非饱和重塑黄土三轴蠕变试验研究

杨春景，张　迪

(黄河水利职业技术学院 水利工程学院， 河南 开封　475004)

非饱和重塑黄土三轴蠕变试验研究

杨春景，张迪

(黄河水利职业技术学院 水利工程学院， 河南 开封475004)

摘要：为研究陕西咸阳扶风地区黄土边坡的稳定性，利用SR-60型双联三轴蠕变仪针对非饱和重塑黄土进行了三轴固结排水蠕变试验。试验结果表明：试样含水率、固结围压和偏应力水平对蠕变变形具有明显的影响。表现为：当含水率较大、固结围压较小时，蠕变变形量大，蠕变现象明显；当其他条件一定时，在偏应力水平较大条件下，试样变形大，蠕变现象明显。在数据分析的基础上建立了经验模型，并与Singh-Mitchell和Mesri模型对比后发现，新模型具有精度高、参数少且参数容易获得等优点，能较好地模拟该地区黄土蠕变过程。

关键词：非饱和重塑黄土；三轴蠕变试验；经验模型；模型对比；含水率；固结围压；偏应力水平

1研究背景

黄土广泛分布于我国西北地区，黄土蠕变问题也成为西部大开发过程中岩土工程最典型的问题之一，因此研究黄土具有重要的意义。因其特殊的结构性和水敏感性，由黄土蠕变引起的地质灾害包括地基沉降，以及由此引发的建筑物变形破坏、边坡滑坡等灾害，严重威胁到人民的生命财产安全[1]。

土的蠕变是指在某一应力持续作用下，变形随时间增长的过程，是土体流变特性的一种表现形式。谢定义[2]认为随着人们对建筑物耐久性能的日益重视，土力学中对流变特性的研究必将比以往更加深入。近年来，国内外专家学者通过对黄土蠕变开展的大量研究[3-7]发现，对黄土蠕变特性的研究不仅能完善蠕变理论，而且可以查明影响蠕变的因素并通过相应的工程措施治理和预防因蠕变引起的工程问题。

土的蠕变性质研究中，三轴蠕变试验作为常见的室内蠕变试验，试验规范、操作成熟，且能准确获取蠕变曲线和蠕变特征参数，更接近工程实际，对于研究蠕变特性是一种较为有效的试验方法[8-9]。本文采用陕西省咸阳地区非饱和重塑黄土试样做三轴蠕变试验，分析了含水率、固结围压及偏应力水平对黄土蠕变特性的影响。同时，在分析试验数据的基础上，结合前人对蠕变模型的研究[10-13]，建立了黄土蠕变经验模型，并与Singh-Mitchell和Mesri模型进行对比。

2试验材料和试验方案

试验土样为陕西省咸阳市扶风县某砖窑厂边坡黄土，取土深度3.0～4.0m，天然干密度1.27g/cm3，天然含水率16.9%，孔隙比1.14，属Q3黄土。经标准击实试验得到最大干密度为1.68g/cm3。试样基本物理指标见表1。

试验采用圆柱样，底面积30cm2，高12.5cm。试样为非饱和重塑样，由所取黄土风干、碾碎、过筛后压制而成，控制试样干密度1.51g/cm3(压实度90%)。采用水膜转移法控制目标含水率分别为10%，15%，20%，25%，30%，并静置于保湿缸中48h以上，保证试样内水分均匀分布。试验采用固结排水方式，利用SR-60型双联三轴蠕变仪进行试验，且实验室内装有温度计，确保试验在(20±1)℃内进行。

蠕变试验在3个围压水平(50，100，150kPa)下进行。偏应力在法向进行加压，采用分级加载方式，根据三轴固结不排水剪切试验确定的抗剪强度分4级施加。每级荷载施加待试样变形稳定后再进行下一级加载，稳定标准以变形<0.01mm/d为准，三轴蠕变试验方案如表2所示。为抵消压力室内的围压对轴向力传动轴的反压，同时保证试样与传动轴接触完好，试验前应对压力室作不同围压条件下进行标定，施加相应数量的平衡砝码。

表1　黄土物理指标

表2　三轴蠕变试验方案

3试验结果与分析

本文利用Boltzmann叠加原理对分级加载方式所得数据进行处理，分析不同含水率、固结围压和偏应力水平条件下黄土三轴蠕变特性，具体见图1。

图1　各级偏应力条件、不同含水率和不同围压下的应变历时曲线Fig.1　Strain vs. time curves under different deviatoricstresses，water contents and confining pressures，respectively

由图1(a)可知，在偏应力水平较低时，试样变形至蠕变稳定所需时间比在偏应力水平较高时所需时间要长。分析可得，在偏应力较小时，由偏应力引起的剪切应力低于试样内部初始结构强度，黄土试样内部结构调整较快，试样能在短时间内变形稳定，蠕变现象也不明显。随着偏应力的增大，结构调整较慢，变形量增大，蠕变现象愈明显。当偏应力达到一定水平时，试样可发生蠕变破坏。

由图1(b)可知，除偶然发生试样变形突然增大外，在其他条件一定时，表现为蠕变变形量随着试样含水率的增大而增大。在黄土工程中，一般认为含水率是一种广义的力[14]。根据土体颗粒双电子层理论，土体颗粒之间的连接力与土粒表面的扩散膜厚度有关。当含水率较高时，扩散膜厚度较大，颗粒之间的静电吸力弱，颗粒易发生滑移和错位现象，表现为试样蠕变变形量大。

由图1(c)可知，先期固结围压对后期蠕变变形影响显著。当其他条件固定时，固结围压大时后期蠕变不明显，符合实际工程情况。从重塑土样强度组成分析，在高围压固结条件下，颗粒或颗粒簇在外力作用下重新完成排列组合，且相对紧密，颗粒之间的相互咬合和嵌挤作用增强，表现为土样强度相对较大，则后期蠕变变形量较小。

4蠕变经验模型建立与对比

4.1模型提出

以含水率w=20%，固结围压σ3=150kPa的蠕变结果为例，提出三轴蠕变模型，蠕变等时曲线，如图2所示。由应变历时曲线(图1(a))和应力应变等时曲线(图2)拟合分析发现，采用双曲线函数和幂函数分别模拟应变历时曲线和应力应变曲线具有较高的精度。拟合得出蠕变模型表达式为

(1)

式中：p为偏应力水平(kPa)；t为蠕变历时(min)；a,b,n为模型参数。

图2　应力-应变等时曲线

4.2模型参数确定

根据何利军等[15]建立模型参数的处理方法可知，当t=∞时，有ε∞=(a/b)pn；当t=0时，有ε0=apn=bε∞，即b=ε0/ε∞。统计所有含水率、固结围压下的数据发现，b值在一个固定值附近浮动，最终采用平均值表示。在w=20%， σ3=150kPa条件下，取b=0.594。

当t=0时，得ε0=apn，换算有lnε0=lna+nlnp，由此可得，lna和n分别为拟合曲线lnε0-lnp的截距和斜率。如图3所示，有n=1.018 9，lna=-5.223 9，即a=0.005 4。整理得

ε=0.005 4p1.018 9(1+t)/(1+0.594t) 。

(2)

图3　lnε0-lnp关系曲线

4.3模型验证

用模型对蠕变试验数据进行验证，拟合结果如图4所示。

图4　本文模型模拟值与试验值对比Fig.4　Comparison of simulated results andmeasured results

从图4中可以看出，在蠕变初始时刻存在拟合值略有偏大的情况，随着时间推移，拟合值与试验值之间的差距减小，后期变化趋势基本一致。综合新模型对其他条件下的试验数据的拟合效果，结果表明，建立的经验模型对模拟该地区黄土三轴蠕变具有较高的精度。

4.4模型对比

描述土体蠕变特性的经验模型中，有Singh-Mitchell和Mesri模型被广泛利用[16-18]。其中Singh-Mitchell模型表达式为

(3)

Singh-Mitchell模型能较好地描述偏应力水平在20%～80%之间的应力-应变-历时规律，但对其修正后的Mesri模型不受此限制，对所有应力水平下的蠕变特性具有较高的模拟精度[16]。Mesri模型表达式为

(4)

对w=20 %，σ3=150kPa的蠕变数据进行对比验证，对比结果如图5。

图5　不同偏应力条件下Singh-Mitchell,Mesrii和本文模型模拟值与试验值对比Fig.5　Comparison of test results and simulated results indifferent models under different deviatoric stresses

从图中可以看出，采用Singh-Mitchell和Mesri模型在2种偏应力条件下的拟合曲线与实际试验曲线差异较大，且差值呈逐渐增大的趋势。笔者建立的新模型在蠕变初期模拟效果不明显，但随着时间推移，后期对蠕变变形量的拟合值与实际值越来越接近，且趋势吻合，表明新模型对黄土体长期蠕变现象具有较高的模拟精度。在模拟过程中可发现，新模型具有参数相对较少，且参数容易获取等优点。

5结论

(1) 采用固结排水方式的三轴蠕变试验表明，黄土试样含水率，固结围压对蠕变变形有显著影响，表现为试样在高含水率，低围压下的蠕变变形量大，蠕变达到稳定所需时间相对较长。

(2) 偏应力水平也是影响试样蠕变变化的重大因素。偏应力水平较大时，蠕变变形量大。当偏应力达到一定大小时，试样可发生蠕变破坏。

(3) 基于试验数据建立蠕变经验模型，并与Singh-Mitchell和Mesri模型进行对比发现，新模型对于该地区黄土长期变形的拟合不仅精度较高，后期变化趋势与实际值吻合，且模型参数少，参数易获得。

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(编辑：陈敏)

Triaxial Creep Tests of Unsaturated Remoulded Loess

YANGChun-jing,ZHANGDi

(DepartmentofWaterConservancy,YellowRiverConservancyTechnicalInstitute,Kaifeng475004,China)

Abstract:To investigate the stability of loess slope in Fufeng district of Shaanxi province, we carried out drained triaxial creep tests of unsaturated remoulded loess by SR-60, a traixial creep instrument. Test results show that the creep characteristics of loess is obviously influenced by water content, confining pressure and consolidation pressure. The creep strain grows much bigger, and the creep phenomenon is quite obvious when the water content is higher and confining pressure is lower. Meanwhile, with other condition invariable, the creep strain increases with the growing of consolidation pressure. On the basis of analyzing test data, we proposed an empirical creep model and compared it with Singh-Mitchell model and Mesri model. The comparison reveals that the model is of high accuracy and easy-obtained parameters in simulating the creep characteristics of loess.

Key words:unsaturated remoulded loess; triaxial creep; empirical creep model; models comparison ; water content; consolidation confining pressure; deviatoric stress

收稿日期：2015-05-27 ；修回日期： 2015-07-14

作者简介：杨春景(1981-)，男，河北唐山人，讲师，硕士，研究方向为水工结构、水利水电工程、力学及材料科学，(电话)15937870781(电子信箱)yangchunjing100@163.com。

doi:10.11988/ckyyb.20150447

中图分类号：TU444

文献标志码：A

文章编号：1001-5485(2016)06-0075-04

2016,33(06):75-78