新型软土卸载流动模型试验研究★

孙 茜 王晓文 颜媛媛

(1.南京理工大学紫金学院，江苏 南京 210046; 2.镇江市住房和城乡建设局，江苏 镇江 212000)

·岩土工程·地基基础·

新型软土卸载流动模型试验研究★

孙 茜1王晓文2颜媛媛1

(1.南京理工大学紫金学院，江苏 南京 210046; 2.镇江市住房和城乡建设局，江苏 镇江 212000)

通过软土卸载流动模型，模拟了土体的侧向卸荷条件，并测量了土体水平位移及沉降量，试验结果表明，土体在侧向卸载条件下的水平位移和沉降均呈现类似的规律，即应力水平较低时，表现为衰减蠕变；应力水平较高时，表现为等速蠕变；应力水平越高，土体的侧向流动性越大。

软土，流变试验，水平位移，量测系统

0 引言

我国东南沿海地区广泛分布厚层软土，具有显著的流变性，极易在特殊应力场条件下表现出“流动”特性。在基坑开挖时，过快、过大范围的土体应力卸载，坑外堆载过大以及支护结构不合理等因素均可能导致软土侧向流动，进而引发支护结构墙体倾覆失效及周边地面沉陷[1]。显然，软土在特殊应力场条件下表现出的“流动”特性和诱发特殊变形问题，已经超出弹塑性理论、粘弹塑性理论的范畴，很难用这些分析理论和计算模型解决。

目前常用的室内流变试验方法有单轴压缩流变试验[2，3]和三轴流变试验[4]。单轴压缩流变试验完全限制侧向变形，与工程实际情况有很大差距；三轴流变试验只能测读轴向变形，无法直接测出土体侧向变形。基于以上问题，为了深入研究土体在卸载条件下的变形特征，自行研制了软土卸载模型试验箱及位移量测系统，测量了各级卸载条件下土体的水平和垂直位移，根据试验结果分析软土水平方向流变与垂直向流变的规律。

1 卸载流动模型试验系统

1.1 模型箱设计

模型箱主要由模型槽、加载部件、卸载板三个部分所组成，见图1，图2。 模型槽长930 mm，宽430 mm，高313 mm，为了便于观察，侧面和底面均采用有机玻璃，厚13 mm。加载部件由一块加载顶板、三块压板和五块传力竖板构成。加载顶板长600 mm，宽300 mm，两块边压板(400 mm×235 mm)，一块中压板(400 mm×300 mm)，两块梯形竖板(200 mm×300 mm×235 mm)，两块加劲矩形竖板(200 mm×235 mm)，且矩形竖板和梯形竖板中间开直径为1 cm的孔，以便插销插入。卸荷板由两块“凹”形插板组成，且在凹形板中间开一个直径为1 cm的孔，能让插销顺利的插入，箱体底板及前后两侧面距箱体两侧300 mm处各开两道槽，槽宽13 mm，以便卸载部件插入。

1.2 量测系统

量测系统主要测量土体卸载后的水平位移和垂直位移。由于试验过程中土体位移速度很快，很难直接读数。位移测量采用摄影测距法和红外测距法相结合，在模型箱侧边贴刻度尺，土体垂直位移测量采用摄影测距法，水平位移测量采用红外测距法见图3，图4。摄影测距法用摄像仪器记录带有刻度尺的测量点上的软土变形，精度较高，但后期数据处理工作量大。红外测距法精度较高，能测量短时间内的软土变形，并且自动读数，后期处理实验数据较为简单。

在模型箱底面两端及中间布置红外传感器(见图5)，红外传感器采用GP2Y0A21YK0F型号，量程为10 cm～80 cm，数据采集使用美国国家仪器公司(NI公司)MyDAQ数据采集器。红外传感器接收信号后，经过数据采集卡采集，在上位机上编程实现监控、处理、显示，红外监测系统流程：位移信号→红外传感器→NI数据采集卡→装有监测程序的PC机。

1.3 模型试验系统特点

本模型试验系统具有以下显著特点：

1)加载部件能使荷载均匀加载在实验软土上。此外，边压板的设置使粘土在加载过程中始终受到荷载的作用。2)插销的使用可以保证在加载过程中，插板与上部结构一起下降，插销可将加卸载板固定在一起，从而实现加、卸载同时作用。3)红外传感器的使用使得数据采集系统自动化程度高。

2 软土卸载流动模型试验

试验用土取自南京市栖霞区新港开发区靖安大道，属于长江漫滩地貌单元，取土深度4 m～5 m，经颗分试验，定名为淤泥质粉质粘土，物理性质指标见表1。

表1 试验用软土物理性质指标

2.1 试验步骤

1)将软土分层填入模型槽内并刮平，确保土体密实；2)将加载部件放置于粘土之上，预加载10 min；3)在开始卸载实验前5 s，打开红外测量系统；4)在加载部件上放置相应的砝码进行加载；5)抽离卸载部件，用插销将加卸载部件固定在一起；6)每级加载变形稳定后，再施加下一级应力；7)当粘土变形过程结束时，关闭红外测量系统。

2.2 试验结果分析

制作含水量40%的重塑样，分级施加荷载1 kPa，2 kPa，2.7 kPa，3.5 kPa，量测土体水平位移及沉降分别见图6，图7。

由图6和图7可见，水平位移和沉降符合同样的规律。应力水平较低时，蠕变曲线只出现衰减蠕变阶段。卸载瞬时，侧向位移和沉降均出现较大的瞬时变形，随着时间的增长，变形速率逐渐减小，最终趋近于零。应力水平越高，变形量越大。当加载应力达到3.5 kPa，蠕变曲线为等速蠕变，蠕变变形速度为一常数，但不为零。从图8可以看出，应力水平越高，水平位移与沉降的比值越大，即土体的侧向流动性增大。

3 结语

1)研制开发模拟软土卸载流动的模型试验系统，系统由模型箱体、加载部件、卸载部件、位移量测系统组成，该模型试验系统可实现加卸载同时作用，并测量土体的水平位移和垂直位移。经初步试验验证，该试验系统数据可靠，自动化程度较高，可用来模拟卸载条件下土体的变形；2)当应力水平较低时，水平位移和沉降的蠕变规律均表现为衰减蠕变，及卸载初期土体变形速率很快，后期变形速率逐渐变慢；当应力水平较高时，水平位移和沉降均表现为等速蠕变规律。应力水平越高，水平位移与沉降的比值越大，即土体的侧向流动性增大。

[1] 闫怀瑞,阎长虹,丁倩文.深厚软土地区基坑开挖主要工程地质问题与对策[J].地质论评,2015,61(1):149-154.

[2] 张 云,薛禹群,吴吉春，等.饱和黏性土蠕变变形试验研究[J].岩土力学,2011,32(3)：672-683.

[3] 周秋娟,陈晓平,黄丽娟.应力控制式三轴仪的改装及应用[J].地下空间与工程学报,2011,7(3)：468-473.

[4] 王元战,黄东旭,肖 忠.天津滨海地区两种典型软黏土蠕变特性试验研究[J].岩土工程学报,2010,34(2)：379-384.

On test of flow models of new soft soil unloading★

Sun Qian1Wang Xiaowen2Yan Yuanyuan1

(1.ZijinCollege,NanjingUniversityofTechnology,Nanjing210046,China; 2.ZhenjiangHousingandUrbanandRuralConstructionBureau,Zhenjiang212000,China)

According to the soft soil unloading flow model, the paper simulates the lateral unloading conditions, measures the horizontal displacement and settlement of the earthwork, proves by the test results that the earthwork shows similar regulations in the horizontal displacement and settlement under the lateral loading conditions, and indicates it shows the weakening creeping when the stress is low while it shows the steady creeping when the stress is high, and illustrates the earthwork’s lateral flow is higher with higher stress.

soft soil, flow test, horizontal displacement, measurement system

1009-6825(2017)02-0067-03

2016-11-08★：南京理工大学紫金学院2013年度科研项目资助(项目编号：2013ZRKX0401003)

孙 茜(1983- )，女，讲师

TU411

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