珠三角西部地區(qū)軟土特性及雙曲線模型

摘要：在完全側(cè)限固結(jié)試驗(yàn)條件下，土體不會(huì)產(chǎn)生側(cè)向變形，只存在豎向壓縮變形，本文就變固結(jié)壓力下的抗剪強(qiáng)度的變化規(guī)律進(jìn)行了探討，另外因?yàn)橥馏w豎向應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系服從基于康德爾（[R.L.Konder]）土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的鄧肯-張模型，經(jīng)過公式推導(dǎo)得出[A]即為初始?jí)嚎s模量，并根據(jù)單向固結(jié)試驗(yàn)計(jì)算得出孔隙比的結(jié)果，通過解方程的辦法求解出雙曲線方程中的參數(shù)[A]與[B]，并通過實(shí)測(cè)的試驗(yàn)結(jié)果曲線與理論分析曲線進(jìn)行對(duì)比，表明了該雙曲線模型的可行性與合理性。

關(guān)鍵詞：軟土；固結(jié)直剪；模型參數(shù)；雙曲線方程

1、單向固結(jié)及直剪試驗(yàn)研究

側(cè)限壓縮試驗(yàn)又稱固結(jié)試驗(yàn)。土體的固結(jié)是指土體在外力作用下，土體中的水和氣體被逐漸排走，孔隙體積減小，土顆粒之間重新排列的現(xiàn)象。土的固結(jié)試驗(yàn)是通過測(cè)定土樣在各級(jí)垂直荷載作用下產(chǎn)生的變形，計(jì)算各級(jí)荷載下相應(yīng)的孔隙比，用以確定土的壓縮系數(shù)和壓縮模量等的試驗(yàn)。土樣取自位于珠江三角洲西部的江門地區(qū)，且土樣為飽和試樣。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得該區(qū)軟土的平均指標(biāo)，其中土粒比重[Gs]=2.71g/cm3，含水率[ω]=50.6%，天然密度[ρ]=1.72g/cm3，飽和度為100%；將已知數(shù)據(jù)帶入下列方程（1）或（2）式其中之一，即可得出初始孔隙比：

通過基本室內(nèi)試驗(yàn)得出一系列該試驗(yàn)土樣的基本物理指標(biāo)如表一所示。

通過固結(jié)試驗(yàn)測(cè)得江門地區(qū)軟土在各級(jí)壓力下相應(yīng)各項(xiàng)指標(biāo)如表二所示。

根據(jù)上表繪制出該土樣在單向固結(jié)壓縮試驗(yàn)下的[e-p]曲線，如圖1

直接剪切試驗(yàn)是根據(jù)庫倫定律，土的內(nèi)摩擦力與剪切面上的法向壓力成正比，將同一種土制備成幾個(gè)土樣，分別在不同的法向壓力下，沿固定的剪切面

直接施加水平剪力，得其剪切破壞時(shí)的最大剪應(yīng)力，即為抗剪強(qiáng)度，然后根據(jù)剪切定律確定土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

本文還在固結(jié)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過大量地直接剪切試驗(yàn)研究了不同固結(jié)壓力下固結(jié)度達(dá)到100%的土樣的抗剪強(qiáng)度規(guī)律，具體情況如以下表三所示。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果擬合出不同級(jí)別固結(jié)壓力下的抗剪強(qiáng)度線，如圖二所示：

從圖二可以得出，伴隨著固結(jié)壓力的增大，土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)均得到不斷地提高；試驗(yàn)土樣的固結(jié)壓力在50～150kpa之間時(shí)，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的絕對(duì)增長量較大，壓縮固結(jié)效果較為明顯；而當(dāng)固結(jié)壓力達(dá)到150kpa之后，雖然固結(jié)壓力再有所增加，但是抗剪強(qiáng)度絕對(duì)增長量較小。可見該土樣在150kpa固結(jié)壓力下固結(jié)沉降穩(wěn)定之后，抗剪強(qiáng)度變化量減小，強(qiáng)度指標(biāo)趨于穩(wěn)定。

[εp]2、 曲線中參數(shù)的確定

在完全側(cè)限固結(jié)試驗(yàn)條件下，土體不會(huì)產(chǎn)生側(cè)向變形，只存在豎向壓縮變形，且土體豎向應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系服從基于康德爾的土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的鄧肯-張模型，即：

[ε=pA+Bp （3）]

ε是壓縮應(yīng)變，A與B均為參數(shù)，可由試驗(yàn)的方法進(jìn)行確定。

將式（1）求偏導(dǎo)可得：

[?p?ε=A1-Bε+ABε（1-Bε）2=A（1-Bε）2 （4）]

當(dāng)土體尚未受到壓應(yīng)力時(shí)，相應(yīng)的應(yīng)變?yōu)榱悖粍t

[?p?εε=0=A（1-Bε）2ε=0=Α （5）]

則A就是最初狀態(tài)下的初始?jí)嚎s模量，即

[ Α=Εs （6）]

又因?yàn)椋?/p>

[ ε=e0-e1+e0 （7）]

則：

[ e=e0-p（1+e0）Εs+Bp （8）]

因?yàn)椋?/p>

[ e1=e0-100（1+e0）Εs+100Be2=e0-200（1+e0）Εs+200B （9）]

將[e1=1.061，e2=0.962，e0=1.373帶入（9）可得：]

[B=3.94，A=Εs=366.41]

為了更加清晰地比較擬合結(jié)果同試驗(yàn)結(jié)果的相似程度，故在表四中列出各個(gè)壓力下的相應(yīng)的試驗(yàn)孔隙比和雙曲線模型反算出來的孔隙比結(jié)果，兩者相比較如下：

3、結(jié)語

試驗(yàn)土樣的固結(jié)壓力在50～150kpa之間時(shí)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)變化較大，壓縮固結(jié)效果較為明顯；固結(jié)壓力達(dá)到150kpa之后，抗剪強(qiáng)度絕對(duì)增長量降低，該土樣在150kpa固結(jié)壓力下抗剪強(qiáng)度變化較小，強(qiáng)度指標(biāo)趨于穩(wěn)定。

采用雙曲線模型擬合試驗(yàn)曲線同實(shí)際所做的室內(nèi)單向固結(jié)壓縮試驗(yàn)相比總體吻合度較高，尤其是在荷載小于800kpa的情況下具有更高的相似性，可見采用雙曲線模型描述土體豎向應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系具有可行性與合理性。

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作者簡介：

彭懷寧（1991.9-），男，漢，河南信陽人，五邑大學(xué)土木建筑學(xué)院，碩士。

研究方向：巖土工程