軟土中橋梁基礎的流變性能試驗研究

程佳佳 吳昊天 郭 上 張世杰

(西南交通大學，四川 成都 611756)

軟土中橋梁基礎的流變性能試驗研究

程佳佳 吳昊天 郭 上 張世杰

(西南交通大學，四川 成都 611756)

利用應力式直剪蠕變儀，對取自江蘇徐州的軟土土樣進行流變、樁—軟土界面流變試驗。得到不同應力狀態下軟土的流變曲線后歸納比較了流變的過程和特點，分析其中的黏彈塑性關系，建立了四元件黏彈塑性流變模型。

軟土,流變實驗,剪切流變模型

0 引言

在目前的高速鐵路修建過程中，對于地質情況復雜、工后沉降控制難以把控的軟弱土地區，以橋代路[1]的思維已經是每個設計者所達成的一個基本共識。高速鐵路對于線路平順性的要求日益提高，《高速鐵路設計規范》[2]對墩臺基礎工后沉降量容許值進行了嚴格的規定。江蘇徐州不僅位于中國經濟高速發展的東南沿海地區，更是大的鐵路樞紐。因此研究在江蘇深厚軟土作用下樁基的長期沉降的流變規律尤為重要。本文作者擬通過對軟土的流變變形試驗、樁—軟土界面流變試驗等數據的處理，以獲取不同應力狀態和固結狀況下的流變曲線，結合理論分析其長期流變特性，建立軟土的黏彈塑性流變模型并確定參數，期待為軟土樁基長期沉降的黏彈塑性流變研究提供重要的參考。

1 軟土流變試驗

1.1 試驗設計

本實驗所用土樣江蘇徐州，為灰黑色軟土，天然含水率47.1%，液限為44.3。采樣及運輸過程中盡量避免了對試樣的擾動和損傷。

1.1.1 剪切流變試驗設計

根據擬定的試驗方案，先對土樣進行常規土工力學試驗，得到軟土在不同正應力下的瞬時抗剪力學參數，如表1所示。

表1 軟土的直接剪切試驗力學參數

然后根據表1中所表現的力學性能來確定軟土剪切流變試驗的正應力和剪應力荷載等級。試驗嚴格遵照SL 237—1999土工試驗規程[3]的操作要求，采用逐級加載方式，先對試樣施加恒定法向應力，待穩定后，逐級分時段施加剪應力。試驗過程中，采取了一定保水措施使濕度基本不變(忽略溫度變化)。

1.1.2 土石接觸面的流變—摩擦試驗試驗設計

為了進一步研究樁基在沉降過程中樁基側面與軟土的相互作用，仿照剪切流變試驗，以透水石—軟土接觸面為剪切面，按照試驗(一)的流程進行了流變—摩擦試驗。

1.2 試驗數據分析

1.2.1 剪切流變數據分析

試驗得到數據后，采用玻爾茲曼疊加原理，對試驗數據進行處理。經數據處理后，得到土樣剪切位移與時間的關系。數據反映出：在剪應力作用下，土樣每一級剪切流變曲線走勢基本相同。

具體可分為3個階段：初始流變、穩態流變以及加速流變。在初始幾級加載時，軟土只發生初始流變和穩態流變。在經過長時間的穩態流變之后(即最后一級加載時)，剪切應力高于某個限值，會出現加速流變過程，使得土樣在快速的流變過程中被破壞。對比各組流變曲線可知，土樣在不同固結狀態和不同正應力的作用下，有不同的剪切破壞應力。

1.2.2 土石接觸面剪切流變數據分析

對于摩擦—流變試驗，得到了土石接觸面剪切分別在50 kPa/100 kPa/150 kPa正向應力和逐級剪應力荷載作用下的應變—時間關系。相對于單純土的流變剪切試驗，該試驗所得到的曲線發展趨勢與流變剪切基本相同。但摩擦—流變試驗中，各級加載過程的初始流變時間都更長。隨著剪應力的提升，初始流變階段的幅度增長也更為顯著。

2 四元件黏彈塑性流變模型的建立

在目前的研究中，主要有以下兩種理論：1)片架結構理論，認為具有片架結構的黏土流變特征最為明顯[4];2)內變量qn(n=1,2,3……)理論[5]。為了研究軟土的流變特性，人們基于金屬等固體材料及流體的流變模型，然后結合土的流變特性加以選擇、改進和組合，通過“胡克彈簧”“牛頓黏壺”和“圣維南剛塑體”等元件模型，模擬土的流變特性得到了土的流變模型。通過軟土的標準固結試驗可知，軟土在完全卸載后，會有不可恢復的殘余變形存在。因此，將“胡克彈簧”與Kelvin模型串聯，來模擬土的瞬時彈性性質和穩態流變過程中的黏彈性性質。為了表達出軟土在流變過程中不可恢復的變形存在，在Kelvin模型上并聯一個“圣維南剛塑體”，來模擬軟土的塑性，見圖1。圖1所示的四元件黏彈塑性剪切流變模型含有一個黏性元件、兩個彈性元件及一個塑性元件。

3 結語

1)本文通過剪切流變試驗(土土接觸面剪切)、摩擦剪切試驗(土石接觸面剪切),得到了軟土的流變特性規律。本試驗用軟土具有明顯的非線性流(蠕)變特性，在低應力水平下，軟土的應變—應力曲線接近直線，隨著應力增加，曲線偏離線性,在較高應力水平下，表現出明顯的非線性流(蠕)變特性。2)本文分析提出了模型中“圣維南剛塑體”元件的閾值V在各流(蠕)變過程中的實際意義。在固結試驗中，流變模型各參數同比剪切試驗更小，表明土的固結會影響其蠕變性能；在剪切試驗中，土石接觸面剪切和土土接觸面剪切流變模型的各參數隨正壓力均有相同的變化趨勢，并且兩種剪切方式的各參數還存在一定的倍數關系。3)本文揭示了軟土受埋深、應力水平、受力模式、時間效應等條件的影響，會具有不同的流變特性，并對同一流變模型下不同流變過程的內在規律進行分析，為進一步計算橋梁樁基在軟土地基中的長期沉降提供了參考。

[1] 王其昌.高速鐵路土木工程[M].成都:西南交通大學出版社,1999.

[2] TB 10621—2009,高速鐵路設計規范[S].

[3] 陳宗基.Structure Mechanics of Clay[J].中國科學,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，在讀本科生; 吳昊天(1996- )，男，在讀本科生; 郭 上(1996- )，女，在讀本科生; 張世杰(1996- )，男，在讀本科生