滨海软黏土蠕变特性的三轴试验

雷华阳，刘景锦，贾亚芳，李 肖

(1. 天津大学建筑工程学院，天津 300072；2. 天津大学滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室，天津 300072)

滨海软黏土蠕变特性的三轴试验

雷华阳1,2，刘景锦1，贾亚芳1，李 肖1

(1. 天津大学建筑工程学院，天津 300072；2. 天津大学滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室，天津 300072)

为探讨天津滨海典型软黏土的蠕变特性，利用英国GDS动三轴试验系统，开展了考虑围压、加荷比以及排水条件等因素下的三轴蠕变试验研究，得到了不同条件下滨海软黏土的应力-应变-时间关系曲线．试验结果表明：天津滨海软黏土具有非线性蠕变特性，其蠕变变形演化特征受结构性制约，低围压条件下，蠕变等时曲线近似为线性，无明显的屈服特性；当围压较大时，蠕变等时曲线呈现折线特性；排水条件下的蠕变等时关系曲线比不排水条件下的非线性程度明显，排水条件下其体变性状总体上表现为剪缩，蠕变变形速率和变形量均低于不排水条件；不排水条件下软黏土的初始蠕变变形速率和变形量与围压和加荷比有关，相同偏应力水平下，固结压力越大，初始蠕变速率越大，达到稳定蠕变阶段的时间越短，蠕变变形量越小；初始固结压力一致时，加荷比越大瞬时蠕变速率越大，破坏应力值越小．

软黏土；蠕变特性；三轴试验；非线性

随着沿海地区经济的快速发展，大量工程不可避免地建于深厚软土地层发育的冲积平原地区．软土的流变特性对工程结构的稳定和变形有着至关重要的影响，成为工程建设中需要考虑的重要问题之一．国内外由于土体流变特性而产生的各类工程问题屡见不鲜．1995年，Shirlaw[1]在研究大量隧道长期沉降实测数据的基础上发现，正常情况下隧道的长期沉降量占隧道最终沉降量的比例在30%～90%之间变化．Lee等[2]通过上海地铁2号线的现场沉降监测得出类似的结论：隧道长期沉降量占隧道最终沉降量的比例达到60%～90%．凌建明等[3]等通过现场实测发现，上海外环线北翟路口开放两年后的路面沉降达到9～10,cm．因此，研究软土的蠕变特性对于合理解释软土工程的时效力学行为，掌握其应力和变形规律，评价土体与工程结构物的长期稳定性和运行安全等具有十分重要的意义．

关于软黏土的蠕变特性，国内外学者均开展了相关的理论和试验研究，如20世纪30年代Buisuman[4]根据大量试验资料首次提出采用经验公式来表征饱和黏土沉降与时间的关系．Taylor[5]认为先期固结应力随时间的增长具有等时性．Bjerrum[6]认为固结和蠕变同时发生．沈杰等[7]采用分别加载方式，研究了湿软土壤的蠕变特性，得出应变速率和应力以及时间呈线性的结论．王常明等[8]采用分级加载对上海、珠海、深圳等典型地区的海积软土进行蠕变试验研究，得出海积软土的一维固结蠕变的应力-应变关系是非线性的、不可逆的、与时间有关的结论．周秋娟等[9]针对广州南沙原状软土进行了一系列试验，系统地探讨了软土的蠕变变形特性，认为软土的蠕变特性与初始固结度、土层排水条件、加荷比等因素有关．李军霞等[10]分析了不同排水条件的软土蠕变特性与微观孔隙的变化规律．

总体上，关于滨海软黏土的蠕变特性研究还处于探索阶段，软黏土的蠕变特性会受到结构性强弱程度的控制，所以，无论是从试验手段还是影响因素考虑方面，均需要进行深入探讨和分析．笔者以天津滨海软黏土为研究对象，开展不同条件下软黏土的蠕变特性研究，探讨围压、加荷比以及排水条件等因素对其蠕变特性的影响，以求揭示滨海软黏土的变形沉降规律．

1 试验土样和方法

1.1 试验土样

试验土样取用典型滨海软黏土，具有含水率较高、压缩性较大、有较高灵敏性和较强结构性的特点，取样深度为6.5～8.5,m，基本的物理力学指标如表1所示．

表1 试验用土的基本物理力学指标Tab.1 Main physical and mechanical parameters of test soil

1.2 试验设备与方法

试验仪器设备选用英国GDS动三轴试验系统，如图1所示，它由计算机动力控制部分、静力控制部分、压力室、数据采集和处理部分等组成．静力加荷时土体侧向受到水和气的均匀作用，可以保证σ1= σ3，其中σ1为轴向应力，通过软件控制由压力室的中轴向下移动施加，σ3为围压．

图1 英国GDS动三轴试验仪Fig.1 British GDS dynamic triaxial tester

土样高80,mm，直径39.1,mm．试验过程中先对土样进行固结，待孔隙水压力消散后开始分级施加静力荷载．每组试验历时10,d左右，共历时5个月．为了考虑加荷比(分级加载过程中每级加载荷重的增量比Δp/p，其中、围压以及排水条件对软土蠕变特性的影响，特进行3类试验进行比对分析．具体试验方案见表2．

表2 三轴蠕变试验方案Tab.2 Test program for triaxial test of creep

2 蠕变试验结果分析

2.1 偏应力-轴向应变等时曲线特性

图2为滨海软黏土的蠕变等时关系曲线．一般情况下，原状软黏土的蠕变变形会表现出不同程度的非线性特性．从图中可以看到有以下3个特点．

图2 不同围压下偏应力-轴向应变等时曲线Fig.2 Creep test q-ε curves under different confining pressures

(1) 不排水时，在低围压条件下，偏应力小于屈服应力时的偏应力q-轴向应变ε 等时关系曲线近似是一组平行的直线，无明显的屈服特性，且随时间增加，应变量逐渐加大．随着偏应力的增大，不同时间下的应变值较接近．

(2) 当围压逐渐增大时，偏应力-轴向应变等时关系曲线开始出现转折，随着偏应力的增大，应变增长速率逐渐降低．说明偏应力水平越高，非线性程度越高.

(3) 相同围压时，排水条件下的蠕变等时关系曲线比不排水条件下非线性程度高．如在围压100,kPa时，排水条件下的偏应力-应变等时关系曲线初始蠕变速率较低，当偏应力达到100,kPa时，曲线开始出现转折，蠕变速率迅速增大．这说明，在排水条件下，当偏应力大于屈服应力时，土体蠕变量会迅速增加．同时可以看出，与不排水条件相比，排水条件下不同时刻各级荷载下蠕变量相差不大．

2.2 轴向应变-时间关系曲线特性

图3为分级加载条件下围压50,kPa、100,kPa和150,kPa时的轴向应变ε-时间t关系曲线．

图3 分级加载下轴向应变-时间关系曲线Fig.3 Creep test ε-t curves under grading loading

从图3可以看出以下3个特点．

(1) 各级偏应力作用下，轴向应变ε-时间t关系曲线规律相同，基本包括3个阶段：加载初期的瞬时弹性应变阶段、衰减阶段和黏滞流动阶段．

(2) 随着围压的逐渐增大，加载初期产生的瞬时蠕变量增长值增大，具体体现为：当围压为50,kPa、q=30,kPa时，瞬时蠕变量增长并不明显，仅为0.1%；而围压为150,kPa、q=30,kPa时，瞬时蠕变量增长值达到3.2%．

(3) 不同围压下，偏应力相同时，应变量增长不同．如围压为50,kPa、q=40,kPa时，最终应变量为5.4%；而围压为100,kPa、q=40,kPa时，最终应变量仅为4.4%．这说明，相同偏应力水平下，固结压力越大，变形越小．所以，在工程中，可以采用增加土体的固结程度的方法来减小蠕变带来的危害，提高建(构)筑物的稳定性．

2.3 体应变特性分析

图4为不同偏应力水平下的体应变εv-时间t关系曲线．可以看出：

(1) 各级偏应力水平下，试验曲线呈衰减型，加载初期均首先产生一个较大体应变，之后随时间的发展，体应变增大速率逐渐减小，试验关系曲线呈硬化型，且体应变随偏应力等级增大而增大；

(2) 随着偏应力的增大，试样体应变逐渐增大，其体变性状总体上呈现剪缩．

图4 体应变-时间关系曲线Fig.4 Creep test εv-t curves

3 影响因素分析

3.1 围压对蠕变特性的影响

图5为围压50,kPa、q=50,kPa，围压100,kPa、q=160,kPa，围压150,kPa、q=120,kPa 3种条件下的三轴蠕变速率曲线．可以看出：

(1) 土样加载后分为瞬时变形阶段、衰减蠕变和稳定蠕变阶段，稳定蠕变阶段蠕变速率很小；

(2) 随着围压的逐渐增长，初始的蠕变速率不断降低，且达到稳定蠕变阶段的时间越短；因此，为减小蠕变在工程中带来的危害，可以采用增加土体固结程度的方法来缩短土体进入稳定蠕变阶段的时间，同时减小稳定蠕变阶段的蠕变速率，提高建(构)筑物的稳定性．

图5 不同围压下蠕变速率随时间变化曲线Fig.5 Creep rate-time curves under different confining pressures

3.2 加荷比对蠕变特性的影响

图6、图7分别为不同加荷比下分级加载蠕变试验的应变时间曲线和第2加载段的蠕变速率-时间关系曲线．可以看出有以下特点．

(1) 不同加荷比条件下，蠕变曲线发展趋势一致．

(2) 初始加荷压力一样情况下，加荷比越大，其破坏的应力就越小，加荷比大于1和加荷比等于1情况下，当荷载达到240,kPa时，土样发生破坏；而加荷比小于1时，荷载达到240,kPa时土体依旧稳定变形．这主要是由于加荷比较小时，相同荷载作用下孔隙比较小，土体更密实，提高了土体的承载力．

(3) 在初始加荷压力一致(均为30,kPa)的分级加载第2加载阶段，即荷载分别为70,kPa、60,kPa和50,kPa时，瞬时蠕变速率分别为7.5×10-4,s-1、2.4× 10-4,s-1和6,×10-5,s-1，说明加载增量越大，瞬时蠕变速率就越大，蠕变趋于稳定需要的时间越短．

图6 不同加荷比下分级加载蠕变试验的应变时间曲线Fig.6 Grading loading creep test ε-t curves under different loading ratios

图7 不同加荷比下第2加载段蠕变速率-时间关系曲线Fig.7 Second part creep rate-time curves under different loading ratios

图8 不同排水条件下应变-时间关系曲线Fig.8 ε-t curves under different drainage conditions

3.3 排水条件对蠕变特性的影响

蠕变变形可以在排水与不排水两种情况下进行，试验通过动三轴仪器控制蠕变过程的排水要求，进行了一组在围压100,kPa、偏应力加载步骤均相同的条件下探讨排水条件对软土蠕变影响的对比试验，图8为试验得到的应变-时间曲线，可以看出：在初始偏应力下，排水时的应变比不排水的应变要大；而在高偏应力下，如在120,kPa下，排水时应变为10%左右，而不排水时应变为13%左右，即施加相同荷载，不排水条件下比排水条件下的应变量要大．这是由于排水条件下土样变形为固结变形和蠕变变形，在不同偏应力作用下，随着土中孔隙水被排出以及土骨架被压密，土样压缩变形量大，固结后变得比较密实，蠕变变形减弱，而不排水条件下的软土土样不存在固结排水过程，蠕变变形较大．

4 结 论

(1) 天津滨海软黏土具有非线性的蠕变特性，其蠕变变形演化特征受结构性制约，低围压条件下，蠕变等时曲线近似是一组平行的直线，无明显的屈服特性．当围压较大时，蠕变等时曲线开始出现转折，偏应力水平越高，非线性程度越高；相同偏应力水平下，固结压力越大，最终蠕变变形量越小．工程中可以采用增加土体的固结程度的方法以减小蠕变带来的危害，提高建(构)筑物的稳定性．

(2) 软黏土蠕变特性受排水条件影响，具体表现为相同围压时，排水条件下的蠕变等时曲线比不排水条件下非线性程度明显，排水条件下其体变性状总体上表现为剪缩，蠕变变形速率和变形量均低于不排水条件．

(3) 三轴蠕变试验曲线有两种类型：衰减稳定型和破坏型．衰减稳定型三轴蠕变曲线发展呈双曲线型，受不同围压和加荷比的影响，软黏土的初始蠕变变形速率和变形量表现出不同的特性．具体表现为：相同偏应力水平下，围压越大，初始蠕变速率越大，达到稳定蠕变阶段的时间越短，蠕变变形量越小；初始固结压力一致，加荷比越大，其破坏的应力值越小，瞬时蠕变速率越大，趋于稳定需要的时间越短．

［1］ Shirlaw J N. Observed and calculated pore pressures and deformations induced by an earth balance shield：Discussion[J]. Canadian Geotechnical Journal，1995，32(1)：181-189.

［2］ Lee K，Choa V，Lee S H，et al. Constant rate of strain consolidation of Singapore marine clay[J]. Geotechnique，1993，43(3)：471-488.

［3］ 凌建明，王 伟，邬洪波. 行车荷载作用下湿软路基残余变形的研究[J]. 同济大学学报，2002，30(11)：1315-1320.

Ling Jianming，Wang Wei，Wu Hongbo. On residual deformation of saturated clay subgrade under vehicle load[J]. Journal of Tongji University，2002，30(11)：1315-1320(in Chinese).

［4］ Buisuman K. Result of long duration settlement tests[C]// Proceedings of 1st International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering．USA，1936：103-112.

［5］ Talor D W. Fundamental Soft Soil Mechanics[M]. New York：Wiley，1948.

［6］ Bjerrum L. Engineering geology of Norwegian normallyconsolidated marine clays as related to settlements of buildings[J]. Geotechnique，1967，17(2)：83-88.

［7］ 沈 杰，余 群. 湿软土壤蠕变特性的试验研究[J].北京农业工程学报，1989，9(3)：20-24.

Shen Jie，Yu Qun. Experimental study on creep characteristic of wet soils[J]. Journal of Beijing Agricultural Engineering University，1989，9(3)：20-24(in Chinese).

［8］ 王常明，肖树芳，夏玉斌，等. 海积软土的固结蠕变性状[J]. 长春科技大学学报，2000，30(1)：57-60.

Wang Changming，Xiao Shufang，Xia Yubin，et al. On consolidation creep behavior of marine soft soil[J]. Journal of Changchun University of Science and Technology，2000，30(1)：57-60(in Chinese).

［9］ 周秋娟，陈晓平. 软土蠕变特性试验研究[J]. 岩土工程学报，2006，28(5)：626-630.

Zhou Qiujuan，Chen Xiaoping. Experimental study on creep characteristics of soft soils[J]. Chinese Journal of Geotechnical Enigneering，2006，28(5)：626-630(in Chinese).

［10］ 李军霞，王常明，张先伟. 不同排水条件下软土蠕变特性与微观孔隙变化[J]. 岩土力学，2010，31(11)：3493-3498.

Li Junxia，Wang Changming，Zhang Xianwei. Creep properties and micropore changes of soft soil under different drainage conditions[J]. Rock and Soil Mechanics，2010，31(11)：3493-3498(in Chinese).

Triaxial Test on Creep Properties of in Coastal Soft Clay

Lei Huayang1,2，Liu Jingjin1，Jia Yafang1，Li Xiao1
(1. School of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. Key Laboratory of Coast Civil Structure Safety of the Ministry of Education，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

Triaxial creep tests considering different confining pressures, loading ratios and drainage conditions are done by the British GDS dynamic triaxial tester, the stress-strain-time curves of coastal soft clay under different conditions are obtained, and the creep properties of typical Tianjin coastal soft clay are explored. The research indicates that typical Tianjin coastal soft clay has the nonlinear creep properties, and that the creep deformation properties are restricted by structural characteristics. Under low confining pressure, the creep curves are approximately linear with no significant yield characteristics, while the creep curves have the broken line features under high confining pressure. The creep curves under drained condition have a more obvious degree of nonlinearity than those under undrained condition, the volume properties under drained condition are of shear reduction, and both creep deformation and rate are lower than those under undrained condition. The initial creep deformation rate and deformation of soft clay under undrained condition are related to confining pressure and loading ratio, and under the same deviatoric stress level, the bigger the consolidation pressure and the higher the creep rate are, the shorter the time to reach steady creep stage and the smaller the soil deformation will be. Under the same initial consolidation pressure, a higher loading ratio leads to a bigger instantaneous creep rate and a smaller destruction pressure.

soft clay；creep properties；triaxial test；nonlinear

TU443

A

0493-2137(2013)05-0387-06

DOI 10.11784/tdxb20130502

2012-03-21；

2012-06-20.

国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2010CB732106)；国家自然科学基金资助项目(51078262)；同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室开放基金资助项目(KLE-TJGE-B1101).

雷华阳（1974— ），女，博士，教授．

雷华阳，leihuayang74@yahoo.com.cn．