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标题 基于k0固结条件的淤泥土排水蠕变特性试验研究
范文 王艳芳+周治刚+蔡燕燕



摘要：通过k0固结蠕变试验探讨饱和淤泥土在轴向加载和侧向减载条件下的蠕变特性。由试验数据知：排水条件下，两种应力路径的轴向蠕变规律基本一致，体积应变明显小于轴向应变，且随时间的延长呈现一定程度的剪缩与剪胀交替性。Merchant和Burgers蠕变模型对淤泥土都有较好拟合精度。二者的蠕变参数EK、ηK、ηM均呈现随应力水平的增大而减小的变化规律，EM随应力水平的变化则较为平稳，无明显增大或减小趋势，说明淤泥土的蠕变变形受黏弹模量影响较小，受土体黏滞系数及弹性模量影响较大。
关键词：淤泥土；k0固结；蠕变试验；Merchant模型；Burgers模型
中图分类号：TU435 文献标志碼：A 文章编号：1672-1683（2017）02-0139-06
Abstract：The creep characteristic of saturated silt soil was studied through k0 consolidation creep tests under the conditions of axial loading and lateral lightening.The following results were found.First，the axial creep patterns of the two stress paths were basically consistent under the drainage conditions.The volume strains were much smaller than the axial strains.The volume strains showed an alternation between shear shrinkage and shear dilatancy with the passage of time.The Merchant and Burgers creep models both had good fitting accuracy.The creep parameter EM showed no significant increasing or decreasing trend with the increase of deviatoric stress level，but the other creep parameters EK，ηK，ηM of the two creep models decreased with the increase of deviatoric stress level.These findings suggested that the creep strain of silt soil is mildly influenced by viscoelastic modulus，but largely influenced by the viscous coefficient and elastic modulus.
Key words：silt soil；k0 consolidation；creep test；Merchant model；Burgers model
近年来，随着软土工程的迅速发展，关于软黏土的蠕变特性研究取得了许多的成果[1-6]。目前对土体蠕变特性的试验研究多数基于常规的等向固结三轴试验进行，而没有考虑土体k0固结情况对其蠕变特性的影响。随着对天然状态k0固结土的研究不断深入，人们逐渐认识到各向异性对土体的蠕变性状有较大影响[7-9]。有些学者对k0固结软土的流变模型进行了探讨，但都仅考虑初始应力诱发各向异性的影响，而没有考虑土体剪切变形过程中各向异性的演化[10-12]。本文旨在通过三轴试验研究饱和土体在完成k0固结后且排水条件下的蠕变规律，并探讨在轴向加载条件下和侧向减载条件下土样的蠕变特性有何差异。
1 三轴蠕变试验
1.1 试验方案
本文淤泥土取自于天津港码头遮帘式板桩码头工程项目区域，土样的物理力学性质参数如表1所示。由于码头工程区域土体变形主要受到轴向压缩和侧向卸荷两种应力路径的作用[13]，故本文取一定数量的淤泥土进行饱和重塑土的轴向加载和侧向减载的三轴排水蠕变试验。试验之前先根据淤泥土的取样深度完成土体的先期k0固结条件。本文淤泥土样k0值取为0.45。
试验在改装后的应力控制式三轴仪上进行，试样直径为39.1 mm，高度为80 mm。试验过程共分三步骤，以轴向加载条件下围压50 kPa土样为例，第一步土样在50 kPa围压荷载下完成等向固结；第二步依据k0=0.45，缓慢增加轴压至111 kPa并完成k0固结；第三步为蠕变加载，每级荷载为缓慢增加轴压20～40 kPa不等，如第一级为轴压由111 kPa增至130 kPa后并保持轴压不变，测定该级荷载下，土样轴向变形及体积变形随时间的变化量，待轴向变形达到蠕变稳定标准后，进入下一级蠕变荷载。具体蠕变试验方案见表2。
由于目前为止，还没有关于蠕变试验的规范，对蠕变的稳定标准也没有统一的说法，一般认为在10 000 s内变形量小于0.01 mm，则认为已达到稳定[14]。如实际上观察土样在24 h内变形量小于0.01 mm，则可以进入下一级应力水平试验[15-17]。此次蠕变试验稳定标准为：每一级蠕变荷载施加的同时开始记录，当时间为0.25 min、1.25 min、4 min、9 min、16 min、25 min、36 min、49 min、64 min、100 min、150 min、200 min、260 min、350 min、470 min、650 min时记录百分表读数及体变管读数，接下来一天内进行2～4次读数。试样连续24 h内土样轴向变形小于0.025 mm时，认为蠕变变形已稳定，可以继续下一级荷载的施加或结束试验。
1.2 试验结果分析
1.2.1 剪切蠕变
根据实验结果，采用线性叠加原理将分级荷载下的应变-时间关系曲线转换为分别荷载下的蠕变曲线，并依据εS=εa-1/3εV求解出各级荷载作用下剪应变蠕变曲线[18]，见图1、图2。由于土体进行排水蠕变试验之前，先完成三轴k0固结试验，故土体在第一级蠕变之前就存在初始的剪应变和体积应变，且变形量随围压的增大而增加，土体先期k0固结变形值相较蠕变变形不可忽略，说明还原土体先期k0固结条件的必要性。
由图1、图2可看出，轴向加载和侧向减载条件下，二者剪切蠕变趋势基本一致，不管应力水平地高低，均为稳定衰减型，没有出现等速蠕变或加速蠕变。轴向加载条件下，土样破坏前蠕变分级的最大偏应力水平为0.83，而侧向减载条件下可达到更高偏应力水平，最大值可达0.96。从图1、图2的对比分析可知，在较低偏应力水平下，土体在分级加载时的瞬时变形值和蠕变变形值都不大，而较高偏应力水平下，土样分级加载时瞬时变形值和蠕变值均增大，且蠕变进入衰减状态需要时间也越长见图2（b），说明偏应力水平越高，蠕变变形越不易达到稳定。1.2.2 体积蠕变
不论是轴向加载条件还是侧向减载条件，体积变形的蠕变增量随偏应力水平的增加而增加，体积蠕变未出现加速蠕变，见图3、图4。体应变随围压的减小，表现出先剪缩后剪胀的交替趋势，且侧向减载条件下比轴向加载条件下土体更易剪胀，说明土体在低围压下易剪胀。
体积变形在加卸载初期变化并不大，进入蠕变阶段后保持一个相对稳定的蠕变速率，且这种稳定蠕变的速率很难减小，说明淤泥土的体变相较荷载的施加，存在滞后现象，且体积蠕变不像剪切蠕变，能较快进入衰减蠕变阶段，反而会保持相对较长的稳定蠕变阶段。本文由于時间原因，未制定体积蠕变稳定标准，试验荷载的分级加载以土体轴向变形速率作为稳定控制标准。故从体积蠕变曲线上看体积蠕变速率相较剪切蠕变速率较难达到蠕变稳定标准。若体积存在剪胀趋势，则体积蠕变变形更不易达到稳定。
2 蠕变模型
2.1 蠕变模型介绍
采用理论模型三单元的Merchant和四单元的Burgers模型进行淤泥土蠕变特性的模拟[19-20]（图5），Merchant模型由胡克弹簧和Kelvin体串联而成，其应力应变本构关系式为
对于Merchant模型，在应力σ，加载时间t和应变ε（t）均已知情况下，需要确定的参数为EM、EKηK，而对于burgers模型有参数EM、ηM、EK、ηK。
2.2 蠕变参数的反演
根据实验结果，采用线性叠加原理将分级荷载下的应变-时间关系曲线转换为分别荷载下的蠕变曲线，并根据式（2）和式（4），利用Levenberg-Marquart（麦夸特）迭代方法，寻求方程组最优解，反演得相关蠕变参数。列出淤泥土在σ3=100 kPa轴向加载条件下两种蠕变模型各参数的反演结果见表2。
从表2数据和图6计算曲线的拟合精度对比可看出，Merchant和Burgers模型对淤泥土有较好的适应性。单从相关系数R来评价拟合精度时，Burgers模型要比Merchant模型好。从图6可看出低应力水平时，S<0.8时，两个模型均能达到较好拟合效果，S>0.8时，Merchant模型蠕变速率过早减慢，而Burgers模型蠕变速率则随时间几乎稳定不变，不太符合土体的衰减蠕变特征。故二者在高应力水平时，拟合效果均存在不足。
2.3 蠕变参数分析
图7和图8描述了淤泥土Merchant和Burgers模型蠕变参数随应力水平的关系图。由图可知两个模型的蠕变参数参数EK、ηK、ηM均呈现随应力水平的增大而减小的变化规律，EM随应力水平的变化则较为平稳，无明显增大或减小趋势。说明淤泥土的蠕变变形受粘弹模量影响较小，受土体黏滞系数及弹性模量影响较大。这种影响效应随应力水平增大而减弱。
3 结论
关于淤泥土蠕变特性的研究成果较多，本文在还原土体先期固结条件基础上研究淤泥土的排水蠕变特性。将试验成果与已有的蠕变理论相结合做相关蠕变特性分析。由试验结果及相关分析可得以下结论。
（1）针对两种应力路径的排水蠕变试验，不论轴向加载还是侧向减载蠕变规律基本一致，即在应力水平较低时，蠕变变形很小，随着应力水平的提高，蠕变变形亦随之增加。
（2）土体体应变明显小于剪应变，且随时间增加呈现一定程度的剪缩与剪胀交替性。侧向减载条件下，土体更易发生剪胀。从体变随时间关系曲线可以看出，当没有发生剪胀时，体积变形较容易稳定，一旦发生剪胀现象，体应变较难稳定。
（3）低应力水平下，Merchant和Burgers蠕变模型对淤泥土都有较好拟合精度。蠕变参数EK、ηK、ηM均呈现随应力水平的增大而减小的变化规律，EM随应力水平的变化则较为平稳，无明显增大或减小趋势，说明淤泥土的蠕变变形受黏弹模量影响较小，受土体黏滞系数及弹性模量影响较大。
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更新时间：2024/12/22 18:12:56