連續(xù)加荷固結(jié)試驗簡介

自20 年代太沙基(Terzaghi)提出單向固結(jié)試驗的基本理論以來, 分級加荷壓縮試驗廣泛用于工程設(shè)計;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), 主要是試驗周期長, 一次試驗需要數(shù)天甚至十余天時間。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(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, 不便于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(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)變速率壓縮試驗法(簡稱CRS 法), 后來又得到了發(fā)展。這類試驗大大縮短了試驗時間。試驗即采用了連續(xù)加荷壓縮試驗中的恒荷重速率試驗法(簡稱CRL 法), 加荷時控制試樣上應(yīng)力增長速率為常量 。

1 　試驗儀器簡介

試驗是在GDS 三軸試驗系統(tǒng)中進(jìn)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(tǒng)負(fù)責(zé)對試樣施加軸向壓力, 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、應(yīng)力路徑試驗、k0 固結(jié)試驗、壓縮或拉伸剪切試驗。

2 　試驗用土的基本性質(zhì)

本次試驗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, 同時求出達(dá)到所需含水量時的配水量(或減水量), 用風(fēng)干法和水膜轉(zhuǎn)移法控制含水量。

4 　試驗方法

試驗中排除干密度的變化所造成的影響, 從而控制試驗的影響因素是應(yīng)力水平和土樣含水量, 試驗共做了四個應(yīng)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(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,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)為每小時變形量不超過0 .01mm 。

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(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, 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)力試驗曲線斜率突然變緩。將此斜率突然變化點(diǎn)所對應(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, 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。本次試驗由于加載速率(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(shù)據(jù)顯示整個加荷過程中不產(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, 骨架體錯動, 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(yīng)變和垂直壓應(yīng)力的關(guān)系, 這對變形計算來說, 是不必要的, 增加了測試和計算誤差 。

利用恒荷重速率試驗法, 對隴西Q3 黃土進(jìn)行了k0 固結(jié)試驗, 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)力的對數(shù)近似呈線性關(guān)系。

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

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

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

(2)等加荷率試驗法(簡稱CRL試驗)，即試驗過程中，加荷速率保持常量。

(3)控制梯度試驗法(簡稱CGC試驗)，即在試驗過程中.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。

(4)控制孔隙壓力比試驗法(簡稱等固結(jié)度試驗)，即試驗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。