網紋紅土蠕變應變率試驗研究★

何玉榮 李建中

(1.湖南科技學院土木與環境工程學院，湖南 永州 425199; 2.中南大學地球科學與物理信息學院，湖南 長沙 410083)

1 概述

黏性土體具有蠕變特性。蠕變變形發展一般分為衰減蠕變階段、穩定蠕變階段和破壞階段3個階段。許多工程問題(如邊坡變形、地基不均勻沉降、地下工程失穩等)都是由于持力層蠕變變形持續發生引起的，因此深入系統研究土的蠕變特性對維持土體的長期穩定，保證各類工程結構物的正常運行和安全使用，預防和減少各類工程事故的發生具有重要的意義[1-4]。目前，許多學者在蠕變變形特征、變形機制及本構方程等方面做了大量的研究[5-8]，而對蠕變應變率隨時間的發展規律研究的很少。蠕變應變率是蠕變變形所處階段與發展趨勢判斷的重要依據，進行這方面的研究是預測和防治邊坡失穩、確保工程順利施工的基本前提[9-11]。網紋紅土是長江中下游及周邊地區巖土工程施工中常見的土體。網紋紅土的土力學特性直接影響著地(路)基、基礎、基坑以及邊坡等工程的設計與施工。近20年來在 巖土工程實踐中積累了一些針對網紋紅土土力學特性進行巖土工程設計與施工的經驗，但是，由于沒有對網紋紅土的蠕變特性等基礎性問題進行系統的研究，設計人員與工程技術人員往往憑經驗辦事，無法從理論上正確認識網紋紅土的蠕變特性，因而也很難確保能夠針對網紋紅土的巖土工程施工與設計合理、安全而且經濟。目前針對網紋紅土進行的諸如土體變形計算、土體強度測試等都是根據相關的國家或者行業規范加上工程技術人員的經驗做出。由于各種規范相對比較籠統、個人經驗往往帶有局限性，因此，在具體實踐中很難得到與實際情況相吻合的結果。特別是，目前所有的規范所給出的計算方法大多只考慮了土的彈性，而實際上，網紋紅土的蠕變變形在土體變形中所占比重更大。所以，有必要對網紋紅土的蠕變特性進行較為系統的研究。本文對長沙岳麓山地區網紋紅土進行了分別加載條件下的初始加載、卸載、重復加載蠕變試驗，通過分析網紋紅土蠕變應變率的變化規律，著重研究了應變率與時間、應力之間的關系。

2 試驗方案

土樣采用橫截面積為30 cm2、高度為2 cm的圓柱體。土樣的物理性質參數為:土粒比重為2.71,天然含水率為23.83%～26.88%,天然密度為1.90 g/cm3～1.95 g/cm3。蠕變試驗儀器是采用雙面排水側限的WG型三聯低壓固結蠕變儀。文中進行了不同應力水平下(50 kPa，100 kPa，200 kPa，400 kPa，800 kPa)的分別加載蠕變試驗,每級應力下的蠕變試驗開展了初始加載、卸載、重復加載3個過程。試驗中以變形小于0.005 mm/24 h為變形達到穩定的標準。蠕變試驗都是土樣在上一級荷載作用下變形達到穩定以后,再對其施加下一級的荷載。為了降低偶然誤差,本文的試驗是將3個土樣進行了平行試驗,試驗結果取3個土樣的算術平均值。

3 試驗結果及分析

圖1是分別加載條件下,以每級荷載加載起始時刻為該級荷載蠕變初始時間,蠕變應變率隨蠕變時間的變化曲線。

從圖1中可以發現:

(1)

其中,a,n均為常數。

(2)

或：

(3)

其中，m為常數；Δσ為該級應力與上一級應力差值的絕對值。

對式(2)，式(3)兩邊取對數整理后,得到:

(4)

令：

A=mlnΔσ+lna

(5)

可以得到:

(6)

為了確定式(2)，式(3)中的各項參數,進行如下處理:

n=∑ni/k

(7)

其中,ni為該過程中某一應力下的斜率;k為加、卸載應力水平級數。

對于圖1曲線中任意一點都有:

(8)

A=∑At/l

(9)

其中，l為某一應力下所取時間點的數目。

2)基于式(5)和求得的A值,以A為縱坐標,以lnΔσ為橫坐標,繪制圖形,并添加線性趨勢線。發現其線性相關系數均大于0.9,表示其線性關系很密切。根據所繪圖形可求得初始加載、卸載、重復加載各過程的斜率m及截距lna。至此,式(2),式(3)中的3個參數n,m和a都已求出(如表1所示)。

表1 式(2),式(3)中的各參數值

結合表1中的各參數值和式(2)，式(3),可以得出任意時刻的分別加載蠕變應變率。利用式(2)，式(3)擬合分別加載蠕變試驗初始加載、卸載、重復加載過程中的蠕變應變率,其結果如圖2～圖4所示。

從圖2～圖4中可以看出初始加載、卸載、重復加載過程中的蠕變應變率被擬合的很好。式(2)，式(3)能較好地描述網紋紅土分別加載條件下蠕變應變率變化規律。

4 結論