軟土蠕變特性室內試驗研究

付貴海，郭尤林，張 勝

(湖南城市學院 土木工程學院，湖南 益陽 413000)

軟土蠕變特性室內試驗研究

付貴海，郭尤林，張 勝

(湖南城市學院 土木工程學院，湖南 益陽 413000)

為了研究杭甬高速鐵路所經過地區的軟黏土蠕變特性，利用改進的三軸蠕變儀，進行不同圍壓下三軸固結不排水蠕變試驗．試驗結果表明：該海相軟土具有顯著的非線性蠕變特性，偏應力水平越高，非線性程度越大；不同圍壓下軟土的屈服應力不同，當應力水平低于屈服應力時，軟黏土蠕變特性表現為線性黏彈性；當應力水平高于屈服應力時，軟黏土的蠕變性狀表現出顯著的非線性黏塑性．故該軟黏土的蠕變同時具有彈性、黏彈性及黏塑性特征，可將所研究的軟黏土視為彈-黏彈-黏塑性體．

軟土；三軸蠕變試驗；蠕變特性

在我國的沿海和河流的中下游及內陸湖泊附近地區，廣泛地分布著軟塑及流塑狀態的軟土．軟土承載力低、壓縮性高、滲透性差，具有十分顯著的流變特性，在軟土地區修建的建筑物會逐漸暴露出來一些問題，由軟土流變效應引發的基礎長期變形過大導致建筑物出現開裂、傾斜等工程病害時有發生[1]．同樣，建于深厚軟土地區的高速鐵路路基也可能面臨類似的問題，因此研究軟土蠕變的內在機理，探討海相軟土的蠕變性狀，對高速鐵路路基的長期安全具有重要意義．

軟土根據其形成原因的不同，有海相、湖相、三角洲相等幾種不同的類型，部分學者對不同類型軟土的蠕變特性進行了一系列試驗和理論研究[2-5]，早期許多黏土蠕變試驗是利用常規固結儀進行的[6-10]，以研究軟土的次固結行為，即“蠕變特性”．近年來，三軸剪切蠕變試驗由于可以在試驗過程中能控制圍壓及偏壓，并可量測蠕變過程中體積變化或超孔隙水壓力變化，故更能充分地揭示土體的蠕變變形規律．劉漢龍等[11]利用利用改裝后的三軸蠕變儀對真空-堆載聯合預壓作用下的軟黏土進行了三軸蠕變試驗，分析了應力比、加載率、和時間等不同因素對軟土蠕變變形特性的影響．杜雅峰等[12]等對廣州地區海相沉積軟土開展了三軸壓縮試驗及三軸不排水蠕變試驗，系統探討了海相沉積軟土蠕變變形特性．試驗結果表明，海相沉積軟土蠕變特性與圍壓水平、偏壓力水平、排水條件等多因素有關．楊愛武等[13]利用TSS10三軸流變儀，對不同初始固結度吹填土進行了不排水蠕變研究，認為固結度對吹填土蠕變變形有明顯影響．

開展軟土蠕變試驗的目的，除了研究軟土的蠕變特性外，最終目的是為了建立合適的蠕變模型，解決實際工程中涉及的蠕變問題．雖然上述的試驗成果從不同角度研究了軟土的蠕變特性，但由于土性的復雜性和區域性，對土的蠕變試驗繼續開展深入的研究是必要的．本文以杭甬高速鐵路所經過的蕭寧紹濱海沖積平原軟土為研究對象，開展了不同圍壓下的三軸蠕變試驗，分析不同應力水平下軟黏土的蠕變變形規律，為下一步建立軟土流變模型及確定模型參數奠定了基礎．

1 土樣性質及試驗方案

1.1 土樣性質

本試驗土樣取自杭甬高速鐵路某車站路基段，為飽和淤泥質粉質黏土，取土深度15～20 m，屬海積相軟黏土，試樣孔隙比大于 1，含水量大于液限，抗剪強度指標較小，壓縮模量低于5 MPa，具有大孔隙比、高含水率、低抗剪強度和高壓縮性等軟土的典型特征．

1.2 試驗方案

目前，實驗室運用較多的是常規應變控制式三軸儀，而三軸蠕變試驗要求在試驗過程中必須滿足在某一級圍壓下軸壓保持不變，因此，常規的應變控制式三軸儀基本上很難滿足蠕變試驗要求．而土體的三軸蠕變設備與常規的三軸儀基本類似，都有圍壓、反壓加載系統及變形、孔壓量測系統，只是后者缺少保持軸壓穩定的設施，故土體的三軸蠕變設備可以利用常規應變控制式三軸儀進行改裝．

本文所使用三軸蠕變試驗所用儀器是長沙亞星數控技術有限公司生產的 TSZ-60A全自動三軸儀基礎上改裝軸向加載系統而成，即在土樣軸向改裝成橫梁式加壓系統，采用砝碼加壓，使之能在軸向保持恒力；在加壓桿上安裝電子百分表用以測定土樣的變形．顯然，這樣改造試驗儀器簡單易行．改裝后的三軸蠕變設備示意圖見圖1．

三軸蠕變試驗土樣直徑為39.1 mm，高度為80 mm．由于該淤泥質粉質黏土為具有高塑性指數的黏土，并且施工現場為濱海平原區，沒有好的排水條件，故本文三軸蠕變選擇固結不排水試驗．土樣的取樣深度在地表下15 m，圍壓由取樣深度確定，最大圍壓取200 kPa．土樣分別在圍壓為50、100、150和200 kPa時進行固結(本試驗固結時間為1 d)，至固結至變形穩定后，保持圍壓不變，施加偏應力進行三軸不排水蠕變試驗．三軸蠕變試驗的穩定標準采用和單軸蠕變一樣的穩定標準，如果24 h內變形量小于0.01 mm，則施加下一級荷載．

圖1 改進的三軸蠕變設備原理圖

確定偏應力施加方案的分為2個主要步驟：首先，進行常規三軸固結不排水試驗，確定破壞的軸向偏應力qf，然后根據qf確定偏應力的加載等級，每級荷載一般取，本文在最大圍壓200 kPa下常規三軸固結不排水試驗得到的具體的偏應力施加方案見表1．

表1 偏應力施加方案 kPa

2 試驗結果分析

2.1 蠕變曲線

采用分級加載法得到的不同圍壓下土樣三軸蠕變全過程曲線見圖 2；在分級加載得到的三軸蠕變全過程曲線的基礎上，可利用陳氏加載法得到土樣分別加載蠕變曲線，見圖3．

由圖2、圖3可以得出：

(1)在偏應力水平較低時，土樣在加載時的瞬時變形也較小，然后表現為衰減型蠕變，隨加載時間的增加，蠕變變形趨于穩定，蠕變曲線性狀趨于水平直線；如土樣在圍壓為50 kPa時，加載8 kPa偏應力后0.5 h、3 h、6 h、12 h分別對應的蠕變速率為0.41 %/h、0.07 %/h、0.032 %/h、0.008 3 %/h，土樣蠕變速率越來越小，24 h后趨向于0．

圖2 不同圍壓下三軸蠕變全過程曲線

圖3 不同圍壓下分別加載蠕變曲線

(2)隨著偏應力的增大，土體出現塑性，土樣的蠕變曲線表現為瞬時彈性、衰減蠕變和穩定蠕變3個階段，這時衰減蠕變變形增大，穩定蠕變變形略有增加．當偏應力水平很高時，土樣變形急劇增加，在短時間內出現破壞性蠕變．這表明土樣的蠕變變形與偏應力水平有密切關系，在同一圍壓下偏應力水平越高，軟黏土蠕變越明顯．

(3)在圍壓分別為 50、100、150及 200 kPa時，在某1級偏應力作用下，例如偏應力大小為16 kPa，加載144 h后對應的蠕變變形量分別為6.21 %、5.24 %、4.48 %和3.81 %，顯然隨著圍壓的增大，同一偏應力下，土樣的蠕變變形會逐漸減?。@表明土樣的蠕變變形不僅和偏應力有關，而且還和圍壓有關．

2.2 應力-應變等時曲線

對圖3所示的分別加載下的蠕變試驗曲線進行處理，取同一時間不同偏應力狀態下的應變值繪制在應力-應變曲線上，得到不同圍壓下土樣的應力-應變等時曲線，見圖4．

由圖4可以看出，隨著時間的推移，曲線愈加彎曲，不同于單軸壓縮蠕變試驗，應力-應變等時曲線往應變軸靠近，應變隨時間的增加而增大，且偏應力水平越高，應力-應變曲線越向應變軸靠近，說明軟黏土的蠕變變形的非線性程度隨著偏應力水平提高而增大．

應力-應變等時曲線上存在明顯的轉折點，轉折點對應的應力值為屈服應力，由圖4可大致確定圍壓分別為50、100、150及200 kPa時的屈服應力10、16、24、36 kPa．顯然，土樣的屈服應力隨著圍壓的增大而不斷增大．當應力水平低于屈服應力時，應力-應變等時曲線均近似為直線，軟黏土蠕變特性表現為線性黏彈性；當應力水平高于屈服應力時，其蠕變變形速率及變形量逐漸增大，軟黏土的蠕變性狀表現出顯著的非線性黏塑性．故從土樣三軸固結不排水蠕變變形的全過程來看，可以將依托工程所在地的軟黏土看作彈-黏彈-黏塑材料，其變形包含瞬時彈性、黏彈性和黏塑性．

3 結論

(1)在同一圍壓下，無論是在衰減階段還是穩定階段，軟土蠕變曲線的斜率都隨著偏應力的提高而越來越大，意味著土樣的蠕變速率隨著偏應力的增大而增大．

圖4 不同圍壓下的應力-應變等時曲線

(2)土樣的蠕變變形不僅和偏應力有關，而且還和圍壓有關．隨著圍壓的增大，同一偏應力下，土樣的蠕變變形會逐漸減?。?/p>

(3)隨著時間的推移，不同于單軸壓縮蠕變試驗，三軸蠕變試驗應力-應變等時曲線往應變軸靠近，說明應變隨時間的增加而增加，且偏應力水平越高，應力-應變曲線越向應變軸靠近，說明偏應力水平越高，非線性程度越大．

(4)軟土土樣蠕變特性主要表現為變形與時間和應力水平有關，所顯示的既不是彈性體，也不是塑性體，而是具有彈性、塑性和粘滯性的粘彈塑性體．

[1]孫鈞. 巖土材料流變及其工程應用[M]. 北京: 中國建筑工業出版社, 1999.

[2]于新豹, 劉松玉, 繆林昌. 連云港軟土蠕變特性及其工程應用[J]. 巖土力學, 2003, 24(6): 1001-1006.

[3]王宏貴, 魏麗敏, 赫曉光. 根據長期單向壓縮試驗結果確定三維流變模型參數[J]. 巖土工程學報, 2006, 28(5): 669-673.

[4]羅慶姿, 陳曉平, 王盛, 等. 軟黏土變形時效性的試驗及經驗模型研究[J]. 巖土力學, 2016, 37(1): 66-75.

[5]柳文濤, 曹得占, 李惠, 等. 深圳海相沉積軟土蠕變特性的試驗研究[J]. 工業建筑, 2011, 41(7): 74-77.

[6]徐珊, 陳有亮, 趙重興. 單向壓縮狀態下上海地區軟土的蠕變變形與次固結特性研究[J]. 工程地質學報, 2008, 16(4): 495-501.

[7]侯曉亮, 趙曉豹, 李曉昭,等. 南京河西地區軟土次固結特性試驗研究[J]. 地下空間與工程學報, 2009, 5(5): 888-892.

[8]曾玲玲, 劉松玉, 洪振舜, 等. 天然沉積軟黏土的次固結變形機理分析[J]. 巖土工程學報, 2010, 32(7): 1042-1046.

[9]孟靜, 王云龍, MENG JING, 等. 北京平原區軟弱黏性土次固結系數的試驗研究[J]. 工程地質學報, 2012, 20(3): 466-470.

[10]李西斌, 謝康和, 陳福全. 考慮軟土流變特性和應力歷史的一維固結與滲透試驗[J]. 水利學報, 2013, 44(1): 18-25.

[11]劉漢龍, 扈勝霞, ALI HASSAN. 真空-堆載預壓作用下軟土蠕變特性試驗研究[J]. 巖土力學, 2008, 29(1): 6-12.

[12]杜雅峰, 夏歡歡, 劉會平, 等. 廣州地區海積軟土蠕變特性試驗研究[J]. 水利與建筑工程學報, 2013, 11(2): 12-16.

[13]楊愛武, 張艷. 不同初始固結度吹填土蠕變特性研究[J]. 巖土工程學報, 2013, 35(S1): 222-226.

(責任編校：徐贊)

Laboratory Test Study on Creep Characteristics of Soft Soil

FU Gui-hai, GUO You-lin, ZHANG Sheng
(School of Civil Engineering, Hunan City University, Yiyang, Hunan 413000, China)

In order to study the creep characteristics of soft clay in the area of Hangzhou-Ningbo high-speed railway, the triaxial undrained consolidation shear creep test was carried out under different confining pressure by using improved triaxial creep tester.The experiment indicates that the marine clay creep’s nonlinear feature is remarkable，which is revealed gradually with increase in stress; the yield stress of soft soil is different under different confining pressures, when the stress level is lower than the yield stress, the creep characteristic of soft clay shows linear viscoelasticity; when the stress level is higher than the yield stress, the creep behavior of soft clay exhibits significant nonlinear viscoplasticity. So the creep of the soft clay has the characteristics of elasticity, viscoelasticity and viscoplasticity at the same time, and the soft clay can be regarded as an elastic viscoelastic viscoplastic body.

soft clay; triaxial creep test; creep characteristics

TU411

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2017.03.0001

1672–7304(2017)03–0001–05

2017-05-10

湖南省自然科學基金項目(2016JJ4013)；湖南省教育廳科研項目(16A038)

付貴海（1975-），男，河南潢川人，副教授，博士，主要從事軟基處理及樁基工程研究﹒E-mail：fugui6666@126.com.