簡介
自20 年代太沙基(Terzaghi)提出單向固結試驗的基本理論以來, 分級加荷壓縮試驗廣泛用於工程設計;以其理論簡明, 操作方便等特點而沿用至今。然而這種方法也存在一些缺點, 主要是試驗周期長, 一次試驗需要數天甚至十餘天時間。再者試驗荷載成倍增長(一般每級荷載的增量比為1), 所得試驗點數據較少, 影響先期固結壓力指標的正確確定。固結過程中, 由於試樣排水面處孔隙水壓力梯度很大, 有可能破壞試樣的原狀結構。採用固定歷時, 不便於了解荷重速率對土的壓縮性狀的影響, 而且這樣的加荷方式也與實際工程施工出入很大。早在1959 年, 漢彌爾登(Hamilton)與克勞福首先提出了連續加荷的恆應變速率壓縮試驗法(簡稱CRS 法), 後來又得到了發展。這類試驗大大縮短了試驗時間。試驗即採用了連續加荷壓縮試驗中的恆荷重速率試驗法(簡稱CRL 法), 加荷時控制試樣上應力增長速率為常量。
k0 固結試驗
1 試驗儀器簡介
試驗是在GDS 三軸試驗系統中進行的。由圍壓控制器(Cell Pressure Controller)對壓力室中的水加壓, 再通過水將圍壓力施加到試樣上。反壓控制器(Back Pressure Controller)量測、控制試樣中的孔隙水壓力, 以及試樣中孔隙水體積變化。氣壓控制器(Air Pressure Controller)量測、控制土樣中的孔隙氣壓力和孔隙氣體積變化。軸向加壓系統負責對試樣施加軸向壓力, 從而在試樣中產生偏應力。壓力的量測控制精度為1 kPa , 體積的量測控制精度為1mm3。通過計算機控制與分析系統,GDS 可以實現2Hz 周期荷載試驗、應力路徑試驗、k0 固結試驗、壓縮或拉伸剪下試驗。
2 試驗用土的基本性質
本次試驗所用黃土取自甘肅定西土家灣隧道西側, 屬於典型的隴西Q3 黃土。取土深度1 .3 ～ 1 .8m , 土呈褐黃色, 硬塑狀態, 天然含水量為6 .2 %～9 .7 %, 天然密度為(1 .35 ～ 1 .41)×10kN/m3 , 天然孔隙比為1 .05 ～ 1 .20。
通過室內試驗測得該土的基本物性指標如下:
塑限ωp =19 .0 , 液限ωL =28 .3 , 塑性指數LP =9 .3 ,不均勻係數Ku =11 , 曲率係數Kc =2 .27。
3 試樣的製備方法
按照試驗規程[ 2] 用專用的削土器將土樣削製成高度為80mm, 直徑為39 .1mm 的圓柱形試樣, 控制同一組試樣含水量差值不大於2 %, 乾密度差值不超過0 .3kN/m3。本次試驗試樣乾密度變化範圍為(1 .28 ～ 1 .30)×10kN/m3。根據設定的含水量推算出該含水量下的試樣重, 同時求出達到所需含水量時的配水量(或減水量), 用風乾法和水膜轉移法控制含水量。
4 試驗方法
試驗中排除乾密度的變化所造成的影響, 從而控制試驗的影響因素是應力水平和土樣含水量, 試驗共做了四個應力水平(σrc =100kPa , 200kPa ,300kPa , 400kPa)和兩組含水量(W =18 %, 13 %)。試驗時, 在試樣中間高度處安裝霍爾效應感測器(Hall Effect Transducer)量測中斷面處的徑向變形,並將變形值反饋到計算機控制系統, 以此來調整載入系統, 實現k0 固結條件。如前所述, 本次試驗採用的是恆荷重速率法, 施加速率為10kPa/h , 待側壓達到指定壓力時,保持側壓穩定不變, 讓試樣在此壓力下繼續固結,固結結束標準是試樣軸向變形穩定, 判斷標準為每小時變形量不超過0 .01mm。
試驗結果分析
1 軸向應力隨側向應力的變化
黃土是一種典型的結構性土, 其結構性特徵在其結構連線沒有遭到破壞以前表現為它維持結構可穩性的能力;在結構遭到破壞以後表現為結構可變性能力。在側向應力線性增加過程中,軸向應力試驗曲線可分為三個階段。
第一階段, 在荷載較小的情況下, 土的結構性基本保持完好, 外荷載由土的結構強度所承擔, 土體基本不發生側向變形。表現為軸向應力試驗曲線基本與坐標縱軸重合, 即在k0 狀態下單位側向應力的增加需要較大的軸向應力。
第二階段, 隨著外荷載的增加, 進入結構大量破損階段。這時, 除了顆粒間的滑移外, 還伴隨著結構的坍塌, 相應的壓縮性可能遠高於重塑土的壓縮性。表現為軸向應力試驗曲線斜率突然變緩。將此斜率突然變化點所對應的軸向應力亦即進入第二階段的臨界軸向應力值稱為結構屈服荷載。
第三階段, 等荷載增加至某一臨界值, 土的結構已發展到全部破壞。此時, 土的性質已接近重塑土, 土顆粒間的滑移成為變形的主要原因。把這一極限荷載稱為硬化荷載。表現為軸向應力試驗曲線斜率又有所增大, 側向應力與軸向應力成比例增長。
當側向應力穩定後,軸向應力也基本穩定並會略有減小。這一點可以用土的次固結理論來解釋。本次試驗由於載入速率(10kPa/h)很小, 加荷過程中由荷載隨時間增加所引起的超靜孔隙壓力增加和孔隙壓力隨時間的消散基本相互抵消, 試驗數據顯示整個加荷過程中不產生超靜孔隙壓力。所以, 加荷結束後, 外荷載完全由土骨架承擔。在骨架應力作用下, 土體發生進一步的變形, 骨架體錯動, 土顆粒重新排列, 由此引起側向變形略有增大。而k0 固結中是不允許側向變形的,在側向應力不變的情況下只能減小軸向應力來消除側向變形。
2 應變分析
由於沒有側向變形, 以下的應變即是指軸向應變。傳統土力學用孔隙比e 和垂直壓力p 的關係表示土的側限壓縮特性, 雖然有很多優點, 但在土體變形計算中卻顯得十分不方便。因為在變形計算中必須把e ～ p 曲線還原為垂直壓縮應變和垂直壓應力的關係, 這對變形計算來說, 是不必要的, 增加了測試和計算誤差。
總結
利用恆荷重速率試驗法, 對隴西Q3 黃土進行了k0 固結試驗, 得到以下結論:
(1)原狀黃土由於結構性的影響, 在連續載入過程中, 其變形特性可劃分為三個階段:結構基本完好階段、結構破壞階段和重塑階段。
(2)忽略第一階段變形, 在應力變化過程中, 應變與軸向應力的對數近似呈線性關係。
(3)應力穩定後, 應變與時間之間呈現雙曲線關係模式。
