新型軟土卸載流動模型試驗研究★

孫 茜 王曉文 顏媛媛

(1.南京理工大學紫金學院，江蘇 南京 210046; 2.鎮江市住房和城鄉建設局，江蘇 鎮江 212000)

·巖土工程·地基基礎·

新型軟土卸載流動模型試驗研究★

孫 茜1王曉文2顏媛媛1

(1.南京理工大學紫金學院，江蘇 南京 210046; 2.鎮江市住房和城鄉建設局，江蘇 鎮江 212000)

通過軟土卸載流動模型，模擬了土體的側向卸荷條件，并測量了土體水平位移及沉降量，試驗結果表明，土體在側向卸載條件下的水平位移和沉降均呈現類似的規律，即應力水平較低時，表現為衰減蠕變；應力水平較高時，表現為等速蠕變；應力水平越高，土體的側向流動性越大。

軟土，流變試驗，水平位移，量測系統

0 引言

我國東南沿海地區廣泛分布厚層軟土，具有顯著的流變性，極易在特殊應力場條件下表現出“流動”特性。在基坑開挖時，過快、過大范圍的土體應力卸載，坑外堆載過大以及支護結構不合理等因素均可能導致軟土側向流動，進而引發支護結構墻體傾覆失效及周邊地面沉陷[1]。顯然，軟土在特殊應力場條件下表現出的“流動”特性和誘發特殊變形問題，已經超出彈塑性理論、粘彈塑性理論的范疇，很難用這些分析理論和計算模型解決。

目前常用的室內流變試驗方法有單軸壓縮流變試驗[2，3]和三軸流變試驗[4]。單軸壓縮流變試驗完全限制側向變形，與工程實際情況有很大差距；三軸流變試驗只能測讀軸向變形，無法直接測出土體側向變形。基于以上問題，為了深入研究土體在卸載條件下的變形特征，自行研制了軟土卸載模型試驗箱及位移量測系統，測量了各級卸載條件下土體的水平和垂直位移，根據試驗結果分析軟土水平方向流變與垂直向流變的規律。

1 卸載流動模型試驗系統

1.1 模型箱設計

模型箱主要由模型槽、加載部件、卸載板三個部分所組成，見圖1，圖2。 模型槽長930 mm，寬430 mm，高313 mm，為了便于觀察，側面和底面均采用有機玻璃，厚13 mm。加載部件由一塊加載頂板、三塊壓板和五塊傳力豎板構成。加載頂板長600 mm，寬300 mm，兩塊邊壓板(400 mm×235 mm)，一塊中壓板(400 mm×300 mm)，兩塊梯形豎板(200 mm×300 mm×235 mm)，兩塊加勁矩形豎板(200 mm×235 mm)，且矩形豎板和梯形豎板中間開直徑為1 cm的孔，以便插銷插入。卸荷板由兩塊“凹”形插板組成，且在凹形板中間開一個直徑為1 cm的孔，能讓插銷順利的插入，箱體底板及前后兩側面距箱體兩側300 mm處各開兩道槽，槽寬13 mm，以便卸載部件插入。

1.2 量測系統

量測系統主要測量土體卸載后的水平位移和垂直位移。由于試驗過程中土體位移速度很快，很難直接讀數。位移測量采用攝影測距法和紅外測距法相結合，在模型箱側邊貼刻度尺，土體垂直位移測量采用攝影測距法，水平位移測量采用紅外測距法見圖3，圖4。攝影測距法用攝像儀器記錄帶有刻度尺的測量點上的軟土變形，精度較高，但后期數據處理工作量大。紅外測距法精度較高，能測量短時間內的軟土變形，并且自動讀數，后期處理實驗數據較為簡單。

在模型箱底面兩端及中間布置紅外傳感器(見圖5)，紅外傳感器采用GP2Y0A21YK0F型號，量程為10 cm～80 cm，數據采集使用美國國家儀器公司(NI公司)MyDAQ數據采集器。紅外傳感器接收信號后，經過數據采集卡采集，在上位機上編程實現監控、處理、顯示，紅外監測系統流程：位移信號→紅外傳感器→NI數據采集卡→裝有監測程序的PC機。

1.3 模型試驗系統特點

本模型試驗系統具有以下顯著特點：

1)加載部件能使荷載均勻加載在實驗軟土上。此外，邊壓板的設置使粘土在加載過程中始終受到荷載的作用。2)插銷的使用可以保證在加載過程中，插板與上部結構一起下降，插銷可將加卸載板固定在一起，從而實現加、卸載同時作用。3)紅外傳感器的使用使得數據采集系統自動化程度高。

2 軟土卸載流動模型試驗

試驗用土取自南京市棲霞區新港開發區靖安大道，屬于長江漫灘地貌單元，取土深度4 m～5 m，經顆分試驗，定名為淤泥質粉質粘土，物理性質指標見表1。

表1 試驗用軟土物理性質指標

2.1 試驗步驟

1)將軟土分層填入模型槽內并刮平，確保土體密實；2)將加載部件放置于粘土之上，預加載10 min；3)在開始卸載實驗前5 s，打開紅外測量系統；4)在加載部件上放置相應的砝碼進行加載；5)抽離卸載部件，用插銷將加卸載部件固定在一起；6)每級加載變形穩定后，再施加下一級應力；7)當粘土變形過程結束時，關閉紅外測量系統。

2.2 試驗結果分析

制作含水量40%的重塑樣，分級施加荷載1 kPa，2 kPa，2.7 kPa，3.5 kPa，量測土體水平位移及沉降分別見圖6，圖7。

由圖6和圖7可見，水平位移和沉降符合同樣的規律。應力水平較低時，蠕變曲線只出現衰減蠕變階段。卸載瞬時，側向位移和沉降均出現較大的瞬時變形，隨著時間的增長，變形速率逐漸減小，最終趨近于零。應力水平越高，變形量越大。當加載應力達到3.5 kPa，蠕變曲線為等速蠕變，蠕變變形速度為一常數，但不為零。從圖8可以看出，應力水平越高，水平位移與沉降的比值越大，即土體的側向流動性增大。

3 結語

1)研制開發模擬軟土卸載流動的模型試驗系統，系統由模型箱體、加載部件、卸載部件、位移量測系統組成，該模型試驗系統可實現加卸載同時作用，并測量土體的水平位移和垂直位移。經初步試驗驗證，該試驗系統數據可靠，自動化程度較高，可用來模擬卸載條件下土體的變形；2)當應力水平較低時，水平位移和沉降的蠕變規律均表現為衰減蠕變，及卸載初期土體變形速率很快，后期變形速率逐漸變慢；當應力水平較高時，水平位移和沉降均表現為等速蠕變規律。應力水平越高，水平位移與沉降的比值越大，即土體的側向流動性增大。

[1] 閆懷瑞,閻長虹,丁倩文.深厚軟土地區基坑開挖主要工程地質問題與對策[J].地質論評,2015,61(1):149-154.

[2] 張 云,薛禹群,吳吉春，等.飽和黏性土蠕變變形試驗研究[J].巖土力學,2011,32(3)：672-683.

[3] 周秋娟,陳曉平,黃麗娟.應力控制式三軸儀的改裝及應用[J].地下空間與工程學報,2011,7(3)：468-473.

[4] 王元戰,黃東旭,肖 忠.天津濱海地區兩種典型軟黏土蠕變特性試驗研究[J].巖土工程學報,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★：南京理工大學紫金學院2013年度科研項目資助(項目編號：2013ZRKX0401003)

孫 茜(1983- )，女，講師

TU411

A