連續(xù)加荷固結(jié)試驗(yàn)

1 　試驗(yàn)儀器簡介

試驗(yàn)是在GDS 三軸試驗(yàn)系統(tǒng)中進(jìn)行的。由圍壓控制器(Cell Pressure Controller)對(duì)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(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)試樣施加軸向壓力, 從而在試樣中產(chǎn)生偏應(yīng)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(jì)算機(jī)控制與分析系統(tǒng),GDS 可以實(shí)現(xiàn)2Hz 周期荷載試驗(yàn)、應(yīng)力路徑試驗(yàn)、k0 固結(jié)試驗(yàn)、壓縮或拉伸剪切試驗(yàn)。

2 　試驗(yàn)用土的基本性質(zhì)

本次試驗(yàn)所用黃土取自甘肅定西土家灣隧道西側(cè), 屬于典型的隴西Q3 黃土。取土深度1 .3 ～ 1 .8m , 土呈褐黃色, 硬塑狀態(tài), 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(nèi)試驗(yàn)測得該土的基本物性指標(biāo)如下:

塑限ωp =19 .0 , 液限ωL =28 .3 , 塑性指數(shù)LP =9 .3 ,不均勻系數(shù)Ku =11 , 曲率系數(shù)Kc =2 .27 。

3 　試樣的制備方法

按照試驗(yàn)規(guī)程[ 2] 用專用的削土器將土樣削制成高度為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于2 %, 干密度差值不超過0 .3kN/m3 。本次試驗(yàn)試樣干密度變化范圍為(1 .28 ～ 1 .30)×10kN/m3 。根據(jù)設(shè)定的含水量推算出該含水量下的試樣重, 同時(shí)求出達(dá)到所需含水量時(shí)的配水量(或減水量), 用風(fēng)干法和水膜轉(zhuǎn)移法控制含水量。

4 　試驗(yàn)方法

試驗(yàn)中排除干密度的變化所造成的影響, 從而控制試驗(yàn)的影響因素是應(yīng)力水平和土樣含水量, 試驗(yàn)共做了四個(gè)應(yīng)力水平(σrc =100kPa , 200kPa ,300kPa , 400kPa)和兩組含水量(W =18 %, 13 %)。試驗(yàn)時(shí), 在試樣中間高度處安裝霍爾效應(yīng)傳感器(Hall Effect Transducer)量測中斷面處的徑向變形,并將變形值反饋到計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng), 以此來調(diào)整加載系統(tǒng), 實(shí)現(xiàn)k0 固結(jié)條件。如前所述, 本次試驗(yàn)采用的是恒荷重速率法, 施加速率為10kPa/h , 待側(cè)壓達(dá)到指定壓力時(shí),保持側(cè)壓穩(wěn)定不變, 讓試樣在此壓力下繼續(xù)固結(jié),固結(jié)結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)是試樣軸向變形穩(wěn)定, 判斷標(biāo)準(zhǔn)為每小時(shí)變形量不超過0 .01mm 。

利用恒荷重速率試驗(yàn)法, 對(duì)隴西Q3 黃土進(jìn)行了k0 固結(jié)試驗(yàn), 得到以下結(jié)論:

(1)原狀黃土由于結(jié)構(gòu)性的影響, 在連續(xù)加載過程中, 其變形特性可劃分為三個(gè)階段:結(jié)構(gòu)基本完好階段、結(jié)構(gòu)破壞階段和重塑階段。

(2)忽略第一階段變形, 在應(yīng)力變化過程中, 應(yīng)變與軸向應(yīng)力的對(duì)數(shù)近似呈線性關(guān)系。

(3)應(yīng)力穩(wěn)定后, 應(yīng)變與時(shí)間之間呈現(xiàn)雙曲線關(guān)系模式 。2100433B

自20 年代太沙基(Terzaghi)提出單向固結(jié)試驗(yàn)的基本理論以來, 分級(jí)加荷壓縮試驗(yàn)廣泛用于工程設(shè)計(jì);以其理論簡明, 操作方便等特點(diǎn)而沿用至今。然而這種方法也存在一些缺點(diǎn), 主要是試驗(yàn)周期長, 一次試驗(yàn)需要數(shù)天甚至十余天時(shí)間。再者試驗(yàn)荷載成倍增長(一般每級(jí)荷載的增量比為1), 所得試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)據(jù)較少, 影響先期固結(jié)壓力指標(biāo)的正確確定。固結(jié)過程中, 由于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(jié)構(gòu)。采用固定歷時(shí), 不便于了解荷重速率對(duì)土的壓縮性狀的影響, 而且這樣的加荷方式也與實(shí)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(xù)加荷的恒應(yīng)變速率壓縮試驗(yàn)法(簡稱CRS 法), 后來又得到了發(fā)展。這類試驗(yàn)大大縮短了試驗(yàn)時(shí)間。試驗(yàn)即采用了連續(xù)加荷壓縮試驗(yàn)中的恒荷重速率試驗(yàn)法(簡稱CRL 法), 加荷時(shí)控制試樣上應(yīng)力增長速率為常量 。

1 　軸向應(yīng)力隨側(cè)向應(yīng)力的變化

黃土是一種典型的結(jié)構(gòu)性土, 其結(jié)構(gòu)性特征在其結(jié)構(gòu)連接沒有遭到破壞以前表現(xiàn)為它維持結(jié)構(gòu)可穩(wěn)性的能力;在結(jié)構(gòu)遭到破壞以后表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)可變性能力。在側(cè)向應(yīng)力線性增加過程中,軸向應(yīng)力試驗(yàn)曲線可分為三個(gè)階段。

第一階段, 在荷載較小的情況下, 土的結(jié)構(gòu)性基本保持完好, 外荷載由土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度所承擔(dān), 土體基本不發(fā)生側(cè)向變形。表現(xiàn)為軸向應(yīng)力試驗(yàn)曲線基本與坐標(biāo)縱軸重合, 即在k0 狀態(tài)下單位側(cè)向應(yīng)力的增加需要較大的軸向應(yīng)力。

第二階段, 隨著外荷載的增加, 進(jìn)入結(jié)構(gòu)大量破損階段。這時(shí), 除了顆粒間的滑移外, 還伴隨著結(jié)構(gòu)的坍塌, 相應(yīng)的壓縮性可能遠(yuǎn)高于重塑土的壓縮性。表現(xiàn)為軸向應(yīng)力試驗(yàn)曲線斜率突然變緩。將此斜率突然變化點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)力亦即進(jìn)入第二階段的臨界軸向應(yīng)力值稱為結(jié)構(gòu)屈服荷載。

第三階段, 等荷載增加至某一臨界值, 土的結(jié)構(gòu)已發(fā)展到全部破壞。此時(shí), 土的性質(zhì)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(xiàn)為軸向應(yīng)力試驗(yàn)曲線斜率又有所增大, 側(cè)向應(yīng)力與軸向應(yīng)力成比例增長。

當(dāng)側(cè)向應(yīng)力穩(wěn)定后,軸向應(yīng)力也基本穩(wěn)定并會(huì)略有減小。這一點(diǎn)可以用土的次固結(jié)理論來解釋。本次試驗(yàn)由于加載速率(10kPa/h)很小, 加荷過程中由荷載隨時(shí)間增加所引起的超靜孔隙壓力增加和孔隙壓力隨時(shí)間的消散基本相互抵消, 試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示整個(gè)加荷過程中不產(chǎn)生超靜孔隙壓力。所以, 加荷結(jié)束后, 外荷載完全由土骨架承擔(dān)。在骨架應(yīng)力作用下, 土體發(fā)生進(jìn)一步的變形, 骨架體錯(cuò)動(dòng), 土顆粒重新排列, 由此引起側(cè)向變形略有增大。而k0 固結(jié)中是不允許側(cè)向變形的,在側(cè)向應(yīng)力不變的情況下只能減小軸向應(yīng)力來消除側(cè)向變形。

2 　應(yīng)變分析

由于沒有側(cè)向變形, 以下的應(yīng)變即是指軸向應(yīng)變。傳統(tǒng)土力學(xué)用孔隙比e 和垂直壓力p 的關(guān)系表示土的側(cè)限壓縮特性, 雖然有很多優(yōu)點(diǎn), 但在土體變形計(jì)算中卻顯得十分不方便。因?yàn)樵谧冃斡?jì)算中必須把e ～ p 曲線還原為垂直壓縮應(yīng)變和垂直壓應(yīng)力的關(guān)系, 這對(duì)變形計(jì)算來說, 是不必要的, 增加了測試和計(jì)算誤差 。

連續(xù)加荷固結(jié)試驗(yàn)按照試驗(yàn)過程控制條件的不同，一般分為四種方法:

(1)等應(yīng)變率試驗(yàn)法(簡稱CRS試驗(yàn))，即試驗(yàn)過程中，單位時(shí)間內(nèi)變形值為常量。

(2)等加荷率試驗(yàn)法(簡稱CRL試驗(yàn))，即試驗(yàn)過程中，加荷速率保持常量。

(3)控制梯度試驗(yàn)法(簡稱CGC試驗(yàn))，即在試驗(yàn)過程中.使試樣不透水底部的孔隙水壓力為常量，故又稱等梯度試驗(yàn)。

(4)控制孔隙壓力比試驗(yàn)法(簡稱等固結(jié)度試驗(yàn))，即試驗(yàn)過程中控制試樣底部的孔隙水壓力與相應(yīng)的總應(yīng)力之比值為規(guī)定數(shù)值。