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)。