考慮孔隙變化影響的土體壓縮特性試驗研究

王興陳

摘要：為實現不同擾動條件下原位土壓縮特性的模擬，文章基于結構性破損壓縮模型，提出孔隙相對變化指數E，研究土體孔隙變化壓縮特性的影響，通過對不同擾動狀態下的原狀軟土進行固結試驗，分別建立E_v與土體結構屈服應力及結構破損指數6的相關關系，從而提出基于室內壓縮試驗結果預測原位壓縮特性的方法。結合相關試驗數據的分析，驗證了該方法的可行性。

關鍵詞：結構性軟土；孔隙相對變化指數；壓縮特性；結構屈服應力；結構性破損指數

原狀土的壓縮特性并不能準確反映在室內土體壓縮試驗中，但可以通過室內試驗進行預測。劉維正等選用結構屈服應力和結構破損指數6表征土體壓縮性狀；S.Horpibulsuk等、T.S.Nagaraj等研究結構屈服應力sy與原位不排水強度su的相關關系，提出原位壓縮曲線的預測方法。前人僅建立擾動指標與土體屈服應力的相關關系。事實上，擾動狀態下，物性變化不僅影響結構屈服應力，還與結構破損有關，要研究通過室內試驗預測原位土體壓縮性狀的方法，必然要考慮物性變化對土體結構屈服應力的變化，以及結構破損的演化規律。

本文提出物性變化參數：孔隙相對變化指數E_v，研究其對土體壓縮性狀的影響，建立其與土體結構屈服應力及結構破損指數b的對應關系，進而提出通過室內壓縮試驗預測原位壓縮特性的新方法。

1.原狀土的壓縮特性

原狀土的壓縮特性關系如圖1所示。重塑土的壓縮曲線（e-log）是一條直線，原狀土的壓縮曲線分為三個階段。平緩階段：當壓力小于結構屈服應力時，曲線近似是一條直線，e=eo；陡降階段：當大于時，土的結構破壞，孔隙比減小；趨同階段：當壓力繼續增大到某一特征值時，重塑土和原狀土的孔隙比差值將趨于常數，為土結構引起的剩余孔隙比evsr。

由圖1可知，原狀土的孔隙比可以下式表示：

e=e_R+e_s（1）

式中，e是原狀土的孔隙比，e_r是相同壓力下重塑土的孔隙比，e_s是土結構性引起的額外孔隙比。

Liu，Carter等人對不同軟土進行研究，發現當>時，土體結構引起的額外孔隙比es與（）b成反比，其中b為結構破損指數，描述結構性對孔隙比的影響程度，取值由土的種類和狀態決定。

圖1可知，垂直應力遠超過屈服應力，軟土依然存在剩余孔隙比e_sr，可以發現額外孔隙比e_s將滿足下式：

es=esy（/）b+esr（2）

其中，esy是對應于屈服應力時的額外孔隙比。

Horpibulsuk等提出曼谷原狀土壓縮曲線表達式如下：

<時，e=e_o （3）

>時，e=eR+esy（/）b+esr （4）

>>時，e=e_r+e_sr （5）

當壓力=時，上式滿足：

e=e_ry+e_sy+e_sr

（6）

其中，Horpibulsuk通過實驗得出曼谷土結構破損指數b=1，而原位屈服應力syf由下式確定：

=3.78S.+7 （7）

S_u為現場十字板不排水強度，單位為kPa。

2.孔隙相對變化指數E_v

本文借鑒Z.Hong等對擾動度定義的思路，提出孔隙相對變化指數E_v，定義如下式所示：

Ev=x100% （8）

式中，表示有效上覆應力為時擾動土的孔隙比，evr表示有效上覆應力為時重塑土的孔隙比。如圖2所示。

由式（8）可知，土體原位完整狀態時，esvO基本與eO相同，此時，Ev=0；而當原位完整狀態趨于重塑狀態時，基本與evr相同，此時，Ev=1。

參數的各個指標可由原狀土和重塑土的壓縮曲線求得。

3.試驗過程及結果分析

土樣物理力學指標如表1所示。

3.1不同初始振動的固結試驗

通過振動試驗模擬不同擾動條件對土體壓縮特性的影響。進行6組時長為0，20，40，60，80，100min的振動試驗。振動結束后立即取樣進行固結試驗。試驗結果如圖3所示：

3.2試驗結果分析

圖3中可以發現，振動時間變長，相同豎向應力狀態下土體的孔隙比不斷變小。

由式（8）可計算出不同振動時間下孔隙相對變化指數大小，其關系如圖4所示。

由式（12）可知，隨著Ev增加，對應的結構破損指數線性減小，因此，建議由下式確定原位土體結構破損指數：

（13）

式中，為原位土體結構破損指數，為重塑土體結構破損指數。

根據結構破損指數的定義，重塑土體結構破損指數趨向于零，如圖5所示。

則式（13）可轉化為：

（14）

4.原位壓縮曲線的預測方法

本文基于Horpibulsuk等曼谷粘土壓縮曲線預測方法，提出通過室內壓縮試驗預測原狀土壓縮曲線的新方法：

（1）試驗測出重塑土壓縮曲線、e_o及，并用e_o畫出平緩階段的壓縮曲線；

（2）實驗得出任一擾動條件下的壓縮曲線，確定對應的及b，由式（8）計算出，由式（11）、式（14）分別計算出對應原狀土的及bf。

（3）取=1000kPa時對應的孔隙比差值為esr。過屈服應力點（，eO）及特征點（）畫曲線eS=esy（/）bf+esr。

（4）>>時，e=eR+esr

5.試驗分析與驗證

選取t=0min的室內土樣驗證預測。首先確定出原位狀態e0=1.345，=53.5kPa，=68.3kPa，根據式（4）計算室內擾動土結構破損指數b=1.11，根據式（8）計算此擾動條件下Ev=7.5%，并由式（11）和式（14）分別計算出原狀土原位狀態下=73.8kPa，bf=1.2，即可預測出原位土壓縮曲線，如圖6所示。

6.結語

借鑒Hong擾動度定義的思路，提出孔隙相對變化指數，研究其與土體屈服應力、結構破損指數的相關關系。提出確定原位土體壓縮特性的新方法，擴展了Horpibulsuk方法的應用范圍，實現對不同擾動條件下原位土體壓縮特性預測。