加載方式對雜填土與軟土互嵌沉降的影響

張福海,黃振清,宋永平,陳 宇

(1.河海大學 巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室,江蘇 南京 210098;2.河海大學 疏浚技術教育部工程研究中心,江蘇 常州 213022)

隨著城市發展,新的城市功能區逐漸在雜填土地基上興起。城市雜填土結構復雜,級配不均,天然密度大,結構疏松,是一種多相土[1]。當軟土層上覆雜填土層時,在上覆荷載作用下下層軟土會輕易擠入雜填土顆粒中,發生互嵌現象,從而引發額外的地基沉降。傳統的地基沉降計算方法主要采用分層總和法,分別計算雜填土層和軟土層的壓縮變形之后累加,未考慮由于互嵌造成的這部分沉降。而互嵌引發的地基沉降與壓縮變形產生的沉降有著本質的區別,如何對該互嵌現象引起的沉降進行分析和預測,對地基沉降的準確預測具有重要意義。

目前地基沉降計算方法主要分為兩類。一類是以分層總和法為代表的工程實用計算方法[2-5],但是此類方法往往與實際沉降有較大差異;另一類是考慮復雜本構模型的有限元法、差分法等數值方法[6-8],此類方法參數難以確定,且難以考慮所有因素。國內外許多學者從多個角度對地基沉降進行了研究[9-21]。張誠厚等[9]證實了軟粘土的結構性對其物理力學特性以及地基沉降具有較大影響。蔣鑫等[10]對頂面寬度、路基高度及邊坡坡比等斷面幾何參數對軟基沉降特性的影響進行較深入的模擬分析。Feng等[14-16]、對分級加載情況下地基沉降進行了分析,提出了新的固結蠕變計算模型,并對地基沉降進行了預測。Huang等[17]對動荷載作用下地基在列車不同運行速度下的位移響應沉降進行了數值模擬,同時利用室內縮尺模型進行對比分析。Wang等[18]對凍土地基沉降進行了室內試驗,并對其進行水熱力三相耦合模擬研究。

盡管許多學者對地基沉降進行了詳細的研究,但當前對雜填土與軟土互嵌沉降方面的研究相對較少。張福海[19-21]證實了雜填土與軟土互嵌沉降的存在,并對雜填土顆粒光滑程度、顆粒大小及組成以及上覆荷載等分析,但加載方式對互嵌沉降的影響并未作過多闡述。因此筆者利用課題組自研儀器進行室內雜填土和軟土互嵌沉降試驗,研究不同加載方式下雜填土和軟土地基的互嵌沉降的影響。

1 試驗方案

1.1 試驗裝置

本試驗采用自行研制的互嵌實驗儀[17],包括加載裝置、容器裝置、測量裝置。加載裝置由杠桿、杠桿調平機構、水平氣泡以及砝碼組成。荷載通過杠桿形式施加,杠桿比為17.662 5∶1。為保持荷載穩定施加,在試驗過程中每隔一段時間需要手動旋轉杠桿調平機構使氣泡水平。容器裝置由傳壓板、上容器和下容器組成。上下容器直徑均為30 cm,上容器為雜填土顆粒填充區,下容器為軟土填充區。傳壓板位于上容器頂部,濾水板位于下容器底部,且濾水板上設有排水口,通過三通閥排水。測量裝置包括位移傳感器、孔壓傳感器和壓差傳感器,傳感器均與電腦相連,自動采集實驗過程中的位移、排水量以及孔壓。兩個位移傳感器用于測量傳壓板的位移,求二者平均值以減小實驗誤差?？讐簜鞲衅鞴潭ㄔ谙氯萜魍脖?壓差傳感器與量管連接,用于試驗過程中的排水量。圖1、圖2分別為試驗裝置的設計圖與實物圖。

注:1、反力框架;2、平衡錘;3、杠桿調平機構;4、杠桿;5、平衡水泡;6、位移傳感器;7、滾珠排;8、傳壓板;9、上容器;10、量管;11、支架;12、孔壓傳感器;13、砝碼;14、第二、三通閥;15、下容器;16、第一通閥;17、出水口;18、壓差傳感器。A、支點,B、受力點,C、加載點。圖1 試驗儀器設計圖Fig.1 Design drawing of test instruments

1.2 試驗材料

1.2.1 雜填土材料

由于雜填土結構復雜,進行實驗時沉降發展規律難以掌握,文獻[19-21]采用統一粒徑的水泥球顆粒代替雜填土研究雜填土顆粒粒徑、顆粒材料、上覆荷載等對互嵌沉降的影響,因此本文仍采用統一粒徑的球形水泥球顆粒代替雜填土。由于顆粒粒徑大于25 mm時,顆粒粒徑變化對互嵌沉降會產生顯著影響,因此本文采用粒徑為5 mm和10 mm的顆粒進行試驗,減小因粒徑變化帶來的誤差,同時進行對比試驗,使試驗結果更加準確。

為保證每個顆粒的密度相同,采用模具制備時,使用震動臺震動,排出球內空氣,使水泥球顆粒密實。制樣成功后,空氣中靜置12 h,然后放入水中養護至少7 d。制備粒徑為5 mm和10 mm的水泥球,如圖3所示。

圖3 雜填土顆粒Fig.3 Miscellaneous fill particles

1.2.2 軟土材料

試驗所用軟土取自南京市秦淮河,其天然狀態下呈灰褐色,含水率高。試驗時采用重塑土。其各項物理指標如表1所示。

表1 軟土基本物理指標Tab.1 Basic physical properties of soft soil

表2 加載方案Tab.2 Testing programs

1.3 試驗原理

常規地基進行沉降預測時,一般采用分層總和法,將各層地基沉降累加;而雜填土地基的沉降不僅包括雜填土層沉降和軟土固結沉降,還包括互嵌沉降[19]。本文進行的室內試驗采用球形水泥球顆粒來模擬雜填土層,雜填土顆粒沉降相對較小,可以忽略不計。圖4為雜填土與軟土互嵌示意圖。在不考慮雜填土層沉降情況下,互嵌沉降(互嵌位移)為總沉降與軟土固結沉降之差,即

圖4 軟土與雜填土互嵌示意圖Fig.4 Schematic diagram of soft soil and miscellaneous filling

h2=h-h1

(1)

式中,h—為總沉降,mm;h1—軟土固結沉降,mm;h2—互嵌沉降,mm。

假設試驗過程中軟土顆粒不變形,試驗所配置軟土試樣為抽氣飽和樣,軟土層的沉降完全取決于排水量。通過量管以及壓差傳感器測得排水量,根據式(2)計算得出軟土固結沉降。

(2)

式中,V—為排水量,mL;S—下容器斷面面積,cm2。

1.4 試驗方法

試驗總荷載為100 kPa,采用一次加載、常規分級加載以及復合多級加載方式施加。為了使試驗結果更加準確,將每級荷載作用下的最后一小時沉降量變化不超過0.01 mm視為沉降達到穩定。本文采用兩種粒徑(5、10 mm)的雜填土顆粒進行試驗,具體方案如下:

(1)一次加載:將100 kPa荷載一次性施加。

(2)常規分級加載:將荷載分3級施加,第一級25 kPa,第二級50 kPa,第三級100 kPa。

(3)復合多級加載:在常規分級加載的基礎上再將每一級荷載分為兩小級(共6級),然后按照不同比例施加每一小級荷載。在每一大級荷載中,定義其中第一小級荷載與這一大級荷載的比值為荷載占比,具體施加順序如下:

2 試驗結果及分析

2.1 試驗結果

圖5為沉降結束后的互嵌層實物圖,可以發現在雜填土與軟土地基沉降中,互嵌沉降是不可忽略的一部分,這與文獻[20]中得到的結論一致。根據雜填土與軟土試驗結果,繪制不同加載方式下總沉降與互嵌沉降隨時間變化曲線,分別如圖6、圖7所示。

圖5 互嵌層實物圖Fig.5 Physical image of interbedded layers

圖6 不同加載方式下總沉降的變化情況Fig.6 Variable condition of settlement under different loading methods

圖7 不同加載方式下互嵌沉降的變化情況Fig.7 Variable condition of embedded settlement under different loading methods

由圖6、圖7可以看出,不同加載方式下互嵌沉降與總沉降均呈現出相同的階梯型增長趨勢,即在加載瞬間沉降驟增,然后逐漸減緩并趨于穩定。因此,不同加載方式下總沉降、互嵌沉降的差異主要來源于加載瞬間產生的沉降。

此外,在整個加載過程中,總沉降與互嵌沉降的變化規律基本類似,均為一次加載最大,常規分級次之,復合多級加載最小。而在整個復合多級加載過程中,其總沉降與互嵌沉降大小基本為多級75%～25%最大,多級50%～50%次之,多級25%～75%最小。取不同加載方式下總沉降與互嵌沉降最終穩定值為最終總沉降與最終互嵌沉降,其大小見表3。根據表3可知,互嵌沉降與總沉降比值分別在42%(粒徑5 mm)和56%(粒徑10 mm)以上。

表3 不同加載方式下總沉降與互嵌沉降(單位:mm)Tab.3 Total settlement and embedded settlement under different loading methods (unit:mm)

2.2 加載級數對互嵌沉降的影響

取圖7中一次加載、常規分級加載、復合多級加載(多級50%～50%)的最終穩定互嵌沉降數據,對加載級數和互嵌沉降的關系進行分析并對關系曲線進行擬合處理,結果如圖8所示。其中一次加載、常規分級加載、復合多級加載(多級50%～50%)的加載級數分別為1、3、6。在相同的最終荷載作用下,隨著加載級數的增大,最終互嵌沉降逐漸減小,其原因可能是在加載級數較小的情況下,軟土較松散,孔隙較大,互嵌層也尚未完全形成;當施加荷載,雜填土顆粒迅速擠入軟土中,軟土與雜填土顆粒接觸的區域迅速發展成為互嵌層,互嵌層強度迅速提高,且承載力主要由互嵌層承擔,當施加下一級荷載時,此時互嵌層已經部分發展,剪切強度提高,進一步發展較困難,因此互嵌沉降減小。

從圖8中可以明顯地發現,粒徑5 mm組始終小于粒徑10 mm組。由于雜填土與軟土的互嵌實際上是雜填土與軟土的剪切變形過程,互嵌的發展是上覆荷載與雜填土和軟土顆粒間的界面摩擦的平衡過程,而顆粒粒徑對孔隙比影響不大,均在0.43～0.45之間[20],但當雜填土顆粒粒徑較小時,其比表面積較大,在加載過程中與土接觸的面積相對較大,界面摩擦較大,從而使得互嵌沉降較小。

根據以上試驗結果及分析可知,互嵌沉降隨著加載級數的增大而逐漸減小。因此,本文采用對數曲線對不同加載級數下互嵌沉降進行擬合,兩條曲線R2分別為0.987 8(粒徑5 mm)和0.998 1(粒徑10 mm),均大于0.98。且根據工程實際,總荷載不變,加載級數越大,沉降增長速度越小,兩條擬合曲線y=2.522 ln(x)+10.117(粒徑5 mm)與y= -3.261 ln(x)+14.436(粒徑10 mm)均滿足上述規律。因此,采用對數曲線擬合具有一定的合理性。

2.3 荷載占比對互嵌沉降的影響

圖9為復合多級加載方式和一次加載方式下荷載占比與互嵌沉降的關系曲線。根據前述荷載占比的定義可知,多級25%～75%加載方式下荷載占比為25%;多級50%～50%加載方式下荷載占比為50%;多級75%～25%加載方式荷載占比為75%;由于常規分級加載可以看作荷載占比為100%的復合多級加載(將每一級荷載分為兩小級,第一級占這一大級的比例為100%,第二級占0%),因此將其與復合多級加載進行對比分析。

圖9 不同荷載占比下互嵌沉降Fig.9 Embedded settlement under different load proportions

互嵌沉降從大到小的順序依次為:常規分級加載、多級75%～25%、多級50%～50%、多級25%～75%。其原因可能是在荷載占比較小的情況下,每一大級荷載中第一小級荷載較小,互嵌層發展較小,而當第二小級荷載作用時,此時互嵌層已有一定程度的發展,互嵌層想要繼續發展較為困難,需克服互嵌層內雜填土顆粒與軟土層間的剪切強度,因此互嵌沉降更大程度上取決于每一大級中第一小級荷載,即荷載占比越小,互嵌沉降越小,隨著荷載占比的增大,前期荷載增大,互嵌沉降逐漸增大。

根據以上分析,互嵌沉降隨荷載占比增大而增大,因此采用指數曲線進行擬合。擬合方程分別為y= 3.3e0.007 5x(粒徑5 mm)和y= 4.9e0.007 9x(粒徑10 mm),R2分別為0.998 3和0.987 9,均大于0.98。因此,采用指數曲線對荷載占比與互嵌沉降的發展規律進行擬合有一定的合理性。

2.4 互嵌沉降分析

為分析初期互嵌沉降的發展過程,引入初期互嵌沉降占比的概念,定義初期互嵌沉降與最終互嵌沉降的比值為初期互嵌沉降占比,分別取一次加載情況下加載20 min時的互嵌沉降、常規分級加載下第一級荷載穩定時(加載600 min)的互嵌沉降、多級加載下第二級荷載穩定時(加載1 200 min)的互嵌沉降作為初期互嵌沉降。表4為不同加載方式下的初期互嵌沉降占比。從表中可以發現初期互嵌沉降占比為43%～76%,說明互嵌沉降主要發生在加載初期,這與文獻[19]中得出的結論一致。

表4 不同加載方式下初期互嵌沉降占比Tab.4 The proportion of initial embedded settlement under different loading modes

將某一時刻下互嵌沉降與總沉降的比值定義為互嵌沉降比重,不同加載方式下互嵌沉降比重的發展趨勢如圖10所示。由圖可得,對于兩種粒徑的雜填土顆粒,加載方式為一次加載的最終互嵌沉降比重最大,其次是常規分級,最后是復合多級加載;而在復合多級加載中,最終互嵌沉降占比最大為多級75%～25%,其次是多級50%～50%,最后是多級25%～75%。說明在加載過程中互嵌沉降比重會受到加載級數的影響。從圖10中可以發現粒徑較大的雜填土顆粒在不同加載方式下的互嵌沉降比重隨加載時間的變化曲線更為集中,說明粒徑越大,互嵌沉降比重對于加載方式的敏感性更低,其原因是粒徑10 mm的雜填土顆粒比表面積較小,單位互嵌厚度內雜填土與軟土顆粒間的界面摩擦相對較小,有利于互嵌的進一步發展,導致互嵌沉降比重對于不同的加載方式變化不明顯。

圖10 不同加載方式下互嵌沉降比重隨時間變化情況Fig.10 Variation of interlocking sedimentation proportion with time under different loading modes

3 總結

1)不同加載方式下總沉降與互嵌沉降呈現出階梯式增長的趨勢,在加載瞬間沉降驟增,然后逐漸減緩并趨于穩定,總沉降、互嵌沉降差異主要來源于荷載施加瞬間的沉降變化。

2)多級加載情況下,互嵌沉降與加載級數負相關,與荷載占比正相關,且通過曲線擬合發現互嵌沉降與加載級數呈現對數曲線的關系,與荷載占比呈現出指數曲線的關系。

3)互嵌沉降比重與加載級數負相關,與荷載占比正相關,且當粒徑較大時,互嵌沉降比重對加載方式敏感度降低。