南通地區(qū)凍結(jié)黏土蠕變特性試驗研究★

束 閣 張 雪 陳雨嘉 王天祺

(1.南通職業(yè)大學建筑工程學院，江蘇 南通 226001； 2.南通大學土木與交通工程學院，江蘇 南通 226001)

0 引言

隨著我國沿海開放城市交通大發(fā)展，南通城市軌道交通地鐵一號線二號線的建設正在緊張有序的開展。在地鐵施工過程中，凍結(jié)法建井成為關(guān)鍵技術(shù)得到重視[1]。大量凍結(jié)法工程實際顯示，地鐵施工中典型土層的凍土蠕變力學特性將對地鐵施工起到較為關(guān)鍵的影響作用[2-5]。

1 土樣采集及試驗方法

1.1 土樣采集

在地鐵施工段開挖過程中取得典型土層粘土芯樣。實驗室土樣試件的制作嚴格參照國家標準，形狀采用圓柱體，大小為φ50 mm×100 mm(誤差1.0%)。

1.2 試驗裝置及方法

1)試驗裝置。凍土單軸試驗在WDT-100試驗機上進行，其試驗數(shù)據(jù)采集全由計算機控制系統(tǒng)自動完成，試驗裝置加載極限為100 kN，精度1%，凍結(jié)溫度可達-50 ℃。

2)抗壓試驗方法?？箟涸囼炘谪摐貤l件下分別進行三組。選取南通典型土層的粘土試件3個，常溫養(yǎng)護后，在-5 ℃,-10 ℃和-15 ℃三種溫度等級下進行單軸無側(cè)限抗壓強度試驗[6]。

3)蠕變試驗方法。安裝并連接好相關(guān)設備及儀器。蠕變試驗荷載應力水平分別取0.3倍，0.5倍和0.7倍上述抗壓強度，試驗溫度同前。按此方法進行多次試驗，等到凍土試件變形趨于穩(wěn)定或趨于某個極小常數(shù)時，記錄下最終蠕變值，試驗結(jié)束[7]。

2 單軸抗壓試驗

2.1 單軸抗壓試驗結(jié)果

分別在-5 ℃，-10 ℃和-15 ℃三種不同溫度下，根據(jù)試驗規(guī)范按要求對典型土層的凍結(jié)黏土試件進行無側(cè)限單軸抗壓試驗，每組試驗選取3個不同試件，其結(jié)果如表1所示。

表1 典型土層的抗壓試驗

2.2 單軸應力應變關(guān)系曲線

根據(jù)試驗結(jié)果，以第2組數(shù)據(jù)為例，畫出單軸應力應變的關(guān)系曲線，如圖1所示。

3 單軸蠕變試驗

3.1 單軸蠕變試驗結(jié)果

凍土的蠕變性能是反映凍結(jié)特性的主要指標，常用蠕變模型來表征[8]。傳統(tǒng)的凍土蠕變模型可表示為式(1)：

ε=AσBtC

(1)

其中，A為蠕變常數(shù)；B為應力常數(shù)；C為時間常數(shù)；σ為蠕變應力；t為蠕變時間；ε為蠕變發(fā)生時候產(chǎn)生的應變值。

表2 第1組凍土蠕變結(jié)果

對南通地鐵典型土層凍結(jié)黏土(10 m～20 m為第1組，20 m～40 m為第2組)進行3種不同溫度水平下的蠕變試驗，每種溫度下3個試件，蠕變試驗結(jié)果如表2，表3所示。

表3 第2組凍土蠕變結(jié)果

3.2 蠕變曲線

第二組數(shù)據(jù)為例，根據(jù)表1應力等級畫出蠕變關(guān)系曲線，如圖2所示。

4 蠕變模型的擬合優(yōu)化

從以上兩組凍土的試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在應力水平較低(0.3倍)和中等(0.5倍)時候，凍土蠕變最終趨于穩(wěn)定，而應力水平較高時(0.7倍)，蠕變趨于不穩(wěn)定[9]。為此，不失一般性，需要對凍結(jié)蠕變回歸公式進行擬合優(yōu)化，才能更好的表征實際工程凍土的蠕變特性。

因此，蠕變模型表達式可改寫成模糊表達式，如式(2)所示：

(2)

(3)

(4)

(5)

結(jié)合上述模糊分析結(jié)果，分別在不同溫度水平下利用MATLAB工具數(shù)值擬合式(2)中的其他參數(shù)，最終可獲得南通地鐵典型土層凍結(jié)黏土在-5 ℃,-10 ℃和-15 ℃下的蠕變優(yōu)化模型[10]，具體如式(6)～式(8)所示：

1)在-5 ℃情況下應變(%)與時間(h)關(guān)系：

ε=1.350σ1.253t0.118

(6)

2)在-10 ℃情況下應變(%)與時間(h)關(guān)系：

ε=0.982σ1.018t0.148

(7)

3)在-15 ℃情況下應變(%)與時間(h)關(guān)系：

ε=0.789σ1.099t0.075

(8)

為驗證優(yōu)化后式(6)～式(8)的合理性，故另取不同施工段黏土，進行上述蠕變試驗比較其公式計算值與試驗值，見表4。

表4 蠕變計算值與試驗值對比

根據(jù)蠕變試驗值與優(yōu)化公式計算值結(jié)果對比，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的蠕變公式在不同溫度情況下均能和試驗數(shù)據(jù)擬合較好，其誤差水平均控制在2%～5%之間。由此說明文中公式能很好的反映南通地區(qū)典型土層凍土蠕變的各階段特性，具有工程參考性。

5 結(jié)論

1)通過對南通典型土層凍土單軸蠕變試驗發(fā)現(xiàn)：在應力水平較低(0.3倍)和中等(0.5倍)時候，凍土蠕變最終趨于穩(wěn)定，而應力水平較高時(0.7倍)，蠕變趨于不穩(wěn)定。為此，不失一般性，需要對凍結(jié)蠕變回歸公式進行擬合優(yōu)化，才能更好的表征實際工程凍土的蠕變特性。

2)結(jié)合工程的復雜多變，對傳統(tǒng)蠕變公式進行模糊優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的蠕變公式在不同溫度情況下均能和試驗數(shù)據(jù)擬合較好，其誤差水平均控制在2%～5%之間。說明文中公式能很好的反映南通地區(qū)典型土層凍土蠕變的各階段特性，具有工程參考性。