软土蠕变及结构特性试验研究

2023-11-16卢成伟卢冠铜南京南大岩土工程技术有限公司江苏南京210000

安徽建筑 2023年11期

卢成伟，卢冠铜（南京南大岩土工程技术有限公司，江苏南京 210000）

1 引言

近年来随着经济的发展，沿江、沿海、沿湖城市为了寻求经济的进一步发展，开始大量扩地，因此围海、围湖造地成了城市扩地的主要方法。在此背景之下，大量冲填土被投入围海、围湖造地的工程之中，研究表明[1-4]此类软土具有含水量高、承载能力差等缺点，虽然在工程中会将此类土进行处理后再投入使用，但作为地基使用时土层下部在长期的固结条件下仍然会发生沉降，产生蠕变。考虑到工程中较长的安全使用年限，因此对软土的蠕变及结构特征进行研究，从根本上了解其受力特征及变形规律，对于保证工程建筑结构的安全运行使用有着重要意义。不少学者对不同类型的软粘土蠕变特性进行研究，王常明等[5]通过三轴试验发现滨海软土具备非线性蠕变特征，在Singh-Mitchell 模型的基础上提出了双曲线模型，该模型更为简洁且通过试验结果验证了模型的适用性。谈炎培等[6]基于苏州地铁一号线的软土层，采用三轴及一维蠕变试验并结合S-O 模型对软土力学特性进行有限元模拟，发现该地区软土层具有显著的蠕变特征，并基于该特征计算出了合适的盾构推力。柳文涛等[7]通过一维压缩蠕变试验与三轴固结不排水试验研究了近代海洋沉积相软土的蠕变规律，发现海相软土的蠕变性质呈现出非线性特征，并且发现随着固结压力的增大次固结系数会出现峰值。张先伟等[8]通过固结排水与不排水试验，研究了不同偏应力下的蠕变曲线，发现对应力-应变曲线可以采用双曲线形式进行描述。刘汉龙等[9]借助改进的三轴仪对软土进行真空-堆载预压试验，发现软土的轴向应变与体积应变以及时间的对数呈现出非线性关系，但随着堆载时间的延长，会演变为线性关系。

但现有的研究局限于自然沉积下的软土，且很少考虑到不同应力条件下软土的蠕变及结构特性。因此本文以南京市建邺区双闸街道住宅楼项目的地下软土为研究对象，通过固结及直剪试验，采用不同荷载及加载方式对软土的蠕变特性进行研究，通过应力、应变与时间三者间的关系，揭示软土在不同应力条件下蠕变的内在机理，为实际相关工程提供一定参考依据。

2 工程概况

试验所用土样取自南京市建邺区双闸街道住宅楼项目的地下软土，项目用地面积约40483.2m2，总建筑面积158341.96m2，其中地上113352.96m2，地下44800m2。项目由8 栋住宅楼（26～29F）、配套用房（1F）、配电房（1F）及开关站（1F）组成，下设整体1 层地下室，部分区域为2 层地下室。基础形式拟采用桩基础。

该地区属北亚热带季风气候区，四季分明，雨水充沛，光能资源充足，年平均温度为15.7℃，最高气温43℃（1934年7 月13 日），最低气温-16.9℃（1955年1 月6 日），最热月平均温度28.1℃，最冷月平均温度-2.1℃。年平均降雨117d，降雨量1106.5mm，最大平均湿度81%，最大风速19.8m/s。土壤最大冻结深度-0.09m。夏季主导风向为东南、东风，冬季主导风向为东北、东风。无霜期237d。每年6 月下旬到7 月中旬为梅雨季节。晚第三纪以来，南京市地壳运动经历了由强到弱，由相对活动趋于相对稳定的过程。上新世以来，地壳已进入一个新的阶段（新构造运动），与老构造运动相比，在性质、方向、强度上都有明显的不同，全新世地壳运动已趋于稳定。

综上，南京地区大地构造属扬子准地台的下扬子凹陷褶皱带，这个凹陷从震旦纪以来长期交替沉积了各时代的海相、陆相和海陆相地层，下三叠系青龙群沉积以后，经印支运动、燕山运动发生断裂及岩浆活动，并在相邻凹陷区及山前山间盆地堆积了白垩纪及第三纪红色岩系及侏罗～白垩纪的火山岩系。

3 试验方法

3.1 试验材料

试验所用软土取自南京市建邺区土层，试验所用土样取自深度为4.2～6.1m的土层内，其试验土样的物理性质如表1所示。

表1 试验用土的基本物理性质

本次试验主要为固结试验和直剪试验对软土的蠕变特性进行研究，其中固结试验采用三联高压杠杆固结仪，剪切试验采用流变直剪仪，其试验精度为0.01mm。

3.2 试验方案

其中固结试验试样设置为高2cm、直径61.8mm 的环刀试样。固结试验采用三种不同类型的加载方式，分别为分级加载、分别加载、预压加载。其中分别加载设置25kPa、100kPa、200kPa 三个加载等级，在加载过程中定时观察试样的应变变化，并将变形低于0.005mm/d设置为稳定状态。分级加载分为加荷比等于1、小于1、大于1 三种情况，每种情况分别在第一级荷载加载稳定后进行下一级荷载的加载工作，每级荷载加载时长保持一致，均设置为8h，共设置6级加载，总计48h 的加载时间，分级加载的稳定标准同分别加载，均为0.005mm/d。对于预压加载则是对试样先进行3h 的加载后卸除试样上的荷载，待卸载荷载达12h 之后对试样进行分级加载，以此得到不同应力条件下土样的固结蠕变特性，其中预压加载设置100kPa、300kPa、600kPa三个等级。

直剪试验在室温及双面排水的条件下进行，所用环刀试样同固结试验，均为高2cm、直径61.8mm 的环刀试样。但直剪试验仅设置分级加载的加荷方式，每个加荷等级加载5d，一共设置8 组试样，且每级加荷的稳定标准同固结试验的0.005mm/d，试验直至试样被剪切破坏。

4 结果分析

4.1 固结试验结果分析

图1 所示为固结试验中的第一种加载方式结果示意图，其中横轴为加载时间，纵轴为应变。从图1 所反映的趋势可以看出，在三种不同荷载等级下的分别加载，其试样均表现出同一种变化特征，即在加载初期均会产生一定的弹性应变，但随着加载时间的进行，土样的应变变化基本趋于稳定。但对于不同应力等级下软土试样的蠕变量不同，在低应力的加载等级下，试样的蠕变量仅4%，而在高应力的加载等级下蠕变量会随之增大，达到将近20%，此现象说明该地软土具备结构性效应。

图1 分别加载方式下三种等级的土体应变-时间变化图

为了进一步分析在分别加载条件下软土的蠕变性质，将图1 所示的分别加载方式下三种等级的土体应变-时间变化图转化为双对数形式，并绘制了图2。

图2 分别加载方式下三种等级的土体应变-时间双对数曲线

从图2 可以看出，三种不加载等级的曲线均包含有拐点，在拐点之后应变趋于稳定，此拐点为区分主固结、次固结的分界点，在拐点之前的部分均为主固结蠕变，之后的部分均为次固结蠕变。分别加载条件下产生此种现象的原因在于土体的固结本质上是将土体内的自由水和结合水排出，在土体受力时孔隙被压缩，结合水之间彼此靠近，其相互作用力增强，因此导致土体内排水量降低，此种微观现象在体积变化上就表现为图2中的拐点。

图3 为三种加荷比下分级加载方式下的土体应变-时间变化图，从图中可以看出对于三种不同的加荷比，均表现出在固结初期产生一定量的弹性应变，但与分别加载不同的是，随着试验的进行，应变量与蠕变变形会随之增加。在加荷比小于1 时应变量随时间增长的增加量较小，但随着加荷比的提高，应变量导致的蠕变变形会随着时间的增长增加量变大。

图3 三种加荷比下分级加载方式下的土体应变-时间变化图

图4 为三种加荷比下分级加载方式下的土体应力-应变变化图，可以看出此三种加荷比下的应力应变曲线均可分为两部分，即低增长阶段与高增长阶段，分别对应图中的低斜率和高斜率阶段，且该部分的拐点为土体试样的屈服分界点。

图4 三种加荷比下分级加载方式下的土体应力-应变变化图

图5 为三种荷载等级下的预压加载方式下卸压后的土体应变-时间变化图，从图中可以看出，在土体卸压后的短期内，土体会产生一定的回弹，但随着卸压时间的增长，回弹量逐渐趋于稳定，虽然荷载等级越高，残余应变相应越大，但三种不同荷载等级的土体试样残余应变均保持在4%左右。

图5 三种荷载等级下的预压加载方式下卸压后的土体应变-时间变化图

图6 为三种荷载等级下的预压加载方式下的土体应变-时间变化图，从图中可以看出100kPa、300kPa、600kPa三种荷载等级的试样，最终蠕变量分别为14.0%、7.8%、6.2%，此结果表明，在预压加载的方式下，所使用的荷载等级越高最终产生的蠕变变形量就越低。此现象表明加大土体的固结程度可减少土体的蠕变量，进而降低蠕变所带来的影响。

图6 三种荷载等级下预压加载方式下的土体应变-时间变化图

为了进一步分析软土在不同应力条件下的蠕变反应内在机理，需要得出次固结系数在不同荷载等级下的变化趋势，因此本文绘制了图7 所示的不同加载方式下的次固结系数变化趋势图。从图中可以看出，对两种不同的加载方式而言，应力越大，次固结系数在一定区间内会随之增大，但超过该区间后便会降低，且次固结系数与加荷比即预压的荷载等级均有关。

图7 不同加载方式下的次固结系数变化趋势

4.2 直剪试验结果分析

图8 为两种主要的强度参数剪切模量与粘滞系数随法向应力变化的曲线示意图，从图中可以看出，随着剪切时长的增加，剪切模量会呈现出增长的趋势，但在试样破坏时，最终的剪切模量会与剪切时长成反比。对于粘滞系数而言，随着剪切时长的增加，粘滞系数同样呈现增长的趋势，且剪切模量先随着应力的增大而增大，之后随应力增大而减小，但粘滞系数随应力的增大一直保持增长趋势。造成此现象的原因是在应力较低时，对试样造成的剪切变形较小，随着应力的增加，土体开始产生一定的剪切变形，因此剪切模量会随之上升，但随着应力的进一步上升，应变大幅升高，因此剪切模量随之降低。