加量變大。

        圖3 三種加荷比下分級(jí)加載方式下的土體應(yīng)變-時(shí)間變化圖

        圖4 為三種加荷比下分級(jí)加載方式下的土體應(yīng)力-應(yīng)變變化圖,可以看出此三種加荷比下的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)均可分為兩部分,即低增長(zhǎng)階段與高增長(zhǎng)階段,分別對(duì)應(yīng)圖中的低斜率和高斜率階段,且該部分的拐點(diǎn)為土體試樣的屈服分界點(diǎn)。

        圖4 三種加荷比下分級(jí)加載方式下的土體應(yīng)力-應(yīng)變變化圖

        圖5 為三種荷載等級(jí)下的預(yù)壓加載方式下卸壓后的土體應(yīng)變-時(shí)間變化圖,從圖中可以看出,在土體卸壓后的短期內(nèi),土體會(huì)產(chǎn)生一定的回彈,但隨著卸壓時(shí)間的增長(zhǎng),回彈量逐漸趨于穩(wěn)定,雖然荷載等級(jí)越高,殘余應(yīng)變相應(yīng)越大,但三種不同荷載等級(jí)的土體試樣殘余應(yīng)變均保持在4%左右。

        圖5 三種荷載等級(jí)下的預(yù)壓加載方式下卸壓后的土體應(yīng)變-時(shí)間變化圖

        圖6 為三種荷載等級(jí)下的預(yù)壓加載方式下的土體應(yīng)變-時(shí)間變化圖,從圖中可以看出100kPa、300kPa、600kPa三種荷載等級(jí)的試樣,最終蠕變量分別為14.0%、7.8%、6.2%,此結(jié)果表明,在預(yù)壓加載的方式下,所使用的荷載等級(jí)越高最終產(chǎn)生的蠕變變形量就越低。此現(xiàn)象表明加大土體的固結(jié)程度可減少土體的蠕變量,進(jìn)而降低蠕變所帶來(lái)的影響。

        圖6 三種荷載等級(jí)下預(yù)壓加載方式下的土體應(yīng)變-時(shí)間變化圖

        為了進(jìn)一步分析軟土在不同應(yīng)力條件下的蠕變反應(yīng)內(nèi)在機(jī)理,需要得出次固結(jié)系數(shù)在不同荷載等級(jí)下的變化趨勢(shì),因此本文繪制了圖7 所示的不同加載方式下的次固結(jié)系數(shù)變化趨勢(shì)圖。從圖中可以看出,對(duì)兩種不同的加載方式而言,應(yīng)力越大,次固結(jié)系數(shù)在一定區(qū)間內(nèi)會(huì)隨之增大,但超過(guò)該區(qū)間后便會(huì)降低,且次固結(jié)系數(shù)與加荷比即預(yù)壓的荷載等級(jí)均有關(guān)。

        圖7 不同加載方式下的次固結(jié)系數(shù)變化趨勢(shì)

        4.2 直剪試驗(yàn)結(jié)果分析

        圖8 為兩種主要的強(qiáng)度參數(shù)剪切模量與粘滯系數(shù)隨法向應(yīng)力變化的曲線(xiàn)示意圖,從圖中可以看出,隨著剪切時(shí)長(zhǎng)的增加,剪切模量會(huì)呈現(xiàn)出增長(zhǎng)的趨勢(shì),但在試樣破壞時(shí),最終的剪切模量會(huì)與剪切時(shí)長(zhǎng)成反比。對(duì)于粘滯系數(shù)而言,隨著剪切時(shí)長(zhǎng)的增加,粘滯系數(shù)同樣呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì),且剪切模量先隨著應(yīng)力的增大而增大,之后隨應(yīng)力增大而減小,但粘滯系數(shù)隨應(yīng)力的增大一直保持增長(zhǎng)趨勢(shì)。造成此現(xiàn)象的原因是在應(yīng)力較低時(shí),對(duì)試樣造成的剪切變形較小,隨著應(yīng)力的增加,土體開(kāi)始產(chǎn)生一定的剪切變形,因此剪切模量會(huì)隨之上升,但隨著應(yīng)力的進(jìn)一步上升,應(yīng)變大幅升高,因此剪切模量隨之降低。

        圖8 強(qiáng)度參數(shù)隨應(yīng)力變化曲線(xiàn)

        5 結(jié)論

        本文以南京市建鄴區(qū)雙閘街道住宅樓項(xiàng)目的地下軟土為研究對(duì)象,通過(guò)固結(jié)及直剪試驗(yàn),采用不同等級(jí)的荷載及加載方式對(duì)軟土的蠕變特性進(jìn)行研究并得出了如下結(jié)論。

        ①對(duì)于不同應(yīng)力等級(jí)下軟土試樣的蠕變量不同,在低應(yīng)力的加載等級(jí)下,試樣的蠕變量?jī)H4%,而在高應(yīng)力的加載等級(jí)下蠕變量會(huì)隨之增大,達(dá)到將近20%,表明該地軟土具備結(jié)構(gòu)性效應(yīng)。

        ②在預(yù)壓加載的方式下,所使用的荷載等級(jí)越高最終產(chǎn)生的蠕變變形量就越低,表明加大土體的固結(jié)程度可減少土體的蠕變量,進(jìn)而降低蠕變所帶來(lái)的影響。

        ③對(duì)于不同的加載方式,應(yīng)力越大,次固結(jié)系數(shù)會(huì)在一定區(qū)間內(nèi)隨之增大,但超過(guò)該區(qū)間后便會(huì)降低,且次固結(jié)系數(shù)與加荷比即預(yù)壓的荷載等級(jí)均有關(guān)。

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