網(wǎng)紋紅土蠕變應(yīng)變率試驗(yàn)研究★

何玉榮 李建中

(1.湖南科技學(xué)院土木與環(huán)境工程學(xué)院，湖南 永州 425199; 2.中南大學(xué)地球科學(xué)與物理信息學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

1 概述

黏性土體具有蠕變特性。蠕變變形發(fā)展一般分為衰減蠕變階段、穩(wěn)定蠕變階段和破壞階段3個(gè)階段。許多工程問(wèn)題(如邊坡變形、地基不均勻沉降、地下工程失穩(wěn)等)都是由于持力層蠕變變形持續(xù)發(fā)生引起的，因此深入系統(tǒng)研究土的蠕變特性對(duì)維持土體的長(zhǎng)期穩(wěn)定，保證各類(lèi)工程結(jié)構(gòu)物的正常運(yùn)行和安全使用，預(yù)防和減少各類(lèi)工程事故的發(fā)生具有重要的意義[1-4]。目前，許多學(xué)者在蠕變變形特征、變形機(jī)制及本構(gòu)方程等方面做了大量的研究[5-8]，而對(duì)蠕變應(yīng)變率隨時(shí)間的發(fā)展規(guī)律研究的很少。蠕變應(yīng)變率是蠕變變形所處階段與發(fā)展趨勢(shì)判斷的重要依據(jù)，進(jìn)行這方面的研究是預(yù)測(cè)和防治邊坡失穩(wěn)、確保工程順利施工的基本前提[9-11]。網(wǎng)紋紅土是長(zhǎng)江中下游及周邊地區(qū)巖土工程施工中常見(jiàn)的土體。網(wǎng)紋紅土的土力學(xué)特性直接影響著地(路)基、基礎(chǔ)、基坑以及邊坡等工程的設(shè)計(jì)與施工。近20年來(lái)在 巖土工程實(shí)踐中積累了一些針對(duì)網(wǎng)紋紅土土力學(xué)特性進(jìn)行巖土工程設(shè)計(jì)與施工的經(jīng)驗(yàn)，但是，由于沒(méi)有對(duì)網(wǎng)紋紅土的蠕變特性等基礎(chǔ)性問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)的研究，設(shè)計(jì)人員與工程技術(shù)人員往往憑經(jīng)驗(yàn)辦事，無(wú)法從理論上正確認(rèn)識(shí)網(wǎng)紋紅土的蠕變特性，因而也很難確保能夠針對(duì)網(wǎng)紋紅土的巖土工程施工與設(shè)計(jì)合理、安全而且經(jīng)濟(jì)。目前針對(duì)網(wǎng)紋紅土進(jìn)行的諸如土體變形計(jì)算、土體強(qiáng)度測(cè)試等都是根據(jù)相關(guān)的國(guó)家或者行業(yè)規(guī)范加上工程技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)做出。由于各種規(guī)范相對(duì)比較籠統(tǒng)、個(gè)人經(jīng)驗(yàn)往往帶有局限性，因此，在具體實(shí)踐中很難得到與實(shí)際情況相吻合的結(jié)果。特別是，目前所有的規(guī)范所給出的計(jì)算方法大多只考慮了土的彈性，而實(shí)際上，網(wǎng)紋紅土的蠕變變形在土體變形中所占比重更大。所以，有必要對(duì)網(wǎng)紋紅土的蠕變特性進(jìn)行較為系統(tǒng)的研究。本文對(duì)長(zhǎng)沙岳麓山地區(qū)網(wǎng)紋紅土進(jìn)行了分別加載條件下的初始加載、卸載、重復(fù)加載蠕變?cè)囼?yàn)，通過(guò)分析網(wǎng)紋紅土蠕變應(yīng)變率的變化規(guī)律，著重研究了應(yīng)變率與時(shí)間、應(yīng)力之間的關(guān)系。

2 試驗(yàn)方案

土樣采用橫截面積為30 cm2、高度為2 cm的圓柱體。土樣的物理性質(zhì)參數(shù)為:土粒比重為2.71,天然含水率為23.83%～26.88%,天然密度為1.90 g/cm3～1.95 g/cm3。蠕變?cè)囼?yàn)儀器是采用雙面排水側(cè)限的WG型三聯(lián)低壓固結(jié)蠕變儀。文中進(jìn)行了不同應(yīng)力水平下(50 kPa，100 kPa，200 kPa，400 kPa，800 kPa)的分別加載蠕變?cè)囼?yàn),每級(jí)應(yīng)力下的蠕變?cè)囼?yàn)開(kāi)展了初始加載、卸載、重復(fù)加載3個(gè)過(guò)程。試驗(yàn)中以變形小于0.005 mm/24 h為變形達(dá)到穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)。蠕變?cè)囼?yàn)都是土樣在上一級(jí)荷載作用下變形達(dá)到穩(wěn)定以后,再對(duì)其施加下一級(jí)的荷載。為了降低偶然誤差,本文的試驗(yàn)是將3個(gè)土樣進(jìn)行了平行試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果取3個(gè)土樣的算術(shù)平均值。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖1是分別加載條件下,以每級(jí)荷載加載起始時(shí)刻為該級(jí)荷載蠕變初始時(shí)間,蠕變應(yīng)變率隨蠕變時(shí)間的變化曲線(xiàn)。

從圖1中可以發(fā)現(xiàn):

(1)

其中,a,n均為常數(shù)。

(2)

或：

(3)

其中，m為常數(shù)；Δσ為該級(jí)應(yīng)力與上一級(jí)應(yīng)力差值的絕對(duì)值。

對(duì)式(2)，式(3)兩邊取對(duì)數(shù)整理后,得到:

(4)

令：

A=mlnΔσ+lna

(5)

可以得到:

(6)

為了確定式(2)，式(3)中的各項(xiàng)參數(shù),進(jìn)行如下處理:

n=∑ni/k

(7)

其中,ni為該過(guò)程中某一應(yīng)力下的斜率;k為加、卸載應(yīng)力水平級(jí)數(shù)。

對(duì)于圖1曲線(xiàn)中任意一點(diǎn)都有:

(8)

A=∑At/l

(9)

其中，l為某一應(yīng)力下所取時(shí)間點(diǎn)的數(shù)目。

2)基于式(5)和求得的A值,以A為縱坐標(biāo),以lnΔσ為橫坐標(biāo),繪制圖形,并添加線(xiàn)性趨勢(shì)線(xiàn)。發(fā)現(xiàn)其線(xiàn)性相關(guān)系數(shù)均大于0.9,表示其線(xiàn)性關(guān)系很密切。根據(jù)所繪圖形可求得初始加載、卸載、重復(fù)加載各過(guò)程的斜率m及截距l(xiāng)na。至此,式(2),式(3)中的3個(gè)參數(shù)n,m和a都已求出(如表1所示)。

表1 式(2),式(3)中的各參數(shù)值

結(jié)合表1中的各參數(shù)值和式(2)，式(3),可以得出任意時(shí)刻的分別加載蠕變應(yīng)變率。利用式(2)，式(3)擬合分別加載蠕變?cè)囼?yàn)初始加載、卸載、重復(fù)加載過(guò)程中的蠕變應(yīng)變率,其結(jié)果如圖2～圖4所示。

從圖2～圖4中可以看出初始加載、卸載、重復(fù)加載過(guò)程中的蠕變應(yīng)變率被擬合的很好。式(2)，式(3)能較好地描述網(wǎng)紋紅土分別加載條件下蠕變應(yīng)變率變化規(guī)律。

4 結(jié)論