深層粘性土卸荷回彈及反復加卸荷特征研究

文/張盛宇、張云　天津市地質礦產測試中心 天津 300000

?

深層粘性土卸荷回彈及反復加卸荷特征研究

文/張盛宇、張云天津市地質礦產測試中心 天津 300000

通過對深層粘性土的卸荷試驗以及模擬地下水位升降的反復加卸荷試驗，探求堅硬粘性土的卸荷特征以及不同地下水水位變化對深層粘性土的影響及變化特征。

深層粘性土；卸荷回彈；卸荷比；反復加卸荷試驗

一、前言

在地面沉降的研究中，深層地下水汲取與補給交替進行，對深層粘性土層產生類似于加、卸荷后的變形，模擬這種變化室內試驗常采用反復加卸荷試驗來加以研究。由于取樣困難以及儀器的限制對深層堅硬狀態下的粘性土卸荷特征以及再壓縮特征研究較少，本文利用實際工作中一些試驗資料對深層堅硬狀態的粘性土的卸荷變形規律以及再壓縮特性進行了總結分析。

二、土體卸荷回彈及再壓縮

土體作為一種即具有彈性又具有塑性的工程材料，在上覆應力卸除后，應變不會完全恢復，這部分殘余變形被稱為土體的塑性變形，恢復部分稱為彈性變形。

根據彈性增量理論在土體變形階段應變分為彈性應變和塑性應變兩個部分研究。

dεv=dεvε+dεvp

dεv — 總應變增量

dεvε — 彈性增量

dεvp— 塑性增量

在地下抽水引起的地面沉降研究中，不同的汲取與補給方式會引起粘性土層的彈性變形和塑性變形的變化。

三、室內土工試驗設計

試驗土體取自滄州地面沉降區的粘性土，深層粘性土體呈硬塑——堅硬狀態。取土深度及物理性質見表（1）

試驗按照《土工試驗方法標準》（GB/T 50123-1999）進行物性試驗，試驗環刀取內徑61.8mm，高20mm。為了保濕的需要，在試驗過程中在壓縮儀的盒中充填濕潤的棉紗并用塑料薄膜裹嚴。

3.1卸荷試驗：

試樣按照1：1的加荷比加荷，超過自重后，開始卸荷。為了探究卸荷規律，卸荷按照200kpa卸除，小于200kpa后按1：1卸荷率卸除，直到卸完。

表（1）取土深度及物理性質表

3.2反復加卸荷試驗：

a.模擬地下水位在同一時間反復升降變化，土層所受壓力在某一深度范圍內反復變化（即在土層的自重壓力之間循環反復加卸荷變化）

b.模擬地下水反復上升后的變化，土體在自重壓力固結后，卸荷量逐漸增大，而再壓縮量略小于卸荷量。

四、試驗成果及分析

4.1深層土體卸荷特征.

圖1為深層粘性土典型卸荷e-p曲線，在加荷階段開始時由于載荷較小，土體仍處在回彈階段，壓縮量小于回彈量，表現在土體受壓后土體孔隙比反而增大，然后隨著壓力的增加逐漸減小。超過自重壓力卸荷后，初期卸荷曲線較平緩，隨著卸荷量的不斷加大，最終一定階段產生大量的回彈變形。

圖（1）土樣12141孔隙比與固結壓力關系曲線

4.1.1 試驗參數的選取：

對土體進行卸荷研究，一般采用以下幾個參數

○1.卸荷比：R=（pmax-pi）/pmax

式中： pmax：最大上覆荷載或最大固結壓力

pi ：第i級卸荷后的上覆荷載或固結應力

○2. 回彈率：λ=（ei-emin）/emin式中： emin：為最大荷載下最小孔隙比

ei ：第i級荷載下孔隙比。

○3 回彈模量：表示卸荷應力與回彈應變之比

Er=（（pmax-pi）/ （ei-emin））/（1+ ei-）=（pmax-pi）/（n0*λ）

式中：n0：原始初始荷載下的土體的孔隙率。

[20][24]Matthew Foley, The Cold War and National Assertion in Southeast Asia: Britain, the United States and Burma, 1948—1962, London and New York: Routledge, 2010, pp.17-18, 15-58.

n0= emin/（1+ emin）4.1.2 孔隙比—卸荷比變化分析

隨著卸荷量的變化土體會產生一定的變形，土體的變形一般采用土的孔隙比（e）來表示， 我們以典型的硬粘土的卸荷曲線來分析。如圖2所示土體變形在卸荷初始階段變化較小，當卸荷比為0.45時土體回彈變形為總回彈變形的12%左右，當卸荷比為0.7時，回彈變形也不過為總回彈變形的30%，卸荷比從0.8到卸荷完成，產生了總變形量60%的變形量。

從圖中我們可以看到曲線存在一個明顯的拐點，此點卸荷比0.83，此點前土體卸荷變形按照一定斜率逐漸增加，此點后卸荷變形迅速加大，為土體主要回彈變形階段。

圖（2）土樣12141孔隙比與卸荷比關系曲線

4.1.3 回彈率——卸荷比變化分析

從圖3中可以看出不同土體回彈率不同，與土體的狀態有著密不可分的關系，同為粘性土，在卸荷比為0.2以前，粘性土回彈率相近，回彈率都很小，曲線基本重合，隨著卸荷比加大，土體狀態越堅硬、固結程度越高其回彈率越大。

圖（3）回彈率與卸荷比關系曲線

4.1.4回彈模量——卸荷比的變化分析

圖（4）土樣12141 Er-R與logEr-R關系曲線

從圖4可以看出Er-R與logEr-R圖中分別具有一個拐點，與x軸的交點分別為臨界卸荷比（Rcr）與極限卸荷比（Rct），根據這兩個拐點可將卸荷階段分為3個部分，當0＜R＜ Rcr時回彈變形較小，回彈模量較大，當Rcr＜R＜Rct時，回彈變形隨卸荷比的增大逐漸增大，當R＞Rcr＞1時回彈變形急劇增加。

表（2） 不同土樣計算結果表

通過回彈模量與卸荷比的關系曲線，我們可以得到深層粘性土的在卸荷后產生回彈變形的三個不同階段，從實驗結果可以看到粘性土臨界荷載比與極限荷載比的變化受到土體本身固結狀態的影響，土體狀態越硬，塑性指數越小，土體的回彈率越大，兩個界限荷載比的數值就越小。

4.2反復加卸荷試驗

對地面沉降的研究中認為對沉降地層進行回灌，相當于固結后的土體進行了卸荷作用，對深層土體的卸荷研究有利于對回灌產生的作用和效果有了進一步的認識。

對深層粘土試樣反復加卸荷試驗，根據地下水變化的不同，采用不同的試驗方法，本次試驗分為以下2種情況：

圖5　模擬地下水位在同一時間反復升降變化

4.2.1模擬地下水位在同一時間反復升降變化，

土層所受壓力在某一深度范圍內反復變化，土樣深度為223.5米，分級進行自重壓力固結后，模擬地下水位反復升降幅度為100米。試驗結果見圖（5）

4.2.2模擬地下水反復上升后的變化，

模擬地下水位在反復升降中逐年回升的狀態進行室內試驗，土樣分級進行自重壓力固結后，模擬地下水位上升幅度為40米、70米、100米、120米、160米，水位下降幅度分別為30米、60米、80米、100米、120米。試驗結果見圖（6）

圖6　模擬地下水反復上升后的變化

4.2.3 反復加卸荷試驗數據分析

土體變形一般包括可恢復的彈性變形和不可恢復的塑性變形。土樣所受壓力在自重壓力p0與p0+Δp之間循環反復加卸荷變化時，可以發現（圖5）隨著反復加卸荷次數的增加，土樣的塑性變形逐漸減少；而彈性變形則接近為一常數，與反復次數無關，所以回彈曲線為一組接近平行的曲線；回彈指數也略有減小，最后趨于穩定，土體塑性變形的影響越來越小，逐漸轉化為彈性變形。

再壓縮曲線與回彈曲線形成回滯環，回彈曲線在再壓縮曲線下方，當再壓縮壓力恢復到回彈前的壓力時，兩條曲線不能完全吻合，此時的孔隙比小于回彈前的孔隙比。表明土的再加荷變形中會產生不可恢復的塑性變形。隨著加卸荷的次數增多，回滯環依次下落，各環端點連線坡度逐漸變緩。

圖（6）模擬了地下水位下降幅度不斷減小而水位恢復幅度不斷增加的過程， 從圖中可見由最大壓力所產生的塑性變形決定了土層的最終沉降變形，隨后的減小的再壓縮并不能增加土體的變形。彈性變形則隨著土體卸荷量的增加而增加。

五、小結

1. 本文探討了深層粘性土的卸荷回彈特性 ，從e-p和e-R圖上我們可以看到，深層粘土在卸荷量較小時，回彈變形都是較小的，e-R圖中曲線具有拐點，此點過后土的回彈變形急劇加大。

2. 從土的Er-R與logEr-R關系曲線上可以看到2個界線點，臨界卸荷比（Rcr），與極限卸荷比（Rct），其中極限卸荷比與e-R圖中拐點接近，兩個點將卸荷回彈過程劃分成3個階段，分別是小回彈階段——增大回彈階段——強烈回彈階段。

3.通過回彈率與卸荷比關系曲線，以及對臨界卸荷比與極限卸荷比的計算結果可以看出，他們都與土體的狀態有著密不可分的關系，同為粘性土體，液性指數越小，回彈率越大，臨界卸荷比和極限卸荷比都變小。

4.通過模擬水位變化的反復加卸荷試驗可以看出，在一定范圍內的反復加卸荷條件下，彈性變形接近為一常數，與反復次數無關，回彈曲線為一組接近平行的曲線。

5. 通過模擬了地下水位下降幅度不斷減小而水位恢復幅度不斷增加的過程，可以看出最大壓力所產生的塑性變形決定了土層的最終沉降變形，隨后的變小的再壓縮量并不能增加土體的變形。而回彈變形隨著卸荷的增大而增大。

本文只是對深層堅硬粘性土的卸荷回彈特征以及再壓縮性進行了一些初步的探討，需要在今后的研究工作中不斷地充實和進一步深入研究。

［1］李建民等《土樣回彈及再壓縮變形特征的試驗研究》［J］.工程勘察，2010年第12期

［2］張淑朝等《土體卸荷回彈試驗研究》［J］.河北工程大學學報，2008年9月第25卷第三期

［3］王翠玲等《地下水人工回灌對地面沉降控制的探討》［J］.山西建筑2007年11月第33卷第33期

國家標準——［3］土工試驗方法標準［s］.（GB/T 50123-1999）

張盛宇（1971）， 男，天津市地質礦產測試中心，工程師，主要從事室內土工試驗工作。

張云（1983），男，天津市地質礦產測試中心，工程師，主要從事樁基檢測及現場土工試驗工作。