预压作用下重塑软土蠕变特性试验研究

2023-09-04王金龙胡立健陈建绮

水利水运工程学报 2023年4期

王金龙，胡立健，陈建绮，潘坤

(1. 中铁十六局集团北京轨道交通工程建设有限公司，北京 101100； 2. 浙江工业大学土木工程学院，浙江杭州 310023)

软黏土具有含水量高、强度低和压缩性高等特点，导致软土地区的建筑物易产生过大沉降。因此，有必要对软黏土的固结蠕变特性进行更深入研究。国内外研究人员针对土体的固结蠕变特性开展了大量研究工作。于新豹等[1]通过软土的一维固结压缩试验，提出了一种可应用于实际工程主次固结的区分方法；Nash 等[2]通过开展Bothkennar 黏土的一维固结试验，研究了各向异性土体蠕变变形的特点。对于海相沉积软土，雷华阳等[3]、刘伽等[4]和刘浩等[5]研究了不同加荷条件下的蠕变特性，发现应力越大、土体主次固结分界点越不明显，同时软土的蠕变变形和次固结系数随加荷比的增大而减小；Deng 等[6]通过常应力排水三轴试验，着重探讨了偏应力水平对Wenzhou 滨海软土蠕变变形和刚度特性的影响。此外，罗庆姿等[7-10]系统分析了不同地区软土蠕变特性试验数据，总结了排水条件、初始固结度、加荷比等对土体蠕变变形的影响规律，指出加荷比、先期固结压力等为次固结系数的主要影响因素。对于考虑预压固结作用的软土，娄炎[11]指出土体固结系数在预压过程中总的趋势是逐渐减小的，室内测定的固结系数比用沉降过程线推求的要大6~9 倍，且结构屈服强度在预压条件下会有所增大。李岩[12]关于天津滨海新区软土的预压固结试验表明，随着竖向应力的增加，软土的蠕变呈增长趋势，且次固结系数在结构屈服应力附近有峰值。一般而言，经过超载预压土的次固结系数小于正常固结土的，且预压时间越久，次固结系数越小。基于此，徐珊等[13]、Oliveira 等[14]指出超载预压能有效减小土体蠕变变形，有利于减小次固结引起的工后沉降。这些研究揭示了不同地区原状软土在预压作用下的固结蠕变特性。孙德安等[15]通过固结流变试验研究了不同压力和超固结比条件下原状和重塑上海软土次固结系数的变化，指出由于受固结应力状态和土体结构性差异的影响，原状上海软土的次固结系数随压力的变化较重塑土更为复杂。刘毅飞[16]进一步指出在预压荷载条件下，沧州滨海软土蠕变变形量随预压荷载的增大而减小，其次固结系数随预压荷载增大有先增后减的趋势。然而，相较于原状土，对重塑软土蠕变特性的研究仍然较少，因此有必要对预压作用下土体蠕变变形规律做更深入的研究。

本文开展了一系列杭州重塑软黏土的一维固结蠕变试验，研究分析不同加荷比与预压条件下土体竖向应变和孔隙比的时程变化规律，重点探讨加荷比与预压条件对土体固结蠕变特性的影响，分析不同预压条件下重塑软黏土次固结系数的变化规律。

1 试验设备及方法

试验土样取自杭州地铁十号线仁和车辆段软土层，取土深度为5.0~6.0 m。由于天然沉积软黏土的结构性和固结应力状态具有明显差异，因此，本试验采用重塑土样，所用土样的天然重度为18.55 kN/m3，含水率为40.7%，孔隙比为1.131~1.149，液限为41.5%，塑限为23.7%，塑性指数为17.8。

一维固结试验采用GDSAOS 全自动固结仪（见图1）。该仪器是集成系统，同时具备数据监控与传输功能，可自主编程完成适用挂码式固结仪完成的全系列试验，具有精度高的特点。

图1 GDSAOS 全自动固结仪Fig. 1 GDSAOS automatic consolidation instrument

一维固结试验在双面排水、室内恒温条件下进行，试验土样高为2 cm，面积为30 cm2。本试验包括两种加载方式：无预压分级加载和有预压分级加载。分级加载分3 种不同加荷比，当加载后试样变形不大于0.01 mm/d 时，认为达到稳定，再施加下一级压力。为研究不同预压条件对固结蠕变的影响，进一步开展3 种不同预压条件的试验，在逐级加载前对土样预压3 h，而后卸载，12 h 后再分级加载。试验方案详见表1。

表1 固结蠕变试验方案Tab. 1 Consolidation creep test schemes

2 试验结果与分析

2.1 分级加载时软黏土的固结变形

图2 给出了分级加载土体在不同加荷比条件下固结应变ε随时间t的变化曲线。由图2 可知，加荷比大于1 的土体最终应变大于加荷比小于1 的，加荷比等于1 的则介于两者之间。土样在每一级固结压力的加载初期产生较大应变，并在主固结完成后的加载阶段内发生蠕变变形。即蠕变变形的增长速率在较低应力水平下发展较为缓慢，且在发生一定蠕变变形后最终趋于稳定；而在较高应力水平下，蠕变变形量明显减小。总体而言，蠕变变形量随荷载增大而逐渐减小。

图2 分级加载土体的应变-时间关系曲线Fig. 2 Strain-time curves during multi-stage loading

图3 为不同加荷比条件下的应变ε和孔隙比e时程曲线。由图3 可知，土样在每一级固结压力的加载初期都会产生一定量的变形，变形量逐渐减小，并在随后的加载阶段内趋于稳定。对比图3（a）、（c）和（e）可见，在不同加荷比条件下土样应变的时程曲线有着较为类似的发展规律：一级加载条件下的应变量越大，所对应的主次固结分界点越明显；孔隙比时程曲线则呈相反的发展规律，在每一级固结压力下，土样孔隙比均在加载前期先减小，在随后的次固结阶段内趋于稳定。在3 种加荷比条件下，每一级固结压力施加100 min 后，大部分土样主固结已完成。

图3 分级加载土体应变、孔隙比时程曲线Fig. 3 Vertical strain and void ratio developments under multi-stage loading

图4 给出了分级加载下土体在不同加荷比条件下的应力p-应变ε曲线。可见，加荷比大于1 的土体应变最大值明显大于加荷比小于1 的，而加荷比等于1 的则介于两者之间。土体在不同加荷比条件下具有相似的应力-应变发展规律：应力-应变曲线均表现为应变随固结压力的增加而增大，且应变增长趋势逐渐放缓，总体呈现出“凸形”增长趋势；当保持固结压力一定时，应变随着时间的增加而增大；当保持应变一定时，固结压力随时间的增加而减小。每一级固结压力施加100 min 后，大部分土样已过渡为次固结即蠕变变形阶段，这也与图3 中大部分土样在100 min 内完成主固结相对应。总体上，杭州重塑软黏土的应力-应变曲线在较低应力下斜率较大，在较高应力下斜率较小。

图4 分级加载下土体蠕变曲线Fig. 4 Isochronous creep curves under multi-stage loading

2.2 不同预压下软黏土的固结变形

图5 为分级加载土体在不同预压加载条件下应变随时间的变化曲线。对比图2 可见，随着预压荷载的逐渐增大，土体分级加载的最终应变逐渐减小。上述试验现象表明：在实际工程中，为减弱土体蠕变变形带来的工程危害，可通过施加预压荷载来增加土体的固结程度，以此提高建（构）筑物的稳定性。与图2 类似，从图5 中同样可以观察到蠕变变形量随荷载增大而逐渐减小。

图5 不同预压条件下土体应变-时间关系曲线Fig. 5 Strain-time curves under different preloading conditions

图6 给出了分级加载土体在不同预压条件下的应变和孔隙比时程曲线。可见，当固结压力较小（即固结压力不大于预压荷载）时，土体的应变时程曲线增长较缓慢。这是由于经过预压，土体主固结变形已基本完成，此时主要表现为骨架蠕动产生的次固结变形。而当固结压力较大（即固结压力大于预压荷载）时，土体的应变时程曲线增长趋势显著增强，有明显的主固结变形。与图5 类似，土体分级加载的最终应变随预压荷载的增大而逐渐减小。同样，孔隙比时程曲线与应变时程曲线的发展规律相反。总体来看，土体的应变和孔隙比时程曲线在不同预压条件下表现出类似的发展规律，且在每一级固结压力施加100 min 后，大部分土样主固结已完成。

图6 不同预压条件下土体应变、孔隙比时程曲线Fig. 6 Vertical strain and void ratio developments under different preloading conditions

图7 为分级加载土体在不同预压条件下的应力-应变曲线。从图7 可见，土体应变的最大值随着预压荷载的增加而减小，这与图5 规律一致。与图4 类似，土体在不同预压条件下也具有相似的应力-应变发展规律：应力-应变曲线呈现出“凸形”的增长趋势；当应力一定时，应变随时间的增加而增大；当应变一定时，应力随时间的增加而减小。此外，同样可以发现在每一级固结压力施加100 min 后，大部分土样已过渡到蠕变变形状态，这与图6 中大部分土样完成主固结时间一致。

图7 不同预压条件下土体应力-应变曲线Fig. 7 Isochronous creep curves under different preloading conditions

2.3 次固结系数变化规律

次固结系数Ca可由下式求出：

式中：t1为主固结达到100%时的时间（s）；t2为次固结计算时间（s）；e1和e2分别为t1和t2时刻的孔隙比。

图8 为不同条件下土体次固结系数与固结压力的关系曲线。从图8 可见，次固结系数随应力的发展与加荷比和预压条件均有关。如图8（a）所示，加荷比大于1 条件下Ca随p的增加并不是单调增大，在较小应力下Ca存在峰值；加荷比小于1 条件下Ca随p的增加表现出非线性单调增大趋势；加荷比等于1 条件下Ca-p的增长趋势则介于前二者之间。同时可以发现，加荷比越小，次固结系数在后期加载中的增长越明显。这可能是由于加荷比较大时，在前中期分级加载中已累积较大的应变，导致后期加载中应变增量相对更小（孔隙比变化量相对更小）。此外，如图8（b）所示，在预压50 kPa 条件下，Ca随着p的增加先增大，在p= 100 kPa 后趋于平缓；而在预压100 和200 kPa 条件下，Ca分别在p= 200 kPa 和400 kPa 后不再有明显变化，趋于稳定，且3 种预压条件下，Ca稳定值无显著差别。孙德安等[15]对重塑上海软土也发现了类似规律，即土样在正常固结阶段的次固结系数与固结压力无关。导致这一现象的原因可能是土体在重塑过程中结构遭到彻底破坏以至于在试验过程中仍未恢复，土样不具有结构性。当p小于前期施加的预压时，Ca值总体较小（大多低于后期稳定值的1/2），这是因为超载预压的加卸载阶段已产生塑性变形，土样处于超固结状态，因而次压固结变形较小。可见，预压越大，其前期分级加载下的Ca越小，这与徐珊等[13]和刘毅飞[16]观察到的现象类似。这可能是因为预压越大，土体应变量越大，骨架越密，颗粒间的排斥力增大，其抵抗变形的能力增强，因而次固结系数减小。