雷華陽(yáng)，劉景錦，賈亞芳，李 肖

(1. 天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300072；2. 天津大學(xué)濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

濱海軟黏土蠕變特性的三軸試驗(yàn)

雷華陽(yáng)1,2，劉景錦1，賈亞芳1，李 肖1

(1. 天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300072；2. 天津大學(xué)濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

為探討天津?yàn)I海典型軟黏土的蠕變特性，利用英國(guó)GDS動(dòng)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)，開(kāi)展了考慮圍壓、加荷比以及排水條件等因素下的三軸蠕變?cè)囼?yàn)研究，得到了不同條件下濱海軟黏土的應(yīng)力-應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系曲線．試驗(yàn)結(jié)果表明：天津?yàn)I海軟黏土具有非線性蠕變特性，其蠕變變形演化特征受結(jié)構(gòu)性制約，低圍壓條件下，蠕變等時(shí)曲線近似為線性，無(wú)明顯的屈服特性；當(dāng)圍壓較大時(shí)，蠕變等時(shí)曲線呈現(xiàn)折線特性；排水條件下的蠕變等時(shí)關(guān)系曲線比不排水條件下的非線性程度明顯，排水條件下其體變性狀總體上表現(xiàn)為剪縮，蠕變變形速率和變形量均低于不排水條件；不排水條件下軟黏土的初始蠕變變形速率和變形量與圍壓和加荷比有關(guān)，相同偏應(yīng)力水平下，固結(jié)壓力越大，初始蠕變速率越大，達(dá)到穩(wěn)定蠕變階段的時(shí)間越短，蠕變變形量越??；初始固結(jié)壓力一致時(shí)，加荷比越大瞬時(shí)蠕變速率越大，破壞應(yīng)力值越?。?/p>

軟黏土；蠕變特性；三軸試驗(yàn)；非線性

隨著沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，大量工程不可避免地建于深厚軟土地層發(fā)育的沖積平原地區(qū)．軟土的流變特性對(duì)工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和變形有著至關(guān)重要的影響，成為工程建設(shè)中需要考慮的重要問(wèn)題之一．國(guó)內(nèi)外由于土體流變特性而產(chǎn)生的各類(lèi)工程問(wèn)題屢見(jiàn)不鮮．1995年，Shirlaw[1]在研究大量隧道長(zhǎng)期沉降實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)，正常情況下隧道的長(zhǎng)期沉降量占隧道最終沉降量的比例在30%～90%之間變化．Lee等[2]通過(guò)上海地鐵2號(hào)線的現(xiàn)場(chǎng)沉降監(jiān)測(cè)得出類(lèi)似的結(jié)論：隧道長(zhǎng)期沉降量占隧道最終沉降量的比例達(dá)到60%～90%．凌建明等[3]等通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，上海外環(huán)線北翟路口開(kāi)放兩年后的路面沉降達(dá)到9～10,cm．因此，研究軟土的蠕變特性對(duì)于合理解釋軟土工程的時(shí)效力學(xué)行為，掌握其應(yīng)力和變形規(guī)律，評(píng)價(jià)土體與工程結(jié)構(gòu)物的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和運(yùn)行安全等具有十分重要的意義．

關(guān)于軟黏土的蠕變特性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者均開(kāi)展了相關(guān)的理論和試驗(yàn)研究，如20世紀(jì)30年代Buisuman[4]根據(jù)大量試驗(yàn)資料首次提出采用經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)表征飽和黏土沉降與時(shí)間的關(guān)系．Taylor[5]認(rèn)為先期固結(jié)應(yīng)力隨時(shí)間的增長(zhǎng)具有等時(shí)性．Bjerrum[6]認(rèn)為固結(jié)和蠕變同時(shí)發(fā)生．沈杰等[7]采用分別加載方式，研究了濕軟土壤的蠕變特性，得出應(yīng)變速率和應(yīng)力以及時(shí)間呈線性的結(jié)論．王常明等[8]采用分級(jí)加載對(duì)上海、珠海、深圳等典型地區(qū)的海積軟土進(jìn)行蠕變?cè)囼?yàn)研究，得出海積軟土的一維固結(jié)蠕變的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系是非線性的、不可逆的、與時(shí)間有關(guān)的結(jié)論．周秋娟等[9]針對(duì)廣州南沙原狀軟土進(jìn)行了一系列試驗(yàn)，系統(tǒng)地探討了軟土的蠕變變形特性，認(rèn)為軟土的蠕變特性與初始固結(jié)度、土層排水條件、加荷比等因素有關(guān)．李軍霞等[10]分析了不同排水條件的軟土蠕變特性與微觀孔隙的變化規(guī)律．

總體上，關(guān)于濱海軟黏土的蠕變特性研究還處于探索階段，軟黏土的蠕變特性會(huì)受到結(jié)構(gòu)性強(qiáng)弱程度的控制，所以，無(wú)論是從試驗(yàn)手段還是影響因素考慮方面，均需要進(jìn)行深入探討和分析．筆者以天津?yàn)I海軟黏土為研究對(duì)象，開(kāi)展不同條件下軟黏土的蠕變特性研究，探討圍壓、加荷比以及排水條件等因素對(duì)其蠕變特性的影響，以求揭示濱海軟黏土的變形沉降規(guī)律．

1 試驗(yàn)土樣和方法

1.1 試驗(yàn)土樣

試驗(yàn)土樣取用典型濱海軟黏土，具有含水率較高、壓縮性較大、有較高靈敏性和較強(qiáng)結(jié)構(gòu)性的特點(diǎn)，取樣深度為6.5～8.5,m，基本的物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示．

表1 試驗(yàn)用土的基本物理力學(xué)指標(biāo)Tab.1 Main physical and mechanical parameters of test soil

1.2 試驗(yàn)設(shè)備與方法

試驗(yàn)儀器設(shè)備選用英國(guó)GDS動(dòng)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)，如圖1所示，它由計(jì)算機(jī)動(dòng)力控制部分、靜力控制部分、壓力室、數(shù)據(jù)采集和處理部分等組成．靜力加荷時(shí)土體側(cè)向受到水和氣的均勻作用，可以保證σ1= σ3，其中σ1為軸向應(yīng)力，通過(guò)軟件控制由壓力室的中軸向下移動(dòng)施加，σ3為圍壓．

圖1 英國(guó)GDS動(dòng)三軸試驗(yàn)儀Fig.1 British GDS dynamic triaxial tester

土樣高80,mm，直徑39.1,mm．試驗(yàn)過(guò)程中先對(duì)土樣進(jìn)行固結(jié)，待孔隙水壓力消散后開(kāi)始分級(jí)施加靜力荷載．每組試驗(yàn)歷時(shí)10,d左右，共歷時(shí)5個(gè)月．為了考慮加荷比(分級(jí)加載過(guò)程中每級(jí)加載荷重的增量比Δp/p，其中、圍壓以及排水條件對(duì)軟土蠕變特性的影響，特進(jìn)行3類(lèi)試驗(yàn)進(jìn)行比對(duì)分析．具體試驗(yàn)方案見(jiàn)表2．

表2 三軸蠕變?cè)囼?yàn)方案Tab.2 Test program for triaxial test of creep

2 蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果分析

2.1 偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變等時(shí)曲線特性

圖2為濱海軟黏土的蠕變等時(shí)關(guān)系曲線．一般情況下，原狀軟黏土的蠕變變形會(huì)表現(xiàn)出不同程度的非線性特性．從圖中可以看到有以下3個(gè)特點(diǎn)．

圖2 不同圍壓下偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變等時(shí)曲線Fig.2 Creep test q-ε curves under different confining pressures

(1) 不排水時(shí)，在低圍壓條件下，偏應(yīng)力小于屈服應(yīng)力時(shí)的偏應(yīng)力q-軸向應(yīng)變?chǔ)?等時(shí)關(guān)系曲線近似是一組平行的直線，無(wú)明顯的屈服特性，且隨時(shí)間增加，應(yīng)變量逐漸加大．隨著偏應(yīng)力的增大，不同時(shí)間下的應(yīng)變值較接近．

(2) 當(dāng)圍壓逐漸增大時(shí)，偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變等時(shí)關(guān)系曲線開(kāi)始出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，隨著偏應(yīng)力的增大，應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率逐漸降低．說(shuō)明偏應(yīng)力水平越高，非線性程度越高.

(3) 相同圍壓時(shí)，排水條件下的蠕變等時(shí)關(guān)系曲線比不排水條件下非線性程度高．如在圍壓100,kPa時(shí)，排水條件下的偏應(yīng)力-應(yīng)變等時(shí)關(guān)系曲線初始蠕變速率較低，當(dāng)偏應(yīng)力達(dá)到100,kPa時(shí)，曲線開(kāi)始出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，蠕變速率迅速增大．這說(shuō)明，在排水條件下，當(dāng)偏應(yīng)力大于屈服應(yīng)力時(shí)，土體蠕變量會(huì)迅速增加．同時(shí)可以看出，與不排水條件相比，排水條件下不同時(shí)刻各級(jí)荷載下蠕變量相差不大．

2.2 軸向應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系曲線特性

圖3為分級(jí)加載條件下圍壓50,kPa、100,kPa和150,kPa時(shí)的軸向應(yīng)變?chǔ)?時(shí)間t關(guān)系曲線．

圖3 分級(jí)加載下軸向應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系曲線Fig.3 Creep test ε-t curves under grading loading

從圖3可以看出以下3個(gè)特點(diǎn)．

(1) 各級(jí)偏應(yīng)力作用下，軸向應(yīng)變?chǔ)?時(shí)間t關(guān)系曲線規(guī)律相同，基本包括3個(gè)階段：加載初期的瞬時(shí)彈性應(yīng)變階段、衰減階段和黏滯流動(dòng)階段．

(2) 隨著圍壓的逐漸增大，加載初期產(chǎn)生的瞬時(shí)蠕變量增長(zhǎng)值增大，具體體現(xiàn)為：當(dāng)圍壓為50,kPa、q=30,kPa時(shí)，瞬時(shí)蠕變量增長(zhǎng)并不明顯，僅為0.1%；而圍壓為150,kPa、q=30,kPa時(shí)，瞬時(shí)蠕變量增長(zhǎng)值達(dá)到3.2%．

(3) 不同圍壓下，偏應(yīng)力相同時(shí)，應(yīng)變量增長(zhǎng)不同．如圍壓為50,kPa、q=40,kPa時(shí)，最終應(yīng)變量為5.4%；而圍壓為100,kPa、q=40,kPa時(shí)，最終應(yīng)變量?jī)H為4.4%．這說(shuō)明，相同偏應(yīng)力水平下，固結(jié)壓力越大，變形越?。?，在工程中，可以采用增加土體的固結(jié)程度的方法來(lái)減小蠕變帶來(lái)的危害，提高建(構(gòu))筑物的穩(wěn)定性．

2.3 體應(yīng)變特性分析

圖4為不同偏應(yīng)力水平下的體應(yīng)變?chǔ)舦-時(shí)間t關(guān)系曲線．可以看出：

(1) 各級(jí)偏應(yīng)力水平下，試驗(yàn)曲線呈衰減型，加載初期均首先產(chǎn)生一個(gè)較大體應(yīng)變，之后隨時(shí)間的發(fā)展，體應(yīng)變?cè)龃笏俾手饾u減小，試驗(yàn)關(guān)系曲線呈硬化型，且體應(yīng)變隨偏應(yīng)力等級(jí)增大而增大；

(2) 隨著偏應(yīng)力的增大，試樣體應(yīng)變逐漸增大，其體變性狀總體上呈現(xiàn)剪縮．

圖4 體應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系曲線Fig.4 Creep test εv-t curves

3 影響因素分析

3.1 圍壓對(duì)蠕變特性的影響

圖5為圍壓50,kPa、q=50,kPa，圍壓100,kPa、q=160,kPa，圍壓150,kPa、q=120,kPa 3種條件下的三軸蠕變速率曲線．可以看出：

(1) 土樣加載后分為瞬時(shí)變形階段、衰減蠕變和穩(wěn)定蠕變階段，穩(wěn)定蠕變階段蠕變速率很?。?/p>

(2) 隨著圍壓的逐漸增長(zhǎng)，初始的蠕變速率不斷降低，且達(dá)到穩(wěn)定蠕變階段的時(shí)間越短；因此，為減小蠕變?cè)诠こ讨袔?lái)的危害，可以采用增加土體固結(jié)程度的方法來(lái)縮短土體進(jìn)入穩(wěn)定蠕變階段的時(shí)間，同時(shí)減小穩(wěn)定蠕變階段的蠕變速率，提高建(構(gòu))筑物的穩(wěn)定性．

圖5 不同圍壓下蠕變速率隨時(shí)間變化曲線Fig.5 Creep rate-time curves under different confining pressures

3.2 加荷比對(duì)蠕變特性的影響

圖6、圖7分別為不同加荷比下分級(jí)加載蠕變?cè)囼?yàn)的應(yīng)變時(shí)間曲線和第2加載段的蠕變速率-時(shí)間關(guān)系曲線．可以看出有以下特點(diǎn)．

(1) 不同加荷比條件下，蠕變曲線發(fā)展趨勢(shì)一致．

(2) 初始加荷壓力一樣情況下，加荷比越大，其破壞的應(yīng)力就越小，加荷比大于1和加荷比等于1情況下，當(dāng)荷載達(dá)到240,kPa時(shí)，土樣發(fā)生破壞；而加荷比小于1時(shí)，荷載達(dá)到240,kPa時(shí)土體依舊穩(wěn)定變形．這主要是由于加荷比較小時(shí)，相同荷載作用下孔隙比較小，土體更密實(shí)，提高了土體的承載力．

(3) 在初始加荷壓力一致(均為30,kPa)的分級(jí)加載第2加載階段，即荷載分別為70,kPa、60,kPa和50,kPa時(shí)，瞬時(shí)蠕變速率分別為7.5×10-4,s-1、2.4× 10-4,s-1和6,×10-5,s-1，說(shuō)明加載增量越大，瞬時(shí)蠕變速率就越大，蠕變趨于穩(wěn)定需要的時(shí)間越短．

圖6 不同加荷比下分級(jí)加載蠕變?cè)囼?yàn)的應(yīng)變時(shí)間曲線Fig.6 Grading loading creep test ε-t curves under different loading ratios

圖7 不同加荷比下第2加載段蠕變速率-時(shí)間關(guān)系曲線Fig.7 Second part creep rate-time curves under different loading ratios

圖8 不同排水條件下應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系曲線Fig.8 ε-t curves under different drainage conditions

3.3 排水條件對(duì)蠕變特性的影響

蠕變變形可以在排水與不排水兩種情況下進(jìn)行，試驗(yàn)通過(guò)動(dòng)三軸儀器控制蠕變過(guò)程的排水要求，進(jìn)行了一組在圍壓100,kPa、偏應(yīng)力加載步驟均相同的條件下探討排水條件對(duì)軟土蠕變影響的對(duì)比試驗(yàn)，圖8為試驗(yàn)得到的應(yīng)變-時(shí)間曲線，可以看出：在初始偏應(yīng)力下，排水時(shí)的應(yīng)變比不排水的應(yīng)變要大；而在高偏應(yīng)力下，如在120,kPa下，排水時(shí)應(yīng)變?yōu)?0%左右，而不排水時(shí)應(yīng)變?yōu)?3%左右，即施加相同荷載，不排水條件下比排水條件下的應(yīng)變量要大．這是由于排水條件下土樣變形為固結(jié)變形和蠕變變形，在不同偏應(yīng)力作用下，隨著土中孔隙水被排出以及土骨架被壓密，土樣壓縮變形量大，固結(jié)后變得比較密實(shí)，蠕變變形減弱，而不排水條件下的軟土土樣不存在固結(jié)排水過(guò)程，蠕變變形較大．

4 結(jié) 論

(1) 天津?yàn)I海軟黏土具有非線性的蠕變特性，其蠕變變形演化特征受結(jié)構(gòu)性制約，低圍壓條件下，蠕變等時(shí)曲線近似是一組平行的直線，無(wú)明顯的屈服特性．當(dāng)圍壓較大時(shí)，蠕變等時(shí)曲線開(kāi)始出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，偏應(yīng)力水平越高，非線性程度越高；相同偏應(yīng)力水平下，固結(jié)壓力越大，最終蠕變變形量越?。こ讨锌梢圆捎迷黾油馏w的固結(jié)程度的方法以減小蠕變帶來(lái)的危害，提高建(構(gòu))筑物的穩(wěn)定性．

(2) 軟黏土蠕變特性受排水條件影響，具體表現(xiàn)為相同圍壓時(shí)，排水條件下的蠕變等時(shí)曲線比不排水條件下非線性程度明顯，排水條件下其體變性狀總體上表現(xiàn)為剪縮，蠕變變形速率和變形量均低于不排水條件．

(3) 三軸蠕變?cè)囼?yàn)曲線有兩種類(lèi)型：衰減穩(wěn)定型和破壞型．衰減穩(wěn)定型三軸蠕變曲線發(fā)展呈雙曲線型，受不同圍壓和加荷比的影響，軟黏土的初始蠕變變形速率和變形量表現(xiàn)出不同的特性．具體表現(xiàn)為：相同偏應(yīng)力水平下，圍壓越大，初始蠕變速率越大，達(dá)到穩(wěn)定蠕變階段的時(shí)間越短，蠕變變形量越?。怀跏脊探Y(jié)壓力一致，加荷比越大，其破壞的應(yīng)力值越小，瞬時(shí)蠕變速率越大，趨于穩(wěn)定需要的時(shí)間越短．

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Triaxial Test on Creep Properties of in Coastal Soft Clay

Lei Huayang1,2，Liu Jingjin1，Jia Yafang1，Li Xiao1
(1. School of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. Key Laboratory of Coast Civil Structure Safety of the Ministry of Education，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

Triaxial creep tests considering different confining pressures, loading ratios and drainage conditions are done by the British GDS dynamic triaxial tester, the stress-strain-time curves of coastal soft clay under different conditions are obtained, and the creep properties of typical Tianjin coastal soft clay are explored. The research indicates that typical Tianjin coastal soft clay has the nonlinear creep properties, and that the creep deformation properties are restricted by structural characteristics. Under low confining pressure, the creep curves are approximately linear with no significant yield characteristics, while the creep curves have the broken line features under high confining pressure. The creep curves under drained condition have a more obvious degree of nonlinearity than those under undrained condition, the volume properties under drained condition are of shear reduction, and both creep deformation and rate are lower than those under undrained condition. The initial creep deformation rate and deformation of soft clay under undrained condition are related to confining pressure and loading ratio, and under the same deviatoric stress level, the bigger the consolidation pressure and the higher the creep rate are, the shorter the time to reach steady creep stage and the smaller the soil deformation will be. Under the same initial consolidation pressure, a higher loading ratio leads to a bigger instantaneous creep rate and a smaller destruction pressure.

soft clay；creep properties；triaxial test；nonlinear

TU443

A

0493-2137(2013)05-0387-06

DOI 10.11784/tdxb20130502

2012-03-21；

2012-06-20.

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2010CB732106)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51078262)；同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金資助項(xiàng)目(KLE-TJGE-B1101).

雷華陽(yáng)（1974— ），女，博士，教授．

雷華陽(yáng)，leihuayang74@yahoo.com.cn．