張莎莎，謝永利，劉保健

(長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院，陜西 西安710064)

0 引言

隨著城鎮(zhèn)建設(shè)事業(yè)及交通行業(yè)的迅猛發(fā)展，工程用地已是寸土寸金，如何合理治理飽和土的工程病害早已成為工程治理中的重要課題之一.目前，離心模型試驗(yàn)技術(shù)是各類土工物理模型試驗(yàn)中相似性能最好的試驗(yàn)方法［1-3］，且已探索出了很多有益的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)［4］.然而，大量離心模型試驗(yàn)過(guò)程中，由于試驗(yàn)條件限制，通常認(rèn)為其進(jìn)行的都是一維單面排水固結(jié)試驗(yàn)［5］，對(duì)于在有側(cè)限情況下的二維固結(jié)排水模擬試驗(yàn)基本未見(jiàn)到相關(guān)的報(bào)道.

實(shí)際工程中，地基的側(cè)向排水會(huì)加速超靜水壓力的消散，對(duì)其固結(jié)沉降速率有較大影響.為了探索更接近于實(shí)際工況的土體固結(jié)特性及其在二維排水條件下飽和土的離心模型試驗(yàn)特點(diǎn)，研究飽和土樣在離心力場(chǎng)下的適用條件，筆者針對(duì)典型區(qū)域飽和土樣海相土、湖相土及河相土分別進(jìn)行了在離心力場(chǎng)條件下的適用性條件分析，為今后采用離心模型試驗(yàn)研究土體的二維固結(jié)特性進(jìn)行探索性研究.

1 典型區(qū)域土樣的基本工程性質(zhì)

為了使試驗(yàn)結(jié)果更具有代表性，所取試樣分別為寧波海相土、洞庭湖地區(qū)湖相土及渭河二級(jí)階地濕軟黃土，對(duì)試驗(yàn)土樣進(jìn)行了基本工程性質(zhì)的測(cè)試，所測(cè)項(xiàng)目均做了3組平行試驗(yàn).土樣的基本工程性質(zhì)列于表1.

表1 土樣的基本工程性質(zhì)Tab.1 Physico-mechanical properties of soil samples

2 離心模型試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

目前，研究土體固結(jié)壓縮特性最基本的方法是室內(nèi)側(cè)限固結(jié)壓縮試驗(yàn)，為了與常規(guī)固結(jié)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)離心機(jī)所配備的模型箱進(jìn)行了加工改裝.由于常規(guī)固結(jié)試驗(yàn)的容器是圓柱形，本次試驗(yàn)亦給模型箱中加工相似形狀的有機(jī)玻璃筒［6］，其徑高比以標(biāo)準(zhǔn)常規(guī)固結(jié)試驗(yàn)環(huán)刀的徑高比為依據(jù)和參考，并依據(jù)離心試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖涞拈L(zhǎng)寬高(700 mm×360 mm×500 mm)的限制來(lái)確定.試筒裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示.試筒裝置與離心機(jī)自配模型箱之間的連接支架如圖2所示.

有機(jī)玻璃試筒底部有排水通道，雙面排水試驗(yàn)時(shí)，可以取出有機(jī)玻璃底板;單面排水試驗(yàn)時(shí)，可以將有機(jī)玻璃底板放入筒內(nèi)，并密封.設(shè)計(jì)兩種試筒，一種試筒側(cè)面為實(shí)體有機(jī)玻璃，一種試筒側(cè)面的有機(jī)玻璃均勻密布排水小孔.

在使用有機(jī)玻璃試筒來(lái)模擬土體固結(jié)試驗(yàn)過(guò)程時(shí)，由于水自身重力的原因，土體上表面、底面和側(cè)向固結(jié)排出的水可以直接排到外圍的模型箱中，對(duì)固結(jié)試驗(yàn)過(guò)程的干擾減小.為使試筒在離心機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中不產(chǎn)生側(cè)面變形，隨即也設(shè)計(jì)了有機(jī)玻璃試筒的卡箍裝置及其在模型箱中的固定裝置(圖2).固定試筒裝置的支架三面有定位螺絲，可有效調(diào)節(jié)鋼支架在離心機(jī)自配模型箱中的位置.在鋼支架中心安置試筒的四周也有4個(gè)定位螺絲，可直接幫助調(diào)節(jié)試筒處于模型箱的中心.安裝測(cè)量?jī)x器的支架為航空鋁合金材質(zhì)，在安裝時(shí)選擇了小跨度，試驗(yàn)證實(shí)在100 g的情況下其變形撓度非常微小可以忽略不計(jì).

試驗(yàn)采用的離心機(jī)型號(hào)是TLJ-3型土工離心機(jī)，其有效半徑為2.0 mg.土體固結(jié)沉降變形測(cè)量?jī)x器為ILD1300-100型非接觸式激光位移傳感器，該傳感器可直接對(duì)土樣沉降變形進(jìn)行測(cè)量，對(duì)土樣無(wú)干擾.土壓傳感器和孔隙水壓力傳感器均為微型傳感器，它們的型號(hào)分別為BW-0.6型和BWL-0.4型.

2.2 試驗(yàn)方案

為了減少其他因素的干擾，試驗(yàn)?zāi)Ｐ屯翗硬捎镁|(zhì)土體.因此，對(duì)土樣進(jìn)行了晾曬、過(guò)2 mm篩、浸水飽和的處理.浸水飽和時(shí)間不少于10 d，經(jīng)檢測(cè)土樣的飽和度基本達(dá)到99%以上.

模擬二維固結(jié)排水的離心模型試驗(yàn)圓柱筒的周邊及底層布設(shè)了濾紙，以使在試驗(yàn)過(guò)程中只有水被排出試筒外.模型試驗(yàn)安排如表2所示.

為了與二維固結(jié)試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析，亦做了兩組一維單面排水固結(jié)離心模型試驗(yàn)，方案見(jiàn)表3.

在試驗(yàn)過(guò)程中，部分試驗(yàn)加測(cè)了土壓力及孔隙水壓力，為了避免埋設(shè)于土中的傳感器對(duì)土體的固結(jié)變形過(guò)程產(chǎn)生影響，在該種情況下的固結(jié)試驗(yàn)結(jié)束后，再做相應(yīng)的只架設(shè)非接觸式激光位移傳感器來(lái)測(cè)試土體的變形.

表2 飽和土樣二維固結(jié)離心模型試驗(yàn)Tab.2 Schemes of centrifugal modeling tests for two-dimensional consolidation

表3 飽和土樣一維固結(jié)離心模型試驗(yàn)Tab.3 Schemes of centrifugal modeling tests for one-dimensional consolidation

2.3 離心模型試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.3.1 固結(jié)沉降與時(shí)間的關(guān)系

在離心模型試驗(yàn)過(guò)程中，由于飽和軟土的完全固結(jié)是個(gè)緩慢的過(guò)程［7］，為了節(jié)約試驗(yàn)時(shí)間，通過(guò)對(duì)測(cè)試儀器傳輸?shù)诫娔X中的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，然后通過(guò)數(shù)據(jù)模擬軟件OriginPro7.5來(lái)對(duì)試驗(yàn)時(shí)間進(jìn)行控制［7-8］，在固結(jié)沉降量基本超過(guò)70%的總沉降量時(shí)，試驗(yàn)停止.二維離心模型試驗(yàn)過(guò)程中，各土樣固結(jié)沉降和試驗(yàn)時(shí)間的關(guān)系曲線如圖3～6所示.

從圖3～5可知，3種類型飽和土的沉降量隨時(shí)間變化的規(guī)律基本相似.由于寧波飽和黏土的固結(jié)系數(shù)較小，其固結(jié)沉降主要分為斜率較陡的線性快速固結(jié)和斜率較緩的線性緩慢固結(jié)兩個(gè)主要固結(jié)階段，其中緩慢固結(jié)沉降量所占總沉降量的比例是比較大的，基本大于65%.洞庭湖地區(qū)飽和湖相土的固結(jié)系數(shù)相對(duì)較大，固結(jié)沉降隨時(shí)間變化主要可以分為線性快速固結(jié)和緩慢固結(jié)，其線性快速固結(jié)階段所完成的沉降量基本占到總沉降量的70%以上.飽和黃土快速固結(jié)和緩慢固結(jié)之間的銜接非常緩和，線性增長(zhǎng)并不明顯，整個(gè)固結(jié)階段呈現(xiàn)曲線型增長(zhǎng).

從圖3、圖5可知，當(dāng)初始孔隙比不一樣時(shí)，同種類型飽和土的前期固結(jié)階段沉降量隨時(shí)間變化的趨勢(shì)是基本重合的，沉降量增長(zhǎng)速率基本一致.進(jìn)入緩慢固結(jié)階段以后，初始孔隙比較大的飽和土沉降量增長(zhǎng)速率逐漸增大，與初始孔隙比較小的沉降量增長(zhǎng)趨勢(shì)分離.

為了與飽和土的離心模型二維固結(jié)試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析，同時(shí)進(jìn)行了離心模型一維固結(jié)試驗(yàn).試驗(yàn)過(guò)程中，固結(jié)沉降量與時(shí)間的關(guān)系曲線如圖6所示.

從圖3、圖5和圖6中可以看出，離心模型一維固結(jié)沉降速率明顯小于二維固結(jié)沉降速率.兩種土的離心模型一維固結(jié)沉降量隨時(shí)間變化規(guī)律基本是相似的，分為線性快速固結(jié)和曲線形緩慢固結(jié)兩個(gè)主要階段.兩種土的一維固結(jié)試驗(yàn)中，曲線形緩慢固結(jié)沉降量占總沉降量的比例都很大.

利用模擬軟件OriginPro7.5對(duì)試驗(yàn)所得固結(jié)沉降量隨時(shí)間的變化曲線進(jìn)行指數(shù)關(guān)系擬合，可以得到式(1)，其中擬合參數(shù)如表4所示.

式中：S為土體的沉降量;S∞為土體最終沉降量;t為試驗(yàn)時(shí)間;Ai和Bi為試驗(yàn)常數(shù)，與試驗(yàn)條件和土性有關(guān).

表4 二維固結(jié)擬和參數(shù)Tab.4 Fitting parameters

由于擬合曲線R2≥0.99，即式(1)對(duì)曲線可進(jìn)行合理預(yù)測(cè).對(duì)應(yīng)的實(shí)際結(jié)果應(yīng)乘以相應(yīng)的n.

2.3.2 離心模型試驗(yàn)中土體的固結(jié)特性

為了研究離心模型二維固結(jié)試驗(yàn)過(guò)程中土體的固結(jié)特性隨時(shí)間的變化規(guī)律，對(duì)土體的土壓、孔壓和試驗(yàn)結(jié)束后的含水率進(jìn)行了測(cè)定，土壓及孔隙水壓力傳感器設(shè)于土柱體底部，結(jié)果如圖7～9所示.

從圖7的土壓傳感器測(cè)量值隨離心時(shí)間的變化曲線中可以看出，兩種土壓力傳感器的測(cè)量值都是隨著離心時(shí)間的增大，先增大再減小而后趨于穩(wěn)定.在試驗(yàn)初期離心加速度的增大過(guò)程即是土層厚度的增大過(guò)程，這一過(guò)程中土壓力測(cè)量值就會(huì)隨著土層厚度的增加而增大;加速度穩(wěn)定以后，土層厚度不再增大，土體固結(jié)沉降變得明顯，此時(shí)孔隙水壓力的消散過(guò)程亦呈現(xiàn)比較明顯的態(tài)勢(shì)，很多水都被排出在試筒之外，土加水的總量減小，從而導(dǎo)致整個(gè)土體的壓力減小，但是隨著土體固結(jié)的逐漸穩(wěn)定，水的消散量也減小，土壓傳感器的測(cè)量值趨于穩(wěn)定.位于土體底部中心區(qū)域的土壓測(cè)量值稍低于周圍的土壓測(cè)量值，可以看出離心模型試驗(yàn)過(guò)程中離心加速度分布并不完全均勻的特性.

從圖8可以看出，孔隙水壓力隨著離心加速度的增大也有一定的起伏變化.但是，隨著離心加速度穩(wěn)定后，孔隙水壓力傳感器的測(cè)量值就開(kāi)始迅速減小.孔壓測(cè)量值(側(cè))在減小的過(guò)程中稍有起伏，但是隨著時(shí)間的推移孔壓傳感器的測(cè)量值逐漸趨于零.孔壓測(cè)量(中)值則是隨著離心時(shí)間的增大而迅速減小，甚至出現(xiàn)負(fù)孔壓，而后有趨向“零”孔壓的趨勢(shì)，即回到初始測(cè)量值.產(chǎn)生負(fù)孔壓主要是因?yàn)樵陔x心力作用下，由于是二維排水固結(jié)，在某些局部區(qū)域的土體還未來(lái)得及變形，但是水早已排出，因此產(chǎn)生了局部意義上的真空，孔壓隨即出現(xiàn)負(fù)值，但從長(zhǎng)期來(lái)看，孔壓有慢慢恢復(fù)到“零”的趨勢(shì)，即初始值.

圖9 含水率在土柱體的分布Fig.9 Profiles of water content

圖9為離心試驗(yàn)結(jié)束后土柱體中含水率的分布曲線.從圖中可以看出，兩種土柱體中，底層含水率都較小，頂層含水率較大，土柱體中部的含水率隨著土體的滲透系數(shù)不同呈現(xiàn)一定的差異.滲透系數(shù)較小(即固結(jié)系數(shù)較小)的海相土含水率分布更接近于理論.

3 結(jié)論

(1)固結(jié)系數(shù)較小的寧波飽和黏土，其離心模型二維固結(jié)沉降主要分為斜率較陡的線性快速固結(jié)和斜率較緩的線性緩慢固結(jié)兩個(gè)主要固結(jié)階段，其中緩慢固結(jié)沉降量所占總沉降量的比例較大，基本大于65%.

(2)固結(jié)系數(shù)相對(duì)較大的洞庭湖地區(qū)飽和湖相土的離心模型二維固結(jié)沉降隨時(shí)間變化主要可以分為線性快速固結(jié)和緩慢固結(jié)，其線性快速固結(jié)階段所完成的沉降量基本占到總沉降量的70%以上.

(3)飽和黃土離心模型二維固結(jié)試驗(yàn)中的快速固結(jié)和緩慢固結(jié)之間銜接非常緩和，線性增長(zhǎng)并不明顯，整個(gè)固結(jié)階段呈現(xiàn)曲線型增長(zhǎng).

(4)在離心模型試驗(yàn)中，初始孔隙比不同的同種類型飽和土，其前期二維固結(jié)階段沉降量隨時(shí)間變化的趨勢(shì)是基本重合的，沉降量增長(zhǎng)速率基本一致.進(jìn)入緩慢固結(jié)階段以后，初始孔隙比較大的飽和土沉降量增長(zhǎng)速率逐漸增大，與初始孔隙比較小的沉降量增長(zhǎng)趨勢(shì)分離.

(5)在離心模型試驗(yàn)中，土柱體的二維固結(jié)特性與理論基本相似，固結(jié)系數(shù)較小的寧波海相土試驗(yàn)結(jié)果更接近于理論，離心模型試驗(yàn)具有飽和土樣二維固結(jié)模擬的基礎(chǔ)。

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