淤泥質土封閉作用下側壓力試驗研究

李曉康,岳祖潤,陳佩哲,高曉靜

(1.石家莊鐵道大學土木工程學院,石家莊 050043； 2.石家莊鐵道大學道路與鐵道工程安全保障省部共建教育部重點實驗室,石家莊 050043； 3.石家莊鐵道大學研究生學院,石家莊 050043)

淤泥及淤泥質土廣泛分布在我國華東、華南地區,具有含水率高、強度低、流動性強的特征。其既屬于巖土工程領域的軟土,又屬于流體力學領域的非牛頓流體[1],在變形及荷載傳遞方面會表現出一定的流體性質。在工程實際中,淤泥質土普遍上覆一層厚度不大,強度、剛度相對較高的硬殼層,對其下的軟土具有封閉作用[2]。當路基堆載、基坑開挖卸荷等荷載作用在硬殼層上時,硬殼層下沉變形并向其下覆軟土層傳遞荷載,受硬殼層封閉作用和自身高流動性的影響,淤泥質土向周圍擠壓變形,在一定范圍內引起較大的水平應力,對樁基、橋臺、擋土結構等具有一定的危害,甚至引起事故[3-5]。蘇木標[6]將這種淤泥質土類似封閉液體受荷后向周圍擠壓的現象,稱為“類帕斯卡效應”。王錫朝[7]通過模型試驗指出,硬殼層對淤泥土的封閉能使淤泥層中產生超常的附加應力,其水平應力不宜采用Boussinesq線性變形體理論解求算。

專家學者們對硬殼層軟土對結構物側壓力的計算方法進行了一些研究。李作勤[8]指出,對于有一定厚度的飽和軟黏土的K0值存在σh/σv≈1的情況,此時擋土結構物承受最大的側壓力。De. Beer和Wallays[9]提出了硬殼層堆載對臨近軟土層內樁基土壓力計算經驗公式,并假設堆載產生的水平土壓力在軟土層內呈矩形分布。Springma[10-11]等在研究軟土層內橋臺樁基鄰近堆載問題時,通過離心模型試驗得出軟土層內土壓力呈矩形分布,并認為隨著荷載等級的增長,軟土層內側壓力由矩形分布逐漸向拋物線形分布過渡。此外,用于計算軟土流動對結構物側壓力的還有力法[12-13]、位移法[14-15]等等。在諸多計算方法中,軟土的側壓力系數是計算側壓力的重要參數[16-17]。硬殼層的封閉作用會改變其下軟土層側壓力的傳遞、分布規律,其對側壓力系數的影響效果應該納入考慮。因此,通過室內試驗探究硬殼層封閉條件下,下覆軟土的側壓力分布及傳遞規律,并給出側壓力系數的定量值,為深厚軟土層內側壓力計算方法及影響范圍判定提供參考。

1 封閉側壓力試驗簡介

為控制邊界效應,結合室內試驗條件,試驗采用內徑30 cm、高50 cm的圓柱形土樣筒。為最大限度消除筒壁摩擦,在土樣與土樣筒之間放置玻璃紙,玻璃紙與土樣筒之間涂凡士林潤滑。

為獲得土樣在某一深度處的側壓力系數,需測出該點的豎向、側向土壓力,進而算得側壓力系數K。為了量測不同深度處土樣的豎向土壓力及側向土壓力,在土中2,10,20,30 cm深度處埋設豎向、側向土壓力傳感器。為了比較距加載盤不同距離處側壓力數值及傳遞規律,在2,10 cm深處筒壁位置用免釘膠粘結側向土壓力傳感器,土壓力傳感器共布設10根。采用DH3818型靜態電阻應變儀及配套采集控制軟件采集土壓力數據。

試驗土樣高40 cm,采用淤泥質土通過室內重塑制得,硬殼層厚度2 cm,采用水泥土制作。淤泥質土取自蘇州軌道交通15號線07標段,地質勘探資料顯示該層土為淤泥質土,含云母、有機質,呈軟塑～流塑狀態。試驗前將淤泥質土烘干碾碎,過2 mm篩,配至指定含水率后,分層鋪入土樣筒。根據文獻[18],水泥土的強度及應力-應變特性與超固結土類似,因此可用來模擬硬殼層的板體特性。水泥土硬殼層采用同種淤泥質土摻入水泥制作,水泥型號為P.O52.5早強型水泥。通過反復實驗,確定硬殼層的合理配比為干土∶水∶水泥=1∶0.5∶0.2。淤泥質土及硬殼層土樣制備完畢后,靜置3 d使土樣水分均勻分布,同時為硬殼層形成強度提供足夠時間。

試驗以硬殼層完整性及加載方式為劃分標準,共分為3種工況,分別為硬殼層完整、滿布加載(工況1),硬殼層完整、中心局部加載(工況2),硬殼層中心破壞、中心局部加載(工況3)。局部加載采用直徑為6 cm的圓形剛性加載盤,滿布加載采用直徑25 cm的圓形剛性加載盤。為了觀察土樣流動程度(以稠度狀態表征)對其側壓力分布和傳遞的影響,擬分別對處于軟塑、流塑狀態的土樣進行試驗。同時,通過預實驗,發現含水率超過50%后,試樣會出現明顯的水分溢出、聚集在頂端,這將導致其實際含水率無法控制和硬殼層強度不足、難以提供封閉狀態。因此,綜合考慮上述因素和試驗變量梯度,每組試驗設置40%,44%,48%三種含水率,其中40%含水率試樣處在軟塑狀態,44%,48%含水率試樣處在流塑狀態。使用砝碼分級施加靜荷載,3種工況荷載等級分別為1.4,9.0,4.5 kPa。為避免超靜孔隙水壓力對數據的干擾,每級荷載持續30 min,取采集儀示數充分穩定后的測量值,試驗過程以硬殼層破壞、無法繼續加載為止。

注：TY表示土壓力傳感器,數字為其編號。

試驗裝置及傳感器布設方法見圖1,工況2、工況3試驗采用局部加載,加載盤直徑均為6 cm,硬殼層分別為完整、破壞狀態,其余條件均與工況1相同。土樣物理力學指標見表1,試驗變量設計方法見表2。

表1 土樣物理力學指標

注：表中抗剪強度指標為直剪快剪指標。

表2 試驗變量設計方法

2 試驗結果分析

淤泥質土封閉側壓力試驗共進行9次有效試驗,結果匯總于表3。

由于不同工況試樣的破壞荷載不盡相同,為使試驗結果簡潔直觀呈現,經過數據整理與篩選,取每次試驗破壞荷載σf的1/4,2/4,3/4,4/4等級處各測點土壓力數值分析討論。

側壓力系數K計算式為

K=σh/σv

(1)

其中,σv為某一深度處測得的豎向土壓力；σh為某一深度處測得的側向土壓力。

為了能更加直觀地描繪試驗結果,將試驗中較有代表性的結果繪成曲線,分析封閉狀態下淤泥質土側壓力分布規律、側壓力系數變化規律及硬殼層完整性對側壓力傳遞方式的影響。

圖2 工況1側壓力沿深度分布

2.1 側壓力分布規律

由圖2可得,土樣承載能力隨著含水率升高而承載能力減弱,導致不同含水率土樣應力水平不盡相同,但側向土壓力沿深度的分布仍表現出一致趨勢,即隨深度近似呈拋物線形分布,這與文獻[19]中現場監測結果一致。

表3 土樣實測壓力 kPa

在應力水平較低時(1/4σf處),3種土樣側壓力沿深度分布近似直線,這可能由于應力水平較低,土體處于彈性階段,土中側壓力數值在不同深度處近似相等；隨著應力水平的增加,側壓力隨深度分布向拋物線形轉變,在4/4σf處,3種含水率試樣均表現出明顯的拋物線形分布。其中,最小點發生在2 cm處,最大點發生在10 cm處,且在最大點以下,土壓力隨深度衰減不明顯,呈現“半拋物線的性質”。對比3種含水率土樣可得,在側壓力最高點以下,隨著土樣含水率增加,側壓力隨深度分布逐漸趨近于直線形,這表明隨著含水率增長,淤泥質土側壓力隨深度分布形式逐漸表現出流體性質。

由試驗過程中觀測,在2 cm處,由于淤泥質土自身固結沉降,硬殼層與土樣層具有一層1～5 mm的縫隙,致使土樣頂部受荷區并不處在嚴格的封閉狀態。當荷載施加時,土體承受豎向壓力,由于其較強的流動性而側向擠出,造成豎向土壓力集中、側向土壓力衰減,這是引起2 cm處側壓力偏小的原因。同時,硬殼層水泥水化過程中吸水會導致該處含水率減小。因此,上半部土樣的土性、應力狀態、封閉狀態均與下半部土樣有較大差別,可視為不穩定區。

由上述分析可得,側向土壓力沿深度呈現上半部為拋物線、下半部近似直線的“半拋物線形”分布。其中,拋物線形趨勢隨應力水平的升高而增強,直線形趨勢隨含水率增長而增強。

2.2 側壓力系數

由圖3可得,淤泥質土側壓力系數變化的整體規律是隨深度增長而增長,逐漸趨近于1。分析表4中數值,在同一高度處,側壓力系數隨含水率變化規律不明顯。對于3種含水率試樣,側壓力系數均隨深度增長而增長,且增長幅度逐漸降低,最終在20,30 cm處穩定在1附近。在正常固結的靜力加載狀態下,土的側壓力系數不可能超過水的側壓力系數,其最大值應為1。因此,30 cm處側壓力系數可視為1。在30 cm處出現側壓力系數略大于1的情況,通過與傳感器廠商溝通,可能是由于該處豎向土壓力傳感器的試驗環境與標定環境略有不同,按標定過程所取的靈敏度與試驗環境下的實際靈敏度有細微差別,進而引起實測值略微偏小。

圖3 工況1側壓力系數沿深度分布

表4 工況1側壓力系數平均值

由前述分析,試樣由于室內條件的限制,以20 cm為界存在非穩定區與穩定區。分析穩定區側壓力系數試驗結果,可以得出,在穩定區,3種含水率土樣側壓力系數均接近1,隨含水率變化不大。這表明,對于深厚淤泥質土,取保守值,其封閉狀態下側壓力傳遞系數可認為是1。

2.3 硬殼層完整性對側壓力傳遞的影響

取現象較為典型的40%含水率試樣,在2 cm位置進行不同工況下土中與筒壁側壓力對比,結果如圖4所示。

圖4 不同工況下土中與筒壁側壓力

在中心局部加載條件下,當硬殼層完整時(工況2),筒壁側壓力始終大于土中側壓力,其并不符合側壓力隨距離逐漸衰減的一般認識。這是由于硬殼層受荷彎沉使荷載擴散至下覆淤泥質土層,受到硬殼層封閉作用的約束及自身高流動性的影響,淤泥質土向兩側擠壓流動,致使土壓力向較遠距離傳遞。由于土中傳感器位移不受約束,筒壁土壓力傳感器位移鎖定在堅硬面,因此出現了筒壁所測土壓力大于中心位置的反常現象,這也驗證了“類帕斯卡效應”[6]的存在。

對于硬殼層中心破壞、局部加載的工況3,其由下部軟弱淤泥質土直接承擔外荷載,故應力水平小于硬殼層完整工況。在加載期間,土樣中心側壓力始終大于筒壁側壓力,這與布幸內斯克彈性解[20]的規律一致。但引起注意的是,在試驗后半程,土中、筒壁土壓力之差逐漸減小,這說明,隨著外荷載的增大,淤泥質土側向流動擠壓加劇,硬殼層的封閉作用逐步顯現,導致局部荷載的影響范圍和影響程度逐漸加大,“類帕斯卡效應”逐漸顯現。

對于滿布加載(工況1),不同水平位置的側壓力則相差不大,這與彈性半無限體理論一致。在試驗后1/3程,隨著外荷載增大,筒壁土壓力逐漸大于土中土壓力,這可能是由于土體受荷壓縮,引起硬殼層下沉,造成筒壁傳感器與硬度較大的硬殼層距離過近,引起一定程度的應力集中。

3 結論

通過對封閉狀態下不同含水率淤泥質土進行的3種工況的室內試驗,得出如下結論。

(1)封閉淤泥質土側壓力沿深度分布具有類似流體的性質,呈半拋物線形分布。半拋物線上半段側壓力隨深度增加而增加,下半段土壓力隨深度衰減不明顯、近似直線。拋物線趨勢隨荷載水平增大而增強,直線趨勢隨含水率增加而增強。

(2)封閉淤泥質土側壓力系數在非穩定區沿深度增加,在穩定區趨近于1。從工程安全角度考慮,設計時可把封閉狀態下淤泥質土側壓力系數取為1。

(3)硬殼層完整性對土壓力側向傳遞具有一定影響。硬殼層完整時,封閉作用明顯,導致側壓力具有較大的傳遞和影響范圍；硬殼層破壞時,封閉作用隨著荷載水平增加,逐步顯現。這種情況在工程中可能導致超出正常距離的影響范圍,引起遠處建筑物沉降、管線下沉等,應引起重視。

4 展望

應當指出,受限于室內試驗條件,本試驗土樣與實際工程荷載下軟土的應力狀態并不完全相同。此外,試驗本身的尺寸效應及邊界效應對試驗結果、尤其是土中應力分布也有一定程度的影響。因此,本次試驗所得結果可作為支撐理論推導的定性分析,定量分析則有待于進一步深入研究。同時,本試驗只進行了封閉狀態下淤泥質土側壓力分布規律的研究,以后應在試驗中加入擋墻、樁基等結構物模型,研究封閉狀態下淤泥質土側壓力在結構物上的作用規律。