软土蠕变特性试验研究

第28卷 第5期 岩 土 工 程 学 报 Vol.28 No.5 2006年 5月 Chinese Journal of Geotechnical Engineering May, 2006

软土蠕变特性试验研究

周秋娟，陈晓平

（暨南大学力学与土木工程系，广东 广州 510632）

摘要：针对广州南沙原状软土进行了一系列室内试验研究，包括三轴压缩试验、三轴蠕变试验和一维固结试验，系统地探讨了软土的蠕变变形特性。结果表明：软土的蠕变特性与多种因素有关，包括土体的初始固结度、土层排水条件、加荷比等；次固结系数与固结压力的关系取决于土体的先期固结压力和试验中的加荷比。

关键词：软土；蠕变；次固结；试验

中图分类号：TU41 文献标识码：A 文章编号：1000–4548(2006)05–0626–05

作者简介：周秋娟(1981–)，女，浙江人，硕士研究生，从事土力学与基础工程工作。

Experimental study on creep characteristics of soft soils

ZHOU Qiu-juan, CHEN Xiao-ping

（Department of Mechanics and Civil Engineering, Jinan University, Guangzhou 510632, China）

Abstract: Based on a series of laboratory tests with undisturbed samples obtained from Nansha of Guangzhou, including triaxial compression test, triaxial creep test and one dimensional compression test, creep deformation characteristics of soft soils were researched. It was shown that there were many factors impacting on the creep characteristics of soils, such as the initial degree of consolidation, drainage condition, load ratios and so on; and the relationship between coefficient of secondary consolidation and consolidation pressure depended on preconsoildation pressure and load ratios in the test.

Key words: soft soil; creep; secondary consolidation; experiment

0 引 言

土体变形是土体在外力作用下，土颗粒趋向新的、较稳定的位置移动而产生的，一般可分为固结变形和次固结变形。固结是土体受外力作用后由内部应力变化引起的体积变化。次固结是指由土骨架蠕动产生的变形，主要指超孔隙水压力消散后，有效应力基本稳定的条件下，因土粒表面的结合水膜蠕变及土颗粒结构重新排列等引起的较为缓慢的变形，因而可以认为次固结变形即属于蠕变变形，与时间密切相关。陈宗基认为造成次固结变形的时间效应的机械作用有2个主要的过程：①因剪应力而产生的滞留和因球应力而产生的体积蠕变，②在这2个过程中产生的土骨架硬化[1]。

对于饱和软土而言，应力、应变受时间的影响是很明显的。根据应力状态的不同，其变形速率有时是极其缓慢的，最后趋于停止；有时则逐渐增长，最后导致破坏。近年来，随着软土工程的迅速发展，关于软土的变形时效特性的研究取得了很多的成果[2-6]。本文在已有研究成果基础上，重点探讨不同应力和排水条件下土体蠕变变形的变化规律，以对控制软土工程的工后沉降提供理论依据。1 试验方案

1.1 土的基本物理特性

试验选取珠江入海口处典型土样，根据土体的外观特点，可知该地区在6.4～8.4 m范围内为淤泥混砂层，有些土样中还混有贝壳等杂质。其基本物理性质指标如表1。

1.2 三轴压缩试验

常规三轴试验在TSZ30－2.0型应变控制式三轴仪上进行。试验采用φ= 39.1 mm，H = 80 mm的原状土样。为了探讨土体初始固结度U0和排水条件对应力–应变特性的影响，在三轴试验中分别进行了不固结不排水（UU）试验、施加围压σ3使土体达到固结度Ｕ为25%、50%、100%的固结不排水剪（CU）试验和固结排水剪（CD）试验。

1.3 三轴蠕变试验

三轴蠕变试验在应力控制式三轴剪切渗透试验仪───────

基金项目：广东省自然科学基金资助项目（021145）；广东省科技计划项目（2004B32801003）；广东省水利厅科技计划项目（2003-13）

收稿日期: 2005–03–21

第5期 周秋娟，等. 软土蠕变特性试验研究

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表1 土样基本物理性质指标

Table 1 Basic physical parameters of soil samples

土样编号 取样深度/m 含水率w /％

土粒比重G s

密度ρ/(g ·cm -3

)孔隙比e 液限w L (％) 塑限 w P (％)

液性指数

I L 塑性指数I P #1 6.4～6.6 63.29 － 1.73 1.47 － － － － #2 6.6～6.8 50.24 2.62 1.75 1.25 27.1 11.4 1.43 15.7 #3 6.8～7.0 75.48 2.64 1.51 2.00 － － － － #4 7.0～7.2 67.06 2.64 － － 44.3 19.0 1.08 25.3 #5 7.2～7.4 68.03 － － － － － － － #6 7.4～7.6 46.78 2.62 － － 32.2 13.1 1.05 19.1 #7 7.6～7.8 43.68 2.64 1.82 0.87 － － － － #8 7.8～8.0 67.90 － － － － － － － #9 8.0～8.2 69.02 2.63 － － 58.2 23.1 0.79 35.1 #10

8.2～8.4

64.29 － － － － － － －

上进行。试验采用φ = 39.1 mm ，H = 80 mm 的原状土

样。此试验是为了探讨不同应力、加荷速率和排水条件对应变的影响，在围压为200 kPa 下固结1 d 后分别进行了不同偏应力时固结不排水试验和固结排水试验。试验应力分5级加荷，5级为20 kPa ，持续时间为3 d 。而每一级20kPa 分4次加，5次加5 kPa ，时间间隔为4 h 。

1.4 一维固结试验方案

一维固结试验在WG 型单杠杆轻便式低压固结仪上进行，在双面排水的情况下采用多级加荷方式进行试验，试验采用φ = 61.8 mm ，H = 20 mm 的原状土样。每级荷载持续时间为1 d ，试验方案如下： # 1.0 251.0 1.0 1.050100200112.52550100200400(kPa)⎯⎯⎯⎯⎯⎯→⎯⎯→⎯⎯→⎯⎯→⎯⎯→加荷比荷载增量12.5kPa

土样： #

.0 501.0

0.5200

200

212.550200400600(kPa)

⎯⎯⎯⎯⎯⎯→⎯⎯→⎯⎯→⎯⎯→加荷比3荷载增量37.5kPa

土样： 1.03.075

#

1.0 1.00.525

25

0.30.50.330.525200501000.330.50.2100200100312.52550100150200300400600700(kPa)⎯⎯⎯⎯⎯⎯→⎯⎯→⎯⎯→⎯⎯→⎯⎯→⎯⎯⎯→⎯⎯→⎯⎯⎯→⎯⎯→⎯⎯→加荷比荷载增量12.5 kPa

土样： #

1.0 1.0 1.0100200

450100200400(kPa)⎯⎯⎯⎯⎯⎯→⎯⎯→⎯⎯→加荷比荷载增量50 kPa 土样： 2 成果分析

2.1 三轴压缩试验成果及分析

图1是常规三轴压缩试验所得的不同固结度和排水条件下的偏应力–轴向应变关系曲线，表2为各种试验条件下的强度参数。结果表明：

(1) 土体在不同的固结状态及排水条件下，受剪过程中的应力–应变关系是有明显不同的：图1（a ）～（d ）所示关系曲线都有明显的屈服点，1（a ）在屈服点前后分别为2段斜率不同的近似线性关系，而图1（b ）～（d ）的曲线有较好的双曲线特征；图1（e ）没有明显的屈服点，应力–应变关系呈线性。

(2) 比较图1（b ）～（d ）可知，随着U 0的增大，

土体的屈服点越延后，其值也越大。结合表2说明，随着U 0的增大，土体排水条件越好，土体固结效应越明显，抗剪强度越高。

(3) 从图1（e ）可以看出，剪切过程中排水与否对土的抗剪强度有较大影响。排水条件下，抗剪强度要高很多。

另文献[7]中指出，排水条件的不同实际就是土样的固结程度的不同，因此三轴试验测定的抗剪强度会受到剪前和剪切时固结程度的影响。

表2 不同试验条件下的抗剪强度

Table 2 Shear strength under different test conditions

试验条件

c /kPa ϕ/(°) UU 0.90 4 U 0 = 25% 3.11 15 U 0 = 50% 4.49 15 CU

U 0 = 100% 12.20 11 CD 23.45 13

2.2 三轴蠕变试验成果及分析

土的蠕变对于实际软土工程而言，条件总是介于

完全排水与完全不排水之间，蠕变变形也是统指剪应变和体积应变随时间而变的现象，其应变速率取决于土体结构的粘滞阻力和其它一些工程因素。而对于室内试验而言，可以构造土样完全排水和完全不排水两种理想状态，认为蠕变可在排水与不排水2种绝对条件下发生：排水蠕变包括剪应变和体积应变两部分，产生于有效应力为常数的条件下；不排水蠕变只产生剪应变，产生于常体积和恒定总应力时。

(1) 加荷速率对蠕变变形的影响

图2、3分别为不排水与排水条件下蠕变试验的ε–t 曲线。以往的室内蠕变试验均采用瞬时加荷方式，为了模拟实际工程中的逐步加荷条件，本次试验采用减小加荷速率的方式把每级荷载分4次施加，每次仅加5 kPa 。与通常的瞬时加荷情况相比，减小加荷速率后，除第1级加荷时瞬时变形较大外，其他每一级荷载下瞬时变形都较小，表明变形是逐步增长的，如图2、3所示。