软土中桥梁基础的流变性能试验研究

程佳佳 吴昊天 郭 上 张世杰

(西南交通大学，四川 成都 611756)

软土中桥梁基础的流变性能试验研究

程佳佳 吴昊天 郭 上 张世杰

(西南交通大学，四川 成都 611756)

利用应力式直剪蠕变仪，对取自江苏徐州的软土土样进行流变、桩—软土界面流变试验。得到不同应力状态下软土的流变曲线后归纳比较了流变的过程和特点，分析其中的黏弹塑性关系，建立了四元件黏弹塑性流变模型。

软土,流变实验,剪切流变模型

0 引言

在目前的高速铁路修建过程中，对于地质情况复杂、工后沉降控制难以把控的软弱土地区，以桥代路[1]的思维已经是每个设计者所达成的一个基本共识。高速铁路对于线路平顺性的要求日益提高，《高速铁路设计规范》[2]对墩台基础工后沉降量容许值进行了严格的规定。江苏徐州不仅位于中国经济高速发展的东南沿海地区，更是大的铁路枢纽。因此研究在江苏深厚软土作用下桩基的长期沉降的流变规律尤为重要。本文作者拟通过对软土的流变变形试验、桩—软土界面流变试验等数据的处理，以获取不同应力状态和固结状况下的流变曲线，结合理论分析其长期流变特性，建立软土的黏弹塑性流变模型并确定参数，期待为软土桩基长期沉降的黏弹塑性流变研究提供重要的参考。

1 软土流变试验

1.1 试验设计

本实验所用土样江苏徐州，为灰黑色软土，天然含水率47.1%，液限为44.3。采样及运输过程中尽量避免了对试样的扰动和损伤。

1.1.1 剪切流变试验设计

根据拟定的试验方案，先对土样进行常规土工力学试验，得到软土在不同正应力下的瞬时抗剪力学参数，如表1所示。

表1 软土的直接剪切试验力学参数

然后根据表1中所表现的力学性能来确定软土剪切流变试验的正应力和剪应力荷载等级。试验严格遵照SL 237—1999土工试验规程[3]的操作要求，采用逐级加载方式，先对试样施加恒定法向应力，待稳定后，逐级分时段施加剪应力。试验过程中，采取了一定保水措施使湿度基本不变(忽略温度变化)。

1.1.2 土石接触面的流变—摩擦试验试验设计

为了进一步研究桩基在沉降过程中桩基侧面与软土的相互作用，仿照剪切流变试验，以透水石—软土接触面为剪切面，按照试验(一)的流程进行了流变—摩擦试验。

1.2 试验数据分析

1.2.1 剪切流变数据分析

试验得到数据后，采用玻尔兹曼叠加原理，对试验数据进行处理。经数据处理后，得到土样剪切位移与时间的关系。数据反映出：在剪应力作用下，土样每一级剪切流变曲线走势基本相同。

具体可分为3个阶段：初始流变、稳态流变以及加速流变。在初始几级加载时，软土只发生初始流变和稳态流变。在经过长时间的稳态流变之后(即最后一级加载时)，剪切应力高于某个限值，会出现加速流变过程，使得土样在快速的流变过程中被破坏。对比各组流变曲线可知，土样在不同固结状态和不同正应力的作用下，有不同的剪切破坏应力。

1.2.2 土石接触面剪切流变数据分析

对于摩擦—流变试验，得到了土石接触面剪切分别在50 kPa/100 kPa/150 kPa正向应力和逐级剪应力荷载作用下的应变—时间关系。相对于单纯土的流变剪切试验，该试验所得到的曲线发展趋势与流变剪切基本相同。但摩擦—流变试验中，各级加载过程的初始流变时间都更长。随着剪应力的提升，初始流变阶段的幅度增长也更为显著。

2 四元件黏弹塑性流变模型的建立

在目前的研究中，主要有以下两种理论：1)片架结构理论，认为具有片架结构的黏土流变特征最为明显[4];2)内变量qn(n=1,2,3……)理论[5]。为了研究软土的流变特性，人们基于金属等固体材料及流体的流变模型，然后结合土的流变特性加以选择、改进和组合，通过“胡克弹簧”“牛顿黏壶”和“圣维南刚塑体”等元件模型，模拟土的流变特性得到了土的流变模型。通过软土的标准固结试验可知，软土在完全卸载后，会有不可恢复的残余变形存在。因此，将“胡克弹簧”与Kelvin模型串联，来模拟土的瞬时弹性性质和稳态流变过程中的黏弹性性质。为了表达出软土在流变过程中不可恢复的变形存在，在Kelvin模型上并联一个“圣维南刚塑体”，来模拟软土的塑性，见图1。图1所示的四元件黏弹塑性剪切流变模型含有一个黏性元件、两个弹性元件及一个塑性元件。

3 结语

1)本文通过剪切流变试验(土土接触面剪切)、摩擦剪切试验(土石接触面剪切),得到了软土的流变特性规律。本试验用软土具有明显的非线性流(蠕)变特性，在低应力水平下，软土的应变—应力曲线接近直线，随着应力增加，曲线偏离线性,在较高应力水平下，表现出明显的非线性流(蠕)变特性。2)本文分析提出了模型中“圣维南刚塑体”元件的阈值V在各流(蠕)变过程中的实际意义。在固结试验中，流变模型各参数同比剪切试验更小，表明土的固结会影响其蠕变性能；在剪切试验中，土石接触面剪切和土土接触面剪切流变模型的各参数随正压力均有相同的变化趋势，并且两种剪切方式的各参数还存在一定的倍数关系。3)本文揭示了软土受埋深、应力水平、受力模式、时间效应等条件的影响，会具有不同的流变特性，并对同一流变模型下不同流变过程的内在规律进行分析，为进一步计算桥梁桩基在软土地基中的长期沉降提供了参考。

[1] 王其昌.高速铁路土木工程[M].成都:西南交通大学出版社,1999.

[2] TB 10621—2009,高速铁路设计规范[S].

[3] 陈宗基.Structure Mechanics of Clay[J].中国科学,1959,8(1):41-45.

Experimentalstudyonrheologicalcharacteristicofbridgebasedinweaksoil

ChengJiajiaWuHaotianGuoShangZhangShijie

(SouthWestJiaotongUnivesity,Chengdu611756,China)

By using “Stress type direct shear creepmeter”, we experimentalized weak soil from Xuzhou Jiangsu for rheology, pile-weak soil interface flowing deformation. After obtaining the rheological curves of weak soil under different stress states, the process and characteristics of rheology were summarized and the viscoelastic plastic relationship was analyzed. A four component shear rheology model was established .

weak soil， rheology experiment， rheology model

U443.1

：A

1009-6825(2017)24-0170-02

2017-06-16

程佳佳(1995- )，女，在读本科生; 吴昊天(1996- )，男，在读本科生; 郭 上(1996- )，女，在读本科生; 张世杰(1996- )，男，在读本科生