等加荷速率固結(jié)試驗(yàn)研究

裴竹松+賀建清+龍錦坤+朱興帥

摘 要：目前，大體積建筑物逐漸增多，例如大壩、高層建筑等，連續(xù)加載固結(jié)試驗(yàn)可以模擬這些建筑物地基的受力環(huán)境。本文根據(jù)等加載速率固結(jié)理論，利用GDS高級(jí)固結(jié)系統(tǒng)對(duì)軟土進(jìn)行了CRL固結(jié)試驗(yàn)，并分析了土體的固結(jié)壓縮特性。

關(guān)鍵詞：固結(jié)；等加載速率；試驗(yàn)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.12.250

1 引言

等加荷速率試驗(yàn)（CRL試驗(yàn)）是由Aboshi于1970年在Schiffman提出的變荷載一維固結(jié)理論的基礎(chǔ)上建立的[1]。與傳統(tǒng)固結(jié)試驗(yàn)相比，CRL固結(jié)試驗(yàn)可以使土樣受力均勻，而且可以縮短試驗(yàn)時(shí)間。國(guó)內(nèi)對(duì)連續(xù)加載固結(jié)試驗(yàn)的研究比較少，很大的原因是固結(jié)儀器的限制，本文通過(guò)GDS高級(jí)固結(jié)系統(tǒng)對(duì)土樣進(jìn)行等荷載速率固結(jié)試驗(yàn)，分析土樣的固結(jié)特性。

2 理論基礎(chǔ)

R.L.Schiffman（1958）提出了荷載隨時(shí)間變化的一維固結(jié)方程[1]

圖1表示孔壓比與時(shí)間因數(shù)關(guān)系，圖2表示固結(jié)度與時(shí)間因數(shù)關(guān)系。

土樣中平均有效應(yīng)力可以表示為

根據(jù)式（4）可以得到時(shí)間因數(shù)T，由此可以推出

可按以下步驟計(jì)算固結(jié)系數(shù)與平均有效應(yīng)力：

（1）根據(jù)試驗(yàn)得到的底部孔隙水壓力與所施加的荷載計(jì)算ud/p。

（2）由ud/p計(jì)算值與理論值對(duì)比得到對(duì)應(yīng)的時(shí)間因數(shù)Tv，由式（7）計(jì)算固結(jié)系數(shù)。

（3）由時(shí)間因數(shù)Tv得到試樣的固結(jié)度，由式（6）計(jì)算平均有效應(yīng)力。

CRL試驗(yàn)載荷加載速率要保持在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，如果加載速率過(guò)大會(huì)造成土樣內(nèi)部孔隙水壓力梯度過(guò)大，破壞了土樣內(nèi)部有效應(yīng)力的均勻性；如果加載速率過(guò)小會(huì)導(dǎo)致土樣內(nèi)部的孔隙水壓力不足，從而使測(cè)試數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。Kurt F. von Fay與Charles E. Cotton通過(guò)大量的CRL與分級(jí)加載固結(jié)試驗(yàn)的對(duì)比，得到了選取試驗(yàn)加載速率的經(jīng)驗(yàn)方法，如圖3所示，橫坐標(biāo)表示試樣的液限，縱坐標(biāo)表示可以選取的加載速率。

3 試驗(yàn)方法

利用GDS高級(jí)固結(jié)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，選擇CRL固結(jié)模塊，根據(jù)土樣的液限選取加載速率r=25kPa/h與50kPa/h兩種加載速率作對(duì)比，試樣的飽和與安裝同分級(jí)加載固結(jié)試驗(yàn)。對(duì)試樣進(jìn)行基本土工試樣[2]，試樣基本物理性質(zhì)如下表。

4 試驗(yàn)記錄

CRL固結(jié)試驗(yàn)過(guò)程中荷載、位移、孔隙水壓力的變化以試樣1為例，如圖4與圖5所示，在試驗(yàn)過(guò)程中荷載從零開(kāi)始線性增加，試驗(yàn)剛開(kāi)始時(shí)孔隙水壓力增大，隨后減小到一定值并且基本保持恒定，根據(jù)有效應(yīng)力原理，試樣中的有效應(yīng)力也線性增加。

圖6～8為25kPa/h與50kPa/h加載速率下的荷載、變形與孔隙水壓力變化圖。外荷載隨時(shí)間的變化是線性增加的。加荷速率越大，試樣底部的孔隙水壓力也越大，除初始階段意外，孔隙水壓力在固結(jié)過(guò)程中都保持穩(wěn)定狀態(tài)。不同加載速率下土樣的變形相似，試樣剛開(kāi)始的應(yīng)變速率大，隨著荷載的增加，應(yīng)變速率逐漸減小趨于平穩(wěn)，說(shuō)明土骨架承受荷載的能力逐漸變強(qiáng)。

取其中部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，試驗(yàn)結(jié)果如表2與3，得到試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線、e-logσ?曲線與cv-σ?曲線如圖9～11。

5 結(jié)語(yǔ)

分級(jí)加載固結(jié)試驗(yàn)作為傳統(tǒng)的固結(jié)試驗(yàn)方法，是測(cè)量土體固結(jié)變形特性最廣泛的方法，隨著固結(jié)理論與工程實(shí)際的發(fā)展，連續(xù)加載固結(jié)試驗(yàn)被提出并用于室內(nèi)試驗(yàn)。不同的試驗(yàn)方法會(huì)得到不同的試驗(yàn)結(jié)果，CRL固結(jié)試驗(yàn)可以克服傳統(tǒng)固結(jié)試驗(yàn)的缺點(diǎn)，例如傳統(tǒng)固結(jié)試驗(yàn)周期長(zhǎng)、土樣內(nèi)有效應(yīng)力分布不均勻、孔壓梯度高等，CRL固結(jié)試驗(yàn)的條件更接近于工程實(shí)際，會(huì)得到更準(zhǔn)確的試驗(yàn)結(jié)果。

參考文獻(xiàn)：

[1]Schiffman R.Consolidation of soil under time-dependent loading and varying permeability[J].Highway Research B oard Proceedings，1958（37）.

[2]交通部公路科學(xué)研究院.JTG E40-2007 公路土工試驗(yàn)規(guī)程.