黃石地區(qū)軟土固結(jié)蠕變特性試驗(yàn)研究

黃石地區(qū)軟土固結(jié)蠕變特性試驗(yàn)研究

1固結(jié)-固結(jié)模型模型隨著城市化的推進(jìn)，沿海地區(qū)的許多項(xiàng)目往往采用軟土壤加固處理作為基本基礎(chǔ)。深厚的軟土不僅給處理帶來了相當(dāng)?shù)碾y度,且其工后沉降問題又十分突出。一方面軟基處理中存在的技術(shù)問題,另一方面也反應(yīng)出目前仍缺乏對(duì)軟土變形機(jī)制的深刻認(rèn)識(shí),尤其對(duì)軟土固結(jié)-蠕變特性缺乏深層次的理解,造成現(xiàn)有土力學(xué)模型計(jì)算精度不高的事實(shí)。軟土變形具有顯著的時(shí)效性是由固結(jié)特性和蠕變特性共同決定的。軟土的固結(jié)是土體中因超靜孔隙水壓力逐漸消散和有效應(yīng)力不斷增加而引起的壓縮過程,蠕變是土體在恒定的應(yīng)力作用下變形隨時(shí)間增長(zhǎng)的現(xiàn)象。兩者的變形機(jī)制相同,但土體的受力情況卻完全不同。因此,早期對(duì)軟土的固結(jié)和蠕變特性多是分開單獨(dú)研究的,也產(chǎn)生了一些問題,如用傳統(tǒng)的固結(jié)理論預(yù)測(cè)軟土的長(zhǎng)期變形,有時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大的誤差;不考慮固結(jié)效應(yīng)對(duì)蠕變特性的影響,所得到結(jié)論與真實(shí)情況也會(huì)存在一定偏差。目前,對(duì)于固結(jié)-蠕變特性的力學(xué)表現(xiàn)以及模型方面的研究已經(jīng)取得了一些成果,但對(duì)于其機(jī)制的研究,特別是微觀機(jī)制的研究并不深入。本文對(duì)黃石地區(qū)原狀軟土在不同固結(jié)壓力下采用分級(jí)加載的方法,進(jìn)行排水與不排水兩種情況下的三軸固結(jié)蠕變?cè)囼?yàn),以研究軟土的固結(jié)蠕變特性。對(duì)原狀樣和蠕變?cè)囼?yàn)后的土樣進(jìn)行電子顯微鏡照相得到蠕變條件下微觀結(jié)構(gòu)變化情況,結(jié)合固結(jié)蠕變過程中結(jié)合水的變化情況分析固結(jié)蠕變的機(jī)制。2樣本和測(cè)試方法2.1見試樣典型軟土工程特性試驗(yàn)用土取自黃石市花湖經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū),埋深為5m,灰黑色,軟塑~流塑狀態(tài),試樣基本物理性質(zhì)指標(biāo)見表1。可見試樣具有典型軟土工程特性,表現(xiàn)在高含水率、含水率大于液限、大孔隙比、低強(qiáng)度、高壓縮性、高飽和度。根據(jù)X射線衍射試驗(yàn)結(jié)果得到,黃石軟土的黏土礦物主要包括高嶺石、伊利石、綠泥石、伊蒙混層混合物,占總礦物含量的40%以上,其中伊蒙混層礦物和伊利石的親水性比較強(qiáng),結(jié)合水含量高,這是黃石軟土具有蠕變性的一個(gè)原因。2.2試樣微觀結(jié)構(gòu)的確定采用改裝后應(yīng)變控制式三軸剪力儀進(jìn)行三軸固結(jié)排水與不排水蠕變?cè)囼?yàn),土樣面積為12cm2,高為8cm。先對(duì)試樣進(jìn)行真空抽氣飽和,然后讓其在不同固結(jié)壓力作用下排水固結(jié),依據(jù)固結(jié)不排水的試驗(yàn)理論,試樣固結(jié)后其固結(jié)度應(yīng)達(dá)到100%。但試驗(yàn)土樣的滲透系數(shù)很小,試驗(yàn)中排水困難,孔壓難以完全消散,為此,當(dāng)試樣的固結(jié)度達(dá)到95%時(shí)認(rèn)為固結(jié)完畢。然后進(jìn)入蠕變?cè)囼?yàn)階段,在不同排水條件下采用分級(jí)加載的方式對(duì)試樣施加荷載進(jìn)行剪切蠕變?cè)囼?yàn),當(dāng)1d內(nèi)豎向位移小于0.01mm時(shí)施加下一級(jí)荷載。不排水條件下試樣發(fā)生急速破壞時(shí),排水條件下試樣的應(yīng)變值大于10%時(shí),試驗(yàn)結(jié)束。試驗(yàn)方案見表2。試驗(yàn)完畢后立即取出土樣,利用掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)原狀樣與試驗(yàn)后土樣的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。為了能使測(cè)得的微觀結(jié)構(gòu)結(jié)果能真實(shí)反映軟土的結(jié)構(gòu)形貌,采用冷凍真空升華干燥法進(jìn)行樣品制備,軟土的微觀結(jié)構(gòu)測(cè)試方法見文獻(xiàn)。2.3非線性數(shù)據(jù)處理國(guó)內(nèi)一些學(xué)者處理蠕變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)時(shí)通常根據(jù)線性的Boltzmann疊加原理,采用“坐標(biāo)平移法”,由于本試驗(yàn)用軟土具有非線性蠕變特性,采用線性方法處理非線性數(shù)據(jù)有失妥當(dāng),因此,在數(shù)據(jù)處理過程中采用的是陳宗基方法。陳宗基方法的優(yōu)勢(shì)在于通過采用適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)技術(shù)與方法,用作圖法建立真實(shí)變形過程的疊加關(guān)系,不論這種后效影響是線性的還是非線性的均可適用。3軟土的固結(jié)性能3.1下轉(zhuǎn)色法如圖1(a)所示,不排水條件下,試驗(yàn)完畢后試樣有不明顯的剪切帶,與水平面夾角為20°左右,同時(shí)下部存在不明顯的“腰鼓狀”。如圖1(b)所示,排水條件下,試樣為明顯的“腰鼓狀”破壞,但“腰鼓狀”存在于試樣上部,主要是因?yàn)樵嚇拥撞拷佑|排水管,由于隨著蠕變變形增大,滲透系數(shù)減小,試樣上部排水困難,上部的橫截面積大于下部。3.2不排水條件與固結(jié)壓力作用下試樣的流變特性圖2、3是軟土不同排水條件下蠕變?cè)囼?yàn)得到分級(jí)加載下的應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系曲線與應(yīng)變-時(shí)間全過程關(guān)系曲線。分析曲線具有以下特征:(1)蠕變變形與應(yīng)力水平有關(guān),應(yīng)力水平越高,蠕變變形越明顯。在應(yīng)力水平較低時(shí),主要是衰減蠕變階段,曲線形狀類似于直線,蠕變變形量非常小,幾乎可以忽略不計(jì);隨著剪應(yīng)力的逐漸增大,出現(xiàn)瞬時(shí)變形、非穩(wěn)定變形和穩(wěn)定變形,偏應(yīng)力水平越大,瞬時(shí)變形加大;當(dāng)剪應(yīng)力達(dá)到某一值時(shí),試樣發(fā)生剪切破壞。所不同的是,不排水條件下,試樣會(huì)產(chǎn)生急速破壞,在幾分鐘內(nèi)產(chǎn)生的破壞變形量甚至比低應(yīng)力水平作用下數(shù)天累計(jì)的變形量大很多;而在排水條件下,即使剪應(yīng)力很大的情況下也沒有產(chǎn)生急速破壞現(xiàn)象。(2)對(duì)比圖2(a)的曲線與圖3中曲線A可見,不排水條件下,固結(jié)壓力為50kPa時(shí),試驗(yàn)破壞需要4級(jí)剪應(yīng)力,最大剪應(yīng)力為86.8kPa,剪應(yīng)力為44.3kPa作用下試樣最大應(yīng)變值為6.77%;固結(jié)壓力為150kPa作用下,試驗(yàn)破壞需要7級(jí)剪應(yīng)力,最大剪應(yīng)力為103.6kPa,剪應(yīng)力為45.3kPa作用下試樣最大應(yīng)變值為2.47%。說明固結(jié)壓力越大,試樣破壞時(shí)需要的剪應(yīng)力越大,這種現(xiàn)象在排水條件下同樣存在(見圖2(b)與圖3曲線B)。也就是說固結(jié)壓力對(duì)蠕變性狀影響較大,施加固結(jié)壓力越大,試樣的固結(jié)效應(yīng)越明顯,蠕變特性越不明顯。因此,在實(shí)際工程中可采用加大夯實(shí)作用、實(shí)施堆載預(yù)壓等軟基處理方法,增大土體的固結(jié)程度,進(jìn)而弱化蠕變效應(yīng),提高建筑物的穩(wěn)定性。(3)軟土在排水條件下蠕變變形較小,不排水條件下蠕變隨時(shí)間的變化更為顯著。從圖3可見,在低偏應(yīng)力作用下,排水條件下的試樣應(yīng)變值要高于不排水條件下的值,隨著偏應(yīng)力的增大,排水條件下的應(yīng)變值則要低于不排水條件的值。例如都是在150kPa的固結(jié)壓力作用下,不排水條件下,試樣破壞需要7級(jí),破壞時(shí)需要的剪應(yīng)力值為103.6kPa;而排水條件下試樣破壞需要9級(jí),破壞時(shí)需要的剪應(yīng)力值為210.9kPa,且未出現(xiàn)急速破壞現(xiàn)象。這是由于隨著荷載級(jí)數(shù)的增加,試樣的變形主要轉(zhuǎn)為蠕變變形為主,在不排水條件下土體的屈服應(yīng)力較小,土體的黏塑性變形很快就表現(xiàn)出來,導(dǎo)致不排水條件下的試樣變形速率逐漸大于排水條件下試樣的變形速率。因此,在軟基處理過程中應(yīng)盡可能的提高地基的排水性能,可減小蠕變對(duì)建筑物帶來的危害。3.3固結(jié)階段的排水系統(tǒng)固結(jié)變形特征圖4為軟土在排水條件下蠕變的排水量-時(shí)間關(guān)系曲線。在每級(jí)剪應(yīng)力作用下,排水量在加載瞬間較大,隨著時(shí)間的增加,最后趨于穩(wěn)定。在整個(gè)蠕變過程中,隨著剪應(yīng)力的增大,排水量也是不斷增大的。表3為排水條件下軟土在固結(jié)與蠕變階段的排水量,可見蠕變階段的排水量是固結(jié)階段排水量的19.8%~25.4%,說明蠕變過程中由于排水引起的固結(jié)變形不容忽視。隨著固結(jié)變形的增大,土體的壓密程度增大,限制了軟土蠕變變形的發(fā)展。3.4偏應(yīng)力水平對(duì)孔壓的影響不排水條件下,以偏應(yīng)力水平q/qf為橫坐標(biāo),以每級(jí)偏應(yīng)力水平下的孔壓穩(wěn)定值進(jìn)行無量綱化u/qf為縱坐標(biāo),建立孔壓-偏應(yīng)力水平歸一化曲線,如圖5所示。在較低偏應(yīng)力水平下孔壓基本呈線性增加,當(dāng)偏應(yīng)力水平達(dá)到70%~80%之間,孔壓達(dá)到峰值,隨后孔壓出現(xiàn)下降趨勢(shì),且圍壓越大這種現(xiàn)象越明顯。這是因?yàn)橥翗釉趪鷫合卤粔好芎?偏應(yīng)力水平較高時(shí)出現(xiàn)了剪脹趨勢(shì),而土樣排水又被限制了,所以孔壓出現(xiàn)減小現(xiàn)象?？梢?固結(jié)蠕變?cè)囼?yàn)中試樣的孔壓變化不僅與剪應(yīng)力有關(guān),還與固結(jié)壓力大小相關(guān),說明蠕變受固結(jié)效應(yīng)的影響較大。3.5應(yīng)力水平對(duì)軟土流變性狀的影響圖6為蠕變的應(yīng)力-應(yīng)變等時(shí)曲線。如圖6(a)所示,不排水條件下,在應(yīng)力水平較低時(shí),等時(shí)關(guān)系曲線近似直線;而當(dāng)應(yīng)力水平較高時(shí),等時(shí)關(guān)系曲線開始出現(xiàn)轉(zhuǎn)折。在低應(yīng)力水平作用下,軟土蠕變性狀表現(xiàn)為線性黏彈性的特性;而當(dāng)應(yīng)力水平較高時(shí),軟土的蠕變性狀表現(xiàn)為非線性的特性,且應(yīng)力水平越高,非線性特征越顯著,剪切蠕變特征復(fù)雜。如圖6(b)所示,排水條件下,等時(shí)曲線沒有明顯的屈服特征,近似為直線,可認(rèn)為蠕變表現(xiàn)為線性特性。說明排水引起的固結(jié)效應(yīng)使具有非線性特性的蠕變效應(yīng)弱化了。4微觀結(jié)構(gòu)與固結(jié)變形特性分析黃石軟土的固結(jié)蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果表明,在不同的排水條件下,軟土的蠕變性狀表現(xiàn)有很大差別。這是因?yàn)樵诓慌潘畻l件下,主要引起土中剪應(yīng)力和有效應(yīng)力的改變,軟土的變形主要是蠕變產(chǎn)生,蠕變變形使孔隙水壓力增加,有效應(yīng)力逐漸接近破壞應(yīng)力,因此,不排水蠕變變形會(huì)使土體強(qiáng)度降低。而在排水條件下,土體因蠕變變形而產(chǎn)生正孔隙壓力,隨著時(shí)間的增長(zhǎng),產(chǎn)生固結(jié),并增加強(qiáng)度,軟土的變形是由蠕變和固結(jié)作用共同產(chǎn)生。為了進(jìn)一步了解軟土固結(jié)蠕變特性的根本機(jī)制,對(duì)比原狀樣與蠕變?cè)囼?yàn)后土樣的微觀結(jié)構(gòu),考慮蠕變過程中土中結(jié)合水的變化情況,對(duì)固結(jié)蠕變特性從微觀角度進(jìn)行解釋。圖7(a)、7(b)、7(c)分別為黃石軟土原狀樣以及不排水與排水條件下蠕變破壞后土樣的SEM照片?？梢?黃石軟土天然狀態(tài)下顆粒排列疏松,孔隙發(fā)育明顯,有直徑大于8μm的大孔隙存在,黏土礦物呈平行片狀和皺片狀。顆粒之間呈邊-邊、邊-面結(jié)合形式,構(gòu)成了片間孔隙,微觀結(jié)構(gòu)主要以骨架、絮凝狀結(jié)構(gòu)為主,也有團(tuán)粒結(jié)構(gòu)存在。蠕變破壞后,微觀結(jié)構(gòu)主要是團(tuán)聚結(jié)構(gòu),面-面為主的接觸形式,結(jié)構(gòu)趨于均一化,土樣密實(shí)程度增加,連接強(qiáng)度變大。大孔隙面積和數(shù)量減少,取而代之是小孔隙數(shù)量增多。相對(duì)不排水條件下,排水條件下蠕變破壞后土樣顆粒的排列呈現(xiàn)一定的方向性,孔隙數(shù)量多且孔隙體積略大。究其原因主要是排水條件下,形成的排水通道使土顆粒具有較好定向性、孔隙度大的特征。茲洛切夫斯卡婭對(duì)黏土礦物表面結(jié)合水的形成提出了一個(gè)新的組構(gòu),見圖8,土中花朵形狀圖例表示水化陽離子,箭頭方向表示水分子的定向。她建議將土中結(jié)合水分為吸附結(jié)合水和滲透吸收結(jié)合水。這種劃分方法更能反映結(jié)合水的形成機(jī)制。很多研究表明,軟土固結(jié)特性、蠕變特性與結(jié)合水在外力作用下的表現(xiàn)行為密切。目前,結(jié)合水含量的諸多量測(cè)方法都有不足之處。本文采用經(jīng)驗(yàn)方法對(duì)結(jié)合水含量進(jìn)行估算。土中最大吸附結(jié)合水含量(wg)略低于其塑限(wp),近似滿足wg=0.885wp,測(cè)得黃石軟土wg=20%。液限含水率是土中開始出自由水的界限含水率,從某種意義上講,液限含水率也是土中非自由水的含量,這時(shí)土中絕大部分為結(jié)合水所占據(jù)。黃石軟土試樣近其飽和含水率,天然含水率平均值為70.5%,液限平均值分別為67.7%。所以從含水率上看,自由水含量約為2.8%。這與文獻(xiàn)中得到的結(jié)論,軟土天然狀態(tài)下自由水含量一般小于10%是一致的。那么這些結(jié)合水在固結(jié)蠕變過程是如何變化的呢?對(duì)圖7所示的SEM的微觀孔隙做定量分析可知,黃石軟土的大(>10μm)、中孔隙(5~10μm)約占總孔隙數(shù)量的11%~18.8%,這些孔隙中富含部分自由水,固結(jié)階段在壓力所用下,自由水逐漸排出,并且速度較快。這可通過固結(jié)蠕變?cè)囼?yàn)過程中的排水情況觀察得到。如圖9所示的黃石軟土在固結(jié)階段孔壓、排水量與時(shí)間的關(guān)系曲線,A虛線對(duì)應(yīng)的時(shí)間約為50h,試樣排水量已經(jīng)達(dá)到20mL,這時(shí)試樣的含水率低于液限,此后孔隙中的含水類型主要為結(jié)合水,隨著時(shí)間的增長(zhǎng),排水體積減小,且排水時(shí)間越來越長(zhǎng),因此,排水量-時(shí)間曲線斜率減小。此外,從圖9還可知,孔壓變化與排水量關(guān)系密切,在50h后孔壓降低速率也變緩慢了,且孔壓一直未消散到0,說明仍有少量自由水存在,而此時(shí)試樣排水量遠(yuǎn)超出自由水含量,說明固結(jié)階段后期有大量滲透吸收結(jié)合水轉(zhuǎn)化為自由水排出,也就是說不只在蠕變階段存在著固結(jié)變形,在固結(jié)階段同樣也存在著蠕變變形,即土體的變形是固結(jié)-蠕變耦合效應(yīng)的結(jié)果。在蠕變階段,隨著時(shí)間的延長(zhǎng)和剪應(yīng)力的增大,土的微觀結(jié)構(gòu)開始大量破壞,表現(xiàn)為大孔隙數(shù)目減少,小孔隙增多(如圖7(b)、圖7(c)所示的黃石軟土蠕變破壞后的大、中孔隙約占總孔隙數(shù)量下降到1.7%~4.1%),微觀結(jié)構(gòu)變?yōu)槊?面接觸或邊-面接觸,土顆粒間距減小。這時(shí)軟土的變形受結(jié)合水在外力作用下的行為所控制,相對(duì)于自由水,結(jié)合水具有較強(qiáng)的黏滯性,使土體的變形具有蠕變特性。對(duì)于不排水條件,排水條件下蠕變階段仍會(huì)有滲透吸收結(jié)合水轉(zhuǎn)化為自由水的排出,這使結(jié)合水膜厚度變薄,土顆粒間連接力增強(qiáng),因此,在較大壓力下,相對(duì)于不排水條件下,排水條件下的變形要小些。5固結(jié)凝聚作用機(jī)理(1)排水條件對(duì)蠕變變形影響較大。不排水條件下蠕變特性表現(xiàn)更為顯著,具有明顯的非線性特性。在實(shí)際工程中,提高