含水率對砂質板巖粗粒土蠕變特性影響試驗研究

劉　群　劉　麗

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司　貴州　550081)

含水率對砂質板巖粗粒土蠕變特性影響試驗研究

劉群劉麗

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司貴州550081)

摘要粗粒土在公路、鐵路路基工程中應用廣泛，其蠕變特性是影響高填方路堤長期沉降的重要因素。通過單軸壓縮蠕變試驗研究含水率對粗粒土蠕變的影響規律，分析砂質板巖粗粒土在不同含水狀態下的蠕變特性，并基于與實驗結果相符的H-K蠕變模型探討含水率、應力與蠕變參數之間的關系。結果表明，含水率是影響粗粒土蠕變特性的重要因素，提出使用干燥或飽和含水態的粗粒土填料以控制路堤長期沉降。

關鍵詞含水率粗粒土單軸試驗蠕變特性

隨著我國交通設施的快速發展，鐵路建設不斷向山區延伸，受地形條件限制，大量高填方路堤不斷涌現。粗顆粒土具有壓實性能好、抗剪強度高等特點，在山區鐵路建設中得到了廣泛應用。粗粒土高填路堤的蠕變變形是眾多因素綜合作用的結果，包括土的類別、含水率、填土高度等。過去對蠕變影響因素的研究多集中在巖石[1]、軟土[2-3]、黃土[4]、膨脹土[5]等，而涉及粗粒土的研究較少。基于前人的研究基礎，通過大型單軸蠕變試驗，以含水率為控制指標，研究滬昆客運專線砂質板巖粗粒土填料的蠕變特性。

1單軸蠕變試驗及試驗結果分析

砂質板巖粗粒土的干密度為2.10g/cm3，顆粒密度為2.70 g/cm3，人工配制4組含水率分別為0.07%，1.29%，4.86%，8.12%的試樣，對應干燥、天然、非飽和、飽和含水狀態，顆粒級配情況見圖1，可知粗粒土級配良好。

圖1　砂質板巖粗粒土級配曲線

選取直徑280mm×230mm的單軸固結儀，采用50→100→200→400→800kPa的分級加載方式進行蠕變試驗，試驗結果見圖2。

根據粗顆粒填料的干密度與含水率關系曲線有2個峰值的特點，施工中當填料為干燥狀態(含水率接近0)、干密度較大時，不需加水；當填料處于潮濕狀態時，需加水改變含水率接近谷點的不利狀態，增加壓實效果。

3結語

本文根據現有試驗規范和國內外學者的研究成果，對高速鐵路高填路基無黏性粗顆粒填料進行了篩分試驗和振動擊實試驗研究，試驗結果表明：

(1) 砂質板巖無黏性粗顆粒填料是級配良好的填料，振動擊實試驗曲線呈波浪形，即隨含水率的增大，干密度先減小后增大，曲線出現雙峰值現象。

(2) 砂質板巖無黏性粗顆粒填料在干燥狀態或飽和含水狀態時干密度較大，最大干密度為2.21g/cm3。

(3) 建議在實際工程中當砂質板巖無黏性粗顆粒填料為干燥狀態時，碾壓填料不需或少量灑水；當填料處于潮濕狀態時，需加水改變含水率接近谷點的不利狀態，以此增加壓實效果。

參考文獻

[1]陳宏偉.粗粒土壓實試驗研究[D].西安：長安大學，2004.

[2]TB10102-2010鐵路工程土工試驗規程[S].北京：中國鐵道出版社，2010.

[3]郭慶國.無黏聚性粗粒土的壓實特性與壓實參數[J].大壩觀測與土工測試，1984(1):41-49.

[4]郭慶國.粗粒土的工程特性及應用[M].鄭州:黃河水利出版社，1998.

a)試驗曲線-模型曲線Db)試驗曲線-模型曲線N

c)試驗曲線-模型曲線Ud)試驗曲線-模型曲線S

D-干燥態;N-天然態;U-非飽和態;S-飽和態

圖2砂質板巖粗粒土試驗曲線與模型曲線對比圖

利用H-K模型描述粗粒土的蠕變性，一維常應力σ0作用下其蠕變方程為

(1)

式中：ε0為瞬時彈性變形；ε1為極限蠕變變形；E1為彈性模量；E2為黏彈性模量；β為黏性系數。

利用改進的高斯-牛頓法，編制計算機程序Creep，求解H-K模型參數，計算結果見表1，圖2中H-K模型蠕變曲線與實驗測試點達到了很高的擬合精度，所得參數說明了不同含水狀態下泥質板巖粗粒土的蠕變性態變化。

表1　H-K蠕變模型參數值

2不同含水狀態下粗粒土蠕變特性分析

2.1瞬時彈性應變ε0和瞬時彈性模量E1

圖3為瞬時彈性應變與含水率關系曲線。

圖3　瞬時彈性應變與含水率關系曲線

由表1、圖3可見，隨含水率增大，瞬時彈性模量有增大的趨勢，瞬時彈性應變有減小的趨勢，這是因為考慮含水率的蠕變與粗、細顆粒間的孔隙壓縮及孔隙水壓力等有關。當含水率較低時，孔隙中空氣比率相對較大，孔隙壓縮沒有受到太大的阻礙，產生較大的瞬時彈性應變；當含水率較大時，由于水的壓縮系數遠遠低于空氣且對于瞬時變形孔隙水來不及擴散，產生孔隙水壓力，孔隙壓縮受到阻礙，瞬時彈性變形較小；非軟弱泥質板巖粗顆粒骨架的彈性模量隨含水率的增加而降低的幅度并不大，當含水率達到一定程度后，孔隙水壓力使彈性模量有較大的回彈，出現隨含水率增大瞬時彈性模量發生較小幅度增大的現象。

2.2極限蠕變應變ε1和極限蠕變變形模量E2

圖4形象地反映了同一應力水平下隨含水率增大，極限蠕變應變ε1呈“先增加后減小”的變化規律，而極限蠕變變形模量E2先減小后增大(見表1)，這說明粗粒土的蠕變受到含水率較明顯的影響。原因是當含水率很小時，可以認為粗粒土由固-氣二相組成，瞬時加載產生較大的變形，細顆粒良好地填充粗顆粒骨架，孔隙壓縮更密實，變形模量較大；隨含水率增大，加載產生的孔隙水壓力隨時間的延長、水四處擴散而消減，水四處擴散驅趕空氣，產生新的孔隙，阻礙細顆粒填充粗顆粒骨架，水慢慢被粗、細顆粒吸收，細顆粒填充新的粗顆粒骨架，使之密實，并將部分水趕入骨架外的孔隙，在這不斷循環密實的過程中土體承載能力和彈性模量有所降低；當含水率增大到飽和時，土體看作是固-液二相，土顆粒間的孔隙充斥著水，加載產生孔隙水壓力，使變形模量回彈。

圖4　極限蠕變應變與含水率的關系曲線

由圖4可見，天然、非飽和含水態的極限蠕變應變明顯大于干燥、飽和含水態，建議使用干燥或飽和含水態的泥質板巖粗粒土填料來減小路堤長期沉降。

2.3趨穩時間常數α

趨穩時間常數α=E1/β，由式(1)可知，α越大，exp(-αt)衰減越快，ε達到穩定的時間越短，反映了蠕變達到穩定階段的快慢程度。圖5描述了不同含水狀態下試樣在不同應力水平作用下的趨穩時間常數α值。

圖5　趨穩時間常數與含水率的關系曲線

由圖5可見，同一應力水平下隨含水率的增加，趨穩時間常數α值先是減小，當含水率達到一定程度后反而增加。這說明同應力水平下，與干燥、飽和態相比，天然、非飽和含水狀態的粗粒土進入穩定蠕變所需的時間較長。

2.4蠕變的非線性

由表1可見，粗粒土試樣隨著加載應力的不同及含水狀態的改變，蠕變參數E1，E2，β值發生很大的變化，說明E1，E2，β是應力σ0和含水率ω的函數，則有

(2)

式中：蠕變柔量J是應力和含水率的函數，說明粗粒土具有非線性蠕變特性。

3結論

(1) 隨含水率的增加，砂質板巖粗粒土的瞬時彈性應變ε0減小，瞬時彈性模量E1增大。

(2) 隨含水率的增加，砂質板巖粗粒土的極限蠕變應變ε1先增大后減小，即同等其他條件下相比天然、非飽和態，干燥、飽和態的粗粒土發生極限蠕變較小；極限蠕變變形模量E2和趨穩時間常數α呈相反規律，即天然、非飽和態的粗粒土達到穩定蠕變所需的時間較長。

(3) 為了減小路堤長期沉降，建議采用干燥或飽和含水狀態的砂質板巖粗粒土填料。

[1]楊彩紅，王永巖，李劍光，等.含水率對巖石蠕變規律影響的試驗研究[J].煤炭學報，2007，32(7)：695-699.

[2]胡華.含水率對軟土流變參數的影響特性及其機理分析[J].巖土工程技術，2005，19(3)：134-136.

[3]陳曉平，周秋娟，朱鴻鵠，等.軟土蠕變固結特性研究[J].巖土力學，2007(28S)：1-10.

[4]李廣冬.黃土的三軸蠕變特性試驗研究[D].西安：西北農林科技大學，2011.

[5]邱平華.膨脹土直剪蠕變特性及長期強度研究[D].株洲：湖南工業大學，2012.

收稿日期：2014-09-30

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.01.046