考虑结构性与排水条件的吹填软土的流变特性.pdf

第 4 1 卷 第 2期 2 0 1 3 年 4月 煤 田地质 与勘探 CoA LGE 01 0GY& E XP I ．0R觚0 N VO1 ． 41 NO． 2 Ap r ． 2 01 3 文 章编号 ： 1 0 0 1 — 1 9 8 6 ( 2 0 1 3 ) 0 2 ． 0 0 5 4 ． 0 6 考虑结构性与排水条件的吹填 软土的流变特性 杨 爱武 一，郭 飞 ，杜 东菊 ( 1 ．天津市软土工程特性与工程环境重点实验室，天津 3 0 0 3 8 4 ； 2 ．中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室，湖北 武汉 4 3 0 0 7 1 ) 摘要：软土普遍具有结构性与流变特性。以天津滨海新 区吹填场地有一定结构性的吹填软土为研 究对象，通过三轴流变试验仪 ，开展 了排 水条件以及结构性对其流变特性影响的研 究。试验结果 表明，排水条件对流变有 明显影响。不排水时，流变变形大；排水时，虽然总变形量大，但 固结 变形 占较大比例，流变变形比例小，实际工程实践中可通过增加土体的排水条件减少流变的影响。 结构性对土体流变的影响主要体现在所受外部荷载与结构屈服应力大小之 间的关系。当外荷载小 于结构屈服应力时，流变变形小；当外荷载大于结构屈服应力时，伴随着土结构的破坏，流变变 形明显增大，但还是小于同条件下无结构性的重塑土。 关键词：吹填软土；结构性；排水条件；流变特性 中图分类 号 ：T U4 ； P 6 4 2 文 献标识码 ：A DO I ： 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 ． 1 9 8 6 ． 2 0 1 3 ． 0 2 ． 0 1 3 Rhe o l o g i c a l c ha r a c t e r i s t i c s c o ns i de r i n g s t r uc t ur e a nd d r a i na g e c o ndi t i o n o ft h e s o f t dr e dg e r fil l Y ANG Ai w u I 1 ． G U0 F e i ． D U Do n g j u ( 1 ． K e yL a b o r a t o r y o f S o f t S o i l E n g i n e e r i n g C h a r a c t e r a n d E n g i n e e r i n gE n v i r o n me n t o fT i a n j i n ， T i a n j i n 3 0 0 3 8 4 ， C h i n a ； 2 ． S t a t e Ke y L a b o r a t o ry o fG e o me c h a n i c s a n d G e o t e c h n i c a l E n g i n e e r i n g ， I n s t i t u t e o f R o c k a n d S o i l Me c h a n i c s ， C h i n e s e A c a d e m y o f S c i e n c e s ， W u h a n 4 3 0 0 7 1 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： S o ft s o i l h a s s t r u c t u r a l a n d r h e o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c s u s u a l l y ． Th r o ug h t h r e e t r i a x i a l r h e o l o g i c a l t e s t ， t h e p a p e r s t u d i e d t h e r h e o l o g i c a l p r o p e r t i e s e f f e c t e d b y d r a i n a g e c o n d i t i o n s a n d s t r u c t u r e o n t h e b a s i s o f s t r u c t u r a l s o f t d r e d g e r f i l l i n T i a n j i n B i n h a i n e w a r e a ． T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e d r a i n a g e c o n d i t i o n s d o h a v e a n o b v i o u s e f f e c t o n r h e o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c s ． Un d e r c o n d i t i o n s wi t h o u t d r a i n a g e ， r h e o l o g i c a l d e f o r m a t i o n i s o b v i o u s ；o n t he c o n — t r a r y ， a l t h o u g h t h e t o t a l a mo u n t o f d e f o r ma t i o n i s h u g e ， r h e o l o g i c a l d e f o r m a t i o n h a s a s m a l l p r o po r t i o n ，S O we c a n r e d u c e t h e r h e o l o g i c a l e f f e c t b y i mp r o v i n g t h e d r a i n a g e c o n d i t i o n s o f s o i l i n e n g i n e e r i n g p r a c t i c e ． Ef f e c t o f s t ru c — t u r e o n r h e o l o g y m a i n l y r e fle c t e d t h e r e l a t i o n s h i p b e t we e n t h e e x t e r n a l l o a d a n d t he s t ru c t u r e y i e l d s t r e s s ． W h e n t h e e x t e r n a l l o a d i s l e s s t h a n t h e y i e l d s t r e s s ， t h e r h e o l o g i c a l d e f o r ma t i o n i s s ma l l ； o n t h e c o n t r a r y s i t u a t i o n ， r h e o l o g i c a l d e f o r ma t i o n wi l l i n c r e a s e s i g n i fi c a n t l y a c c o mp a n i e d b y t h e d a m a g e o f s o i l s t r u c t u r e ， b u t i t i s s t i l l s ma l l e r t h a n u n — s t r u c t u r e d r e m o d e l i n g s o i l u n d e r t h e s a me c o n d i t i o n s ． Ke y wo r ds ： s o f t d r e d g e r fi l l ； s t r u c t u r e ； d r a i n a g e c o n d i t i o n； r h e o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c s 土是一种三相体系介质 ， 其粘滞性已是一致公认 的基本特性 ，而软粘土表现得尤为明显⋯。国内外许 多学者对其流变特性做 了大量卓有成效的工作 。如 S i n g h等 、 ME S R I G [ 引 、 王常明等 训、 陈晓平等 - 引、 雷华 阳【 、殷宗泽等【 引、于新豹 引、张芳枝【 们 、章定 文⋯ 、师旭超 、 陈晓平 1 、 高彦斌 训 、顾中 、 周秋娟 刚、刘汉龙等㈣ 、冯志刚等 】 、刘汉龙等 ] 都对土体流变特性进行了深入研究。 但以上研究主要 基于 自然沉积 的土体，对人工吹填的软土研究不够。 另外， 对于土体流变特性 ， 虽有学者开展 了排水条件 影响的研究 ， 但对于结构性影响则未有文献报到。本 文 以天津滨海新区经过真空预压处理 的有一定结构 强度的吹填软土为研究对象 ， 同时考虑结构性与排水 条件的影响， 研究其流变特性 ， 具有理论与实践价值。 1 吹填软土基本性质 试验样品为原状样及其相应的重塑样 ， 取 白天津 滨海新区临港工业区经过真空预压处理的吹填场地 ， 其物理力学性质如表 1 ，一维压缩曲线见图 1 ，三轴 压 缩见 图 2 。 收稿 日期 ：2 0 1 2 - 0 1 ． 0 3 基金项目：天津市科技发展计划项 目( 0 6 Y F S Z S F 0 4 0 0 0 ) ；国家 自然科学基金项 目( 5 1 1 7 9 1 8 6 ) 作者简介：} ~( 1 9 7 1 --) ，男 ，安徽桐城人 ，博士后 ，教授 ，从事软土地基处理及土体微观结构研究 第 2期 杨爱武等：考虑结构性与排水条件 的吹填软土的流 变特性 5 5 图 1 一维压缩曲线图 Fi g． 1 One - d i me ns i on a l c o mp r e s s i on c ur ve 4 0 35 3 O 25 2 0 l 5 l 0 O 一 生 ＼ 应变 ／ ％ ( a ) 试验过程不排水 0 5 l O 1 5 应变／ ％ ( b ) 试 验过程 排水 图 2 三轴压缩压缩曲线图 Fi g． 2 Th r e e - di me ns i o na l c ompr e s s i o n c u r ve 由表 1 可以看出， 天津滨海新区经过真空预压处 理的吹填软土为高含水量高塑性指数软土 。由图 1 可以看 出一维压缩 曲线原状土与重塑土形状区别 明 显 ，重塑土近乎直线 ， 而原状土为曲线 ， 可 以用折线 来拟合 ， 即曲线存在转折点， 此点即为压缩结构屈服 应力 。由图 2三轴压缩曲线知 ， 原状土峰值强度明显 高于重塑土 ， 原因也是结构性作用的结果。对于三轴 压缩试验 ， 其结构屈服应力为三轴压缩应力应变曲线 上台坎处对应 的应力， 对于不明显出现台坎时 ， 本文 按文献[ 2 0 ] 方法 ，将曲线变换为线性表示法 ，当变换 后拟合为一条直线时 ， 不出现结构屈服应力 ， 拟合为 两条直线时 ， 其交点应为结构屈服点。 在此特别注意 ， 重塑土也可能会出现拟合为两条直线的情况， 但此时 应为重塑土作为材料本身所具有的屈服应力 ， 此值小 于原状土，差值为三轴压缩结构强度的大小。3种围 压下结构屈服应力差别不大 ，在 8 ～ 1 0 k P a 之间。另 外 ， 排水条件下的峰值强度明显高于相应条件下的不 排水条件下的峰值强度 ， 说明排水条件也影响土体的 强度。 不同的试验条件下所得到的峰值强度为相应的 流变试验破坏控制值。总之 ， 排水条件以及结构性对 土体工程性质有明显影响。 2 流变试验方案 流变受到多种因素的影响 ， 有 内因素和外因素之 分。内因素主要为物质成分， 对于结构性土， 结构性影 响也是内因之一。外因素如排水条件、围压、应力水 平等。 目前天津滨海新区吹填场地最大深度在 1 0 1T I 左 右 ， 为了使研究的成果更符合现场工程实际 ， 所采用 的最大围压为 1 0 0 k P a 。为了研究排水条件对流变的 影响 ， 本文开展了不固结不排水流变试验以及不固结 排水 流变试 验 。对于 结构性 对流 变特性 的影 响 ， 本 文 在对试样进行原状土流变试验的同时 ， 还对同一土样 的相应重塑土进行了流变平行试验。 试验仪器采用 T S S 1 0 土体三轴流变试验仪 ，具体试验方案见表 2 及表 3 。 表 2 不固结不排水流变试验方案 Ta bl e 2 Unc on s o l i d at e d and undr a i ne d r he o l o gi c al t e s t me t ho d 5 6 煤 田地质与勘探 第 4 l卷 3 不排水流变试验 成果 与分析 试验过程不排水 ，是为了避免排水条件的影响； 采用原状土与重塑土进行对 比试 验研究结构性对流 变 的影 响 。 3 ． 1 流变历时曲线 本文采用分级加载的方式进行流变试验 ，用“ 陈 氏法” 【 2 l J 进行数据处理 ，所得试验成果如图 3 、图 4 。 图 3 、图 4表明，结构性的存在，使原状土与重 塑土流变特性差别明显。 本文研究的吹填原状软土的 结构屈服应力 比重塑土的屈服应力大的不多， 在低于 结构屈服应力( 8 ～ 1 0 k P a ) 的情况下 ，两种状态的土变 形差别不大 ；超过结构屈服应力( 1 0 k P a ) 时，随着应 力水平的提高， 重塑土变形明显大于原状土。主要是 外力低于结构屈服应力时， 结构性得不到发挥 ， 而重 塑土依靠 自身 的屈服应力也能抵抗一定的外力 ，因 此 ，两者差别不大。当外力超过结构屈服应力时 ，原 状土结构的破坏是一个过程 ， 表现为其抵抗外力的能 力逐渐减小 ，但还是大于重塑土 ，因此，相同应力水 平下的变形量总是小于重塑土 ， 最终的破坏应力水平 大 于重塑 土 。 2 0 I 一 * ,3~ K曼ra ： 兰 i i I I i 至 琴 = = = = 二 = = 二 = * S=5 kP a 露 基 ． 基 2 4 2 O 苫 1 6 l 2 8 4 O 时间／ h ( a 1 原状土 S =5 k P a S=l 0 kP a S=l 5 k Pa =2 0 kP a S=27 ． 5 kP a S=35 kP a S =5 k P a S = l 0 k Pa = l 5 k Pa S=2 0 k Pa = 2 7 5 k Pa 时间／ h ( b ) 莺塑上 图 4 1 0 0 k P a围压 流变 曲线 图 Fi g ． 4 Rhe ol og i c a l c u r ve of 1 00 k Pa c on fin i n g p r e s s u r e 3 ． 2孔隙水压力随时间变化 在流变试验的过程 中对孔隙水压力 的变化进行 了实时观测 ，成果如图 5 、图 6 。 矗 ＼ 幽 时问／ h 时间／ h ( b ) 重塑土 图 5 5 0 k P a围压下孔压历时曲线图 Fi g． 5 Po r e p r es s ur e c urve o f 5 0 kPa c on fini ng pr e s s u r e 第 2期 杨爱武等：考虑结构性与排水条件 的吹填软土的流变特性 5 7 1 砖 、 0 O c ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． 。 ． ． ． ． ． ． ． ． — ． — ． — 。 — 。 ． ． 一 9 5I - — 8 0 1 0k Pa 7 —S=1 5 k Pa 一 ~ S =2 0 7 l 5k P k Pa a ．．．．．．．．．。 0 l 0 2 O 30 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 l 0 0 l 0 0 9 O 出 8 0 7 0 6 0 时 间／ h ( a ) 原 状土 O l O 2 O 3 0 4 0 5 0 6 O 7 O 8 0 9 0 l 0 0 时间 ／ h ( b ) 重塑上 图 6 1 0 0 k P a围压下孔压历时曲线 图 Fi g． 6 Po r e pr e s s u r e c u r ve of 1 00 kPa c o nfin i n g p r e s s u r e 图 5 、图 6 表明 ：在同一围压下 ，随着偏压的增 大 ， 孔隙水压力也随之增大。第一级孔隙水压力增加 值最大 ，接近围压大小 ；随后随着偏压的均匀增大， 孔隙水压力基本上均匀增加 ；最后 随着偏压的增大， 孔 隙水压力达到最大值 ，土体 中有效应力很小而破 坏 。 从 图 5 、图 6还可以看出，围压与偏压相同的情 况下 ，原状土 的孔隙水压力大于重塑土 的孔隙水压 力。 另外还有一个现象就是原状土在结构屈服应力附 近，其孔隙水压不是全“ 硬化型” ， 还会 出现微弱的软 化再硬化现象 ，重塑土基本都维持硬化现象 。 上述现象可用土的结构性来解释 ， 原状土有一定 的结构性 ， 在偏应力小于结构屈服应力情况下， 结构 性的存在 ， 抵抗变形能力强 ， 孔隙连通性好 ， 在外荷 载的作用下 ， 孔隙水压力上升快且数值大 ； 当偏应力 逐渐超过结构屈服应力时 ， 土结构也逐渐破坏 ， 大孔 隙破损 ，孔隙数量增多 ，总体连通性变差 ， 孔隙水压 力就增加不明显。再继续增大偏压时 ，由于结构的彻 底破坏 ， 原状土体也逐渐接近重塑土 ， 因而孔 隙水压 力呈现均匀增大趋势。重塑土可近似认为无结构性 ， 各向异性不明显 ， 连通性差 ， 在外力作用下 ，土颗粒 抵抗变形能力差 ， 外力大多转换为孔隙水压力 ， 因此 ， 在偏压作用下孔隙水压力很快增大。 再后来 ，随着压 力的缓慢增加 ， 孑 L 隙水压力也缓慢增加 ， 但其数值总 小于结构性原状土。 4 排水流变试验成果与分析 本节进行 了流变过程 中排水试验 ， 主要研究排水 条件对流变的影响 ； 同时进行相应的重塑土试验， 研 究结构性的影响。 4 ． 1 排水流变历时 曲线图 流变过程 中排水时 ， 原状土与重塑土流变历时曲 线如 图 7 、图 8 。 2 0 1 8 宝 1 6 l 4 1 2 l O 8 6 4 时间／ l 1 ( a ) 原状土 0 2O 4 0 6 O 8 0 时间／ l1 ( b 1 重塑土 图 7 5 0 k P a围压流变曲线图 F i g ． 7 R h e o l o g i c a l c u r v e o f 5 0 k P a c o n fi n i n g p r e s s u r e j 2 1 l 0 0 20 4 0 6 0 8 O 时间／ h ( a ) 原状 土 O 2O 4 0 6 0 8 O 时间／ t ( b ) 重 上 —— 一 S=5 k Pa -．．a - - S=l 0 l ( Pa ——‘ 一S=2 0 k Pa — S=4 0 k Pa — S=8 0 kP a — S=1 O 0 k Pa 一 S=1 2 0 k Pa —S=1 5 0 k Pa —- — ：2 O 0 k Pa — K —S=25 O k Pa —— 一S=3 0 0 k Pa —— 一S=5 k Pa —S=1 0 k Pa — 一 =2 0 k Pa — S=4 0 k Pa — S=8 0 kP a — S=l 20 k P a — S=l 5 0 k P a —- — 一S=2 00 k Pa 图 8 1 0 0 k P a围压流变曲线图 F i g ． 8 R h e o l o g i c a l c u rve o f 1 0 0 k P a c o n fi n i n g p r e s s u r e 图 7 、图 8表明：排水流变变形主要表现为两头 大 ，中间小。即在第一级偏应力作用下，变形量大， 接近破坏时的后几级变形量也大。 排水流变总变形量 小于同条件下的不排水流变总变形量 ， 但第一级小偏 压下的变形 比同样应力状态下的不排水流变变形大。 根据对排水流变过程水流量的研究 ， 发现第一级变形 量最大 ， 主要原因是与 自由水 的排 出有关。 在第一级 偏压作用下 ，土体在略超过等向压力的条件下固结 ， a a a a a a a a P P P P P P P P k k k k k k O O 0 0 O O O O 0 2 5 O 5 l 2 4 8 l l l 2 = = = l l l l } 1 = I 1 = a a a a PP ‘OO 002 5 5124 811 = 『 1 = = = = 一 一 5 8 煤 田地质与勘探 第 4 1 卷 大量的自由水排出， 使固结变形占总变形量的比例很 大 。 经过第一级的流变排水 ， 这时能排出的自由水 已 经很少 ，土体抵抗小偏应力的能力增强 ，因此 ，随着 偏应力 的增加 ， 其后几级流变变形小。最后几级流变 量反而又增大 ，这是 因为此时土体无法抵抗 高偏应 力 ，所以表现大变形 ，然后会很快进入破坏阶段 。 比照原状土与重塑土还发现， 原状土的流变变形 量小 于重 塑土 的流变 变形 量 。与不排 水流变 比较 ， 他 们的变形量都很小 ， 但其破坏应力水平明显高于不排 水流变。原因还得从土的结构性来解释 ， 流变过程中 水的排出， 使偏应力逐渐变为有效应力。有效应力的 增加 ， 使土体 的单元体连接变得更为紧密。土体的结 构性 比以前 明显增大 ，即原状土的结构屈服应力增 大，而重塑土也会变为有少量结构强度的结构性土， 屈服应力增大， 所以流变破坏的偏应力都比不排水流 变大 得多 。 4 ． 2 各级偏应力水平下排水量与时 间关系 曲线 排水流变过程中，排水量历时关系曲线如图 9 、 图 1 0 。 图 9 、图 l 0表明 ：在同一 围压下 ，随着偏压的 增大， 排水量也随之增大。 第一级偏压下排水量最大 ， 占总排水量的 7 0 ％； 之后，随着偏压的均匀增加 ， 排 水量也基本均匀增加 ， 但增加的量很小。随着围压的 增大 ，排水量也逐渐增大 ，道理与偏压的增加一致。 上述现象可做如下解释 ： 排水流变开始时， 基本上是 在围压 的作用下进行等 向固结的过程 ， 自由水大量排 出，所剩不多。之后 ，随着偏压的增大 ，有效应力增 大 ， 剩余的自由水缓慢排出。再之后 ，也就表现为排 水量逐渐均匀增加 ， 但增量很有限，有时可忽略，固 结基本结束后 ， 进入以蠕变为主的阶段 ， 排水量也就 基本上不再变化 。 相同的条件下 ， 重塑土排水量随时 间的增加 ，其增量大于原状土 ，最终两者基本接近。 该现象也可从土的结构性进行解释 ： 重塑土由于结构 性弱， 抵抗变形能力差 ， 而原状土由于具有一定的结 构性，抵抗变形的能力就强 ，根据有效应力原理 ，当 土中有效应力小时， 孔隙水压力就高， 在排水条件下 流量就越多。因此 ， 流变开始几级重塑土排水量比原 状土大。后来 ，随着偏压的增大 ， 原状土原生结构有 所破坏 ，并有新的结构形成 ， 此消彼长 ，总体上结构 性有所增强 。 重塑土因为初始结构性弱 ， 随着排水的 增加 ，结构性增加快，变为有结构性土，最终其大小 与原状土相差不多 ，抵抗变形的能力就接近 ，所以， 随着偏压 的增大， 流变后期原状土的排水量与重塑土 接 近 。 l 4 1 2 童1 0 s 6 4 2 g 芒 O l 0 2 0 3 O 40 5 0 6 0 7 O 8 O 时间／ h ( a ) 原状上 — — 一 S =5 k P a — S = l 0 k P a —— 一 S =2 0 k P a —— 一 S =4 0 k P a —— 一 S =8 0 k P a — S = l 2 O k Pa — = 1 5 O k Pa 一 0 2O 4 O 6 0 8 0 时 『 白 J ／ h ( b ) 重翅土 图 9 5 0 k P a围压下排水量历时曲线图 Fi g．9 Dr a i na g e a mou n t c ur ve o f 5 0 k Pa c o n fini ng pr e s s u r e 1 1 1 皇1 1 * 媛 2 0 1 8 1 6 l O 8 6 4 时l1 j J ／ h ( a ) 原状土 ——— 一 S=5 k Pa - ” S=l 0 k Pa ——- 一 S=2 0 k Pa —— 一 S=4 0 k Pa — 一 S=8 0 k Pa — =l 2 0 kP a — =1 5 0 kP a — i2 O 0 k Pa 0 20 4 0 6 0 8 0 时 『 日 】 ／ h ( b ) 蕈塑上 图 1 0 1 0 0 k P a围压下排水量历时曲线图 Fi g ． 1 0 Dr a i na g e a mo u nt c u r ve of 1 00 k Pa c on fini ng pr e s s u r e 5结论 a ．对于有结构性 的软土，结构性对其流变有显 著影响。应力低于结构屈服应力时 ，流变变形小 ；应 力高于结构屈服应力时 ， 随着结构的逐渐破损 ，流变 变形明显增大，但还是小于无结构性的重塑土。 b ．排水条件对软土流变亦有 明显影响。无排水 的情况下 ， 流变变形量大；排水时 ，虽然总体变形量 大 ， 但 固结变形所 占比例大 ，流变变形量小 ，工程实 践 中可 以考虑增加土体的排水路径 ，让土体尽量排 第2 期 杨爱武等： 考虑结构性与排水条件的吹填软土的流变特性 5 9 水 ，从而减少流变破坏的可能。 c ．本文研究 的结构性与排水条件对流变 的影响 没有考虑到他们之间的耦合 ， 进一步研究其耦合作用 对软土流变的影响将是下一步研究的内容。 参考文献 [ 1 】孙钧． 岩土材料流变力学及其工程应用【 M] ． 北京： 中国建筑工 业出版社 。1 9 9 9 ． [ 2 】 S I NGH A， MI T C HE L L J K． Ge n e r a l s t r e s s - s t r a i n - t i me f u n c t i o n f o r s o i l s [ J ] ．J o u r n a l o f S o i l Me c h a n i c s a n d F o u n d ~i o n Di v i s i o n ， AS C E ， 1 9 6 8 ， 9 4 ( 1 ) ：2 1 — 4 6 ． 【 3 ] MES R I Q F E B R ES — C O RDE RO E ，S HI E L DS D R ，e t a 1 ． S h e a r s tr e s s - s tr a i n — t i me b c h a v i o u r o f c l a y s [ J ] ．G e o e c h n i q u e ，L o n d o n ， U．K． 1 9 8 l ， 3 l ( 4 ) ：5 3 7 - 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