（岩土工程专业论文）由侧向变形引起的路基沉降室内试验和计算方法研究.pdf

一向变形引走舂一室戎和计算方馥耄 摘要 路基沉降计算一直是岩土工程研究的重点方向之一，其准确与否将直接关系到工程 的设计、施工和安全。目前，常用的计算方法都是基于土体一维压缩试验和t e z a g h i 一 维固结理论来开展的，只是考虑了法向力作用下的变形。然而，路堤荷载范围是有限的， 在土体中将会产生剪应力，土体处于平面应变状态，土体的变形是在二维应力条件下产 生的。目前所采用的常规沉降计算方法，都忽略了剪应力引起的剪切变形以及由剪切变 形所引起的沉降。一般文献上把荷载引起的瞬间变形作为剪切交形，该类方法是基于弹 性理论土体体积相等的条件推导的，是瞬时发生的，和本文所指出的剪切变形有本质的 区别。 本文首先通过大量的室内试验对软土地基侧向变形机理进行了研究，同时研究了侧 向变形的各影响因素。在总结前人研究的基础上提出了一种可以考虑侧向变形的沉降计 算方法。具体研究方法和成果介绍如下： 1 ) 提出了软土路基侧向变形的研究意义，并且对国内、外文献中有关路基侧向变 形和沉降内容的资料进行了总结。重点论证了侧向变形对沉降的影响贯穿于沉 降的整个过程以及剪应力对沉降曲线的影响，有别于传统的认为侧向变形引起 的沉降即为瞬时沉降的观点。 2 ) 进行了大量的室内三轴不排水、排水蠕变以及平面应变条件下的蠕变试验对侧 向变形机理以及侧向变形的影响因素进行了研究。得出了一些有意义的结论： 荷载作用下软土的瞬时应变与应力的关系是非线性的；在不排水条件下软土的 侧向变形是向外发展的，在排水情况下侧向变形既有鼓胀过程也有收缩过程； 加荷速率对侧向变形的发展影响不明显；软土的侧向变形变化形式与所受到的 剪应力水平存在对应关系，在低剪应力水平下路基软土的侧向变形对沉降的影 响是不显著，在高剪应力水平下路基软土的侧向变形对沉降的影响不能忽视， 剪应力对沉降的影响贯穿于沉降全过程。 3 ) 对目前主要的沉降计算方法进行了总结，建立了考虑土体侧向应变的沉降计算 方法。提出了两个修正系数对分层总和法进行修正，即体变修正系数地，和侧 一i q i , t t t l 走l i l l t 鲞记一室曩和竹鼻方i i 一克 向位移修正系数，其中，按照司开普顿和比伦方法进行计算；砌按照本文 建立的计算式求解。由于宽、窄路堤下剪应力分布形式不厨，我们分别推导了 这两种条件下耽f 的计算式。 钔通过粤东地区己建或在建的3 条高速公路若干断面的现场观测资料的分析，对 最大侧向变形和沉降的关系、侧向变形和时间的关系等进行了研究。得出了粤 东地区侧向位移修正值幻的经验值；最大侧向变形和沉降的关系曲线由3 段 线段组成；侧向变形和时间的关系曲线和剪应力水平有关；路基的侧向变形曲 线和土的泊松比、非线性、路堤的刚度等因素有关，同时由于固结的过程中土 体向内运动，而由不排水变形以及排水变形过程中的蠕变是向外运动的，这些 都是侧向变形难以预测的重要原因。 关键词：剪应力，侧向变形，沉降，三辘孀变试验，平面应变蠕交试验，计算方法， 现场资料 一向童形1 走舂芘一室囊氐和计算方硅一t a b s t r a c t n 壕s e t t l e m e n to f r o a d b e dw a sa l w a y sa l li m p o r t a n tr e s o u r c e f u lt o p i ci nt h eg e o t e c h n i c a i e n g i n e e r i n g w h e t h e ri t s c a l c u l a t i o nw a sr i g h to rn o tw a sam a t t e rw h i c ha f f e c t e dt h e d e s i g n 、c o n s t t u c t i o na n ds a f e t yo ft h ep r o j e c t n o w , t h eg o m l t l o nm e t h o d sf o rc a l c u l a t i o n w g t ea l lb a s e d0 1 1o n e d i m e n s i o n a lc o m p r e s s i o nt e s ta n do n e - d i m e n s i o n a lc o n s o l i d a t i o n t h e o r yi nw h i c hw eo n l yc o n s i d e r e dt h cd e f o r m a t i o nu n d e rv e r t i c a ls t r e s s h o w e v e r , t h e e m b a n k m e n tl o a db e l o n g e dt op a r t i a ll o a da n dw o u l db r i n gs h e a rs t i e s si nt h ef o u n d a t i o n s i n c et h es u bg r a d ew a su n d e rp l a n e - - - s t r a i nc o n d i t i o n , s ot h ed e f o r m a t i o no ft h es o i l h a p p e n e di nt w o - d i m e n s i o n b u tt h e s em e t h o d su s e dn o wa l w a y sn e g l e c t e dt h ee f f e c to f s h e a r s t r e s sa n dt h ea s s o c i a t e ds e t t l e m e n tr e s u l t e di nt h el a t e r a ld e f o r m a t i o n i nm a n yl i t e r a t u r e s ， t h e yo n l yc o n s i d e r e dt h ei m m e d i a t e l ys e t t l e m e n tc a u s e db ys h e a rs t r e s s ，w h i c hw e r ea l w a y s b a s e do nt h ee l a s t i ct h e o r ya n dd i f f e r e n tf r o mt h et e r mw ed i s c u s s e dh e r e i nt h i sp a p e r , w ef i r s td i dl o t so fe x p e r i m e n t st o s t u d yt h em e c h a n i s mo ft h el a t e r a l d e f o r m a t i o na n dt h ef a c t o r sw h i c he f f e c t e dt h el a t e r a ld e f o r m a t i o n b e y o n dt h ef o r m e rs t u d y , w ef o u n dam e t h o dt oc o n s i d e rt h ee f f e c to fl a t e r a ld e f o r m a t i o nt ot h es e t t l e m e n t 1 1 1 em a i n 诎so f t h i sp a p e rw a sa sf o l l o w s ： f i r s t l y , w ep u tf o r w a r dt h en e c e s s a r yt os t u d yt h i ss u b j e c ta n di n t r o d u c e da l lt h e r e f e r e n c ea b o u tt h el a t e r a ld e f o r m a t i o na n ds e t t l e m e n ti nt h ed o m e s t i ca n df b r c i 弘l i t e r a t u r e s e s p e c i a l l yw ed e m o n s t r a t e dt h a tt h ee f f e c to fl a t e r a ld e f o r m a t i o nt ot h es e t t l e m e n tw a sa l o n g t h ew h o l ec o u r s eo fs e t t l e m e n ta n dt h es h e a rs t r e s sh a si n f l u e n c eo nt h ec n r v eo fs e t t l e m e n t , w h i c hw a sm u c hm o r ed i f f e r e n tt ot h et r a d i t i o n a lv i e w p o i m s e c o n d l y , w eh a v ed o n ep l e n t yo fl a b o r a t o r yt e s t s , s u c ha s t h et h r e e 量 。 盘 2 o = o 曼 = , - 0 5 罩 竺 = o a 9 i 小? 丌一。7 一 以l i 1辩【牺”砒l o c 4 u o n 。 c j l 中剐憾妒“； o1 02 0 d i s m n c ef r o mc e n t e r 。m e 琶 u e u o 置 一 嚣 翟 匕 o 巴 j c o 墨 口 0 三 一 嚣 竺 c d i s l a n c ef r o mc e n t e r 。m 图1 3 肘口胛试验堤沉降观测曲线 张利民f l 冠根据不同路堤宽度剪应力的分布规律，将路基的沉降曲线分为四种形式： m 均布型：当荷载宽度较路堤高度和均质软土层厚度为无限长时，沉降可以视作 一维情况。 b ，盆形 c ，下陷型： d 过渡型： 当路堤顶较窄时，路基的沉降是典型的盆形，最大的沉降发生在路基 中间，两侧对称分布。 当路堤相对于高度较宽时，中间区域类似于一维沉降，最大沉降发生 于路肩处。 分布形式介于b ，c 之间。 4 卅向变形引起曲謦基芘一室囊武和计算方姣碍宽 ? s l = 一 i ， 4 厂瓜 爪一 一 、 巫尘 一 k f z 厂彳们卜、 s t = s “ !j ! 。 ， 弋适：7 1 z x 厂、卅k 一、 一- j 少t s t f ， 图1 4 路基沉降分布曲线 5 x x 侧向变形引是舂芘降室内文和计算方硅j 叶宽 1 2 国内外研究概况 1 2 1 国外 国外在这方面的研究工作开展的较早： 第一个考虑了在固结方程中考虑剪应力的是格色凡若夫【3 l 】提出的；呼洛林和比阿 【3 l 】也曾经提出过三维理论。 s k e m p t o n t s l ：g l 占加”伽z 【2 1 分析了饱和粘土单元体在荷载下剪切变形和固结变形的应 力途径。他们利用半经验法，在三轴不排水条件下求得饱和土地基在圆形基础和条形基 础的情况下得最终固结沉降计算公式。 b j e r r u m l 2 1 ( 1 9 7 2 ) 在描述s k a e d e b y 试验路堤段时指出：路堤的安全系数比较低， 可能在安全系数为1 2 的情况下就要考虑由不排水剪应力所产生的影响。有侧向变形所 产生的沉降将占到总沉降的很大一部分，甚至超过1 4 ，s k ae d e b y 玎一直被认为是剪切 大变形的典型例子。 f o o u e t a l 1 1 ( 1 9 8 7 ) 通过测量沉降和侧向变形曲线估算了c h e k l a p k o k 主试验段的 不排水沉降，得出由不排水情况下的侧向变形所引起的沉降达到1 3 到2 2 c m 。这当中 8 - 1 3 c m 的沉降发生在前2 5 0 天，另外的5 9 c m 发生在4 0 0 到4 3 5 0 天之间。 t a v a n a s , e a e ta ll 埘( 1 9 7 9 ) 研究了最大侧向变形与填土高度的关系，他指出对于正 常固结土：无论何种情况，刚开始的侧向变形比较小，每填土1 0 0 c m ，侧向变形增加l c m ； 但到填筑后期，位移的增量很大，有的达到每填土1 0 0 c m 侧向变形增加8 c m ，并且这 种变化相对来说比较突然，发生在填土高度达到临界高度2 5 - - 7 5 的时候；对于超固结 土由于固结系数和土的刚度都比较大，由荷载引起的超孔隙水压力可以部分或全部消 退，剪应力强度还没有达到土的屈服强度，所以土体的侧向变形比正常固结情况下要小。 s h o f ie la 1 1 6 1 l r l 9 8 9 ) 指出坡脚处的侧向变形可能不能代表整个底层土的运动。在研 究海相灵敏性粘土和其他很软盼土后，他指出侧向变形沿深度的分布规律和土的类别有 很大的关系。 m e s r i , g 嗍( 1 9 8 1 ) 检验了剪应力应变和时间的模型并得出结论任何土在任何剪应力 水平下都有一内在的总应变。 l o g a n n t h a ne la l 5 7 1 ( 1 9 9 3 ) 提出了一种叫做现场变形分析的方法来分解路堤加载和 加载后沉降的不同成分。f d a 是建立在体积变形的概念基础上的且认为测量值和沉降的 成分成线性关系。 a r u l a n a n d a ne l 讲f 6 】( 1 9 7 1 ) 量测了不排水三轴蠕变试验中当轴向荷载超过最终荷载 6 一向变形引起曲舂忱舞室 截和计弄方致碍霓 酊一加册寸，也即相应的安全系数在1 5 到1 4 时的不排水变形。 y a m a g n c h ie t a l 囝( 1 9 8 1 ) 提到的当安全系数大于1 5 时，侧向变形的总量较小。 砖即m t 阳嘲( 1 9 9 2 ) 在侧向变形速率( 单位时间内坡脚处最大侧向变形) 和剪应 力比值之间建立了联系。 等- o 0 0 7 e x p ( 2 坭)式1 - l b 1 n d r a r a t n a 7 1 ( 1 9 9 7 ) 利用有限元的方法对路基进行7 - - 维沉降计算后发现：数值 方法计算出的沉降很实测沉降差不多，但是侧向变形相差很大。 b o u r g e s 和m i e u s s e n s l 6 2 1 ( 1 9 7 9 ) 为t 发展一种用于描述施工阶段侧向变形的经验方法 对一些实例的统计分析表明在施工后期标准化的变形曲线可以表示成： n d = 1 7 8 n , 5 - 4 0 n ? + 2 2 1 nz + 0 2 式1 2 其中：。= d d 。= ( z 处的侧向变形最大侧向变形) ，= z z lm = ( 某点的深度侧向变形曲线范围内的总深度) 1 2 2 国内 国内在这方面的研究开展的较晚： 陈宗基p 1 1 推导出了二维条件下考虑剪应力影响的沉降计算公式并得出结论：流变 产生的沉降随着软土厚度h 2 的对数值增加而增加。 1 9 9 9 年，铁道科学研究院的周镜院士【1 3 】全面的分析了剪应力下土体的侧向变形问 题，主要也是介绍国外的研究现状。 南京水利科学研究院的张诚厚【1 2 】【1 研等人在沪宁高速公路建设中研究了剪切变形 引起的沉降问题，建立了相应的沉降估算公式，公式中的经验系数需要通过实测侧向位 移确定。根据该公式，发现附加剪切变形引起的沉降达到总沉降量的1 4 一3 0 。 2 0 0 3 年，中山大学刘增贤1 卅等人对路堤荷载下软土沉降机理进行了分析，认为剪 应力引起的沉降并不是瞬时完成的，而是随时间逐渐发展的，因此，瞬时沉降的概念不 正确，应改为“侧向挤出沉降”，并对影响因素进行了探讨。 余闯 2 0 1 应用勘勰，加n e 跚公式求解出土体中剪应力的关系式，根据弹性理论求解出 了侧向应变的关系式。 王志亮1 1 8 1 1 2 ”、吴心怡田l 、钱玉林口9 】等利用有限元的方法提出了在分层总和法中考 虑侧向变形的修正系数 磊。 7 由一向变形引起基祀一室i t k i t - b , 计算方瞌叶竞 1 3 本文主要内容 i 、收集、整理国内外有关路基沉降计算方面的文献资料，对于目前该课题的研究情 况进行了总结和介绍。 2 、进行了大量的室内三轴不排水蠕变和排水蠕变以及平面应变条件下的蠕变试验对 软土侧向变形的机理以及相关的影响因素进行了研究，得出了一些有意义的结论。 3 、对目前常用的各种考虑土体侧向变形的沉降计算方法进行了总结和分析，建立了 在二维应力状态下，可以考虑由于土体的剪应力所引起的体积应变和侧向位移的沉降修 正计算方法。 4 、对粤东地区在建或已建的高速公路的若干断面的现场实测数据进行了总结和分 析，得出了适用于粤东地区软土的侧向位移修正系数f 的经验值，研究了最大侧向变 形和路基中心沉降的关系以及侧向变形和时间的关系，并且结合试验成果对上述关系进 行了机理上的探讨。 8 一向变形l i 走舂芘一室武和计算方暖研竟 第二章应力控制三轴试验 2 1 概述 2 1 1 取样 本试验所用土样取自广东省汕揭高速公路第八标段，埋设桩号1 ( 3 3 + 5 4 0 处。根据 钻孔资料发现该处的软土具有以下的特征：l 、埋深较浅，一般在1 3 加左右，软土厚 度一般为6 l o m ，大部分路段软土项底部夹中细砂层，对加速软土排水固结较为有利； 2 、软土层厚度及性质变化较大，如k 3 3 + 4 4 0 断面中桩软土厚度约为9 m ，左侧软土厚 度仅为4 6m ，软土淤泥为流塑软塑状态。 考虑到此处软土埋深较浅，同时试验采用同一高程的软土进行对比试验更为合适， 故取样时，先由挖掘机成大约2 m x 2 m x 2 m 的方形孔后，人工清除孔底表面受扰动较大 的软土，然后将4 5 个样桶( 内部涂抹凡士林) 一字排开，在样桶的上面用一块木板 将所有样桶一起压入淤泥中，最后将样桶逐个挖出。盖上桶盖，现场立即用胶带和石蜡 将样桶封口，装入铁箱。 2 1 2 基本物理、力学指标 将试样从样桶中推出后，严格按照土工试验方法标准g b t s 0 1 2 3 - - - - 1 9 9 9 t 2 5 】进行 了含水率、液塑限、比重等基本物理指标试验以及无侧限试验、颗粒分析试验、压缩试 验等常规的室内试验，具体成果如下所示。 a ) 基本物理指标 表2 1 基本土性参数 i 含水率比重 孔隙平均塑限平均液限塑性指液限指凝聚 内摩擦l i( 册比e( 舫( 册数p数尼 力口角妒i l8 0 62 6 92 2 1 63 57 0 2 62 6 0 31 7 5l o 11 5 9j b ) 无侧限试验 9 由一向变形引是曲t 舂证一室内试和计算方敬研竞 2 5 0 2 0 d 。5 0 r 墨l o d 叠 5 d 0 d 0 d 0 5 0 01 0 0 01 5 轴自成兜印句 图2 1 无侧限应力一应变关系曲线 土体的灵敏度墨按下式计算： s = 蠹q = 等i 观，4 2 t - ) 式中：s 为土体的灵敏度5 q 。为原状样的无侧限抗压强度； 甄为重塑样的无侧限抗压强度； c ) 颖分试验 硼骨折蠢最蔫艳剌纳袅 啪 磷l - l ；- k 4驾 、 l 强 、 1 0 柱径耐 m 钟 【l 11 l0 中| | i | i 卜l f 0 | | | | l | | | | i 】朱n罐4成和 m阳蚰簿坩 一向变形引起基一室稿；和计算方磕j 叶t ( 1 ) 压缩试验 2 娄1 5 逝 罱1 0 5 o 02 d o4 0 06 0 08 0 01 0 0 0 荷裁p k p a 图2 , 3 土样的压缩试验成果 2 2 应力控制三轴蟠变试验介绍 2 2 1 试验方法 高速公路路堤的填筑过程中，路基将先后经历不排水、固结排水以及蠕变这三个过 程。为研究由剪应力引起的侧向变形在这三个过程中随时间的变化特性以及对沉降的影 响程度，我们分别设计了三轴不排水蠕变试验以及三轴排水蠕变试验两种试验过程。在 土的室内蠕变试验中，对于蠕变试验有两种不同的加载方式，即分别加载和分级加载。 所谓分别加载就是对同一种土样需要取得完全相同的该土样若干，在完全相同的仪器、 完全相同的试验条件、不同的应力水平下同时进行试验，得到的一组不同应力水平下的 蠕变试验全过程蓝线。这种方法从理论上说能较符合蠕变试验所要求的条件，而且直接 就能得到土的蠕变全过程曲线。但是，真正做到严格的分别加载是不容易的，一方面保 证上述的许多完全相同的试验条件不太可爱；另一方面很难有这么多套的仪器同时用来 做这么长时间的蠕变试验。所以，目前国内外的室内蠕变试验一般不采用这种方法，而 是采用分级加载的方法来做室内蠕变试验。所谓分级加载，就是在同试样上逐级加上 不同的应力，即在一级应力水平下蠕变经历给定的时间或达到稳定后，将应力水平提高 到下一级的水平，直到所需的应力水平。本试验采用分级加荷的方法进行，假定土体为 线弹性体，应变采用直接叠加的方法进行处理。 2 2 2 试验仪器和数据整理 仪器采用由江苏省溧阳市永昌工程试验仪器厂生产的三联式三轴蠕变仪。如图2 4 所示。 卅向变形引走b 蘑基一室内试和计算方法研竞 图2 4 三联式三轴蠕变仪 该仪器主要由压力室、加荷部件、整架部件、控制部件、传感器及夹具和接头组 成。试样尺寸：舻3 9 1 c m x h s c m ，采用砝码进行加载。为防止橡皮膜在压力的作用下产 生渗漏误差，装样时试样采用两层橡皮膜进行试验。 由体积应变岛和三个方向的主应变的关系，即岛= 旬+ 旬+ 句。对于轴对称情况， s 尸b ，按照句= ( 矗以，) 2 ，整理侧向应变的数据；对于平面应变情况，e z = o ，按 照句= ( 8 一j ) ，整理侧向应变的数据。 2 2 0 加荷过程说明 试验采取分级加荷的方式进行，试样先在围压口门：固结，然后轴向分别施加荷载， 各级荷载如下表所示： 表2 2 累计加荷量说明 试围压 第一级轴向景第二级轴向景第三级轴向景第四级轴向累 p 样 ( 舻 计荷载( 坎劳p计荷栽( 8 5 b 秒计荷载( 奶旁r计荷载( 挺劲p 号。 国妒 撵水 不1 2 0 0 ：4 0 ：8 0 p 1 2 0 ： # 撵 2 2 0 0 , 。4 0 ：8 0 一1 2 0 , ：1 6 0 p 条件+ 水p如2 0 0 , ：4 0 ：8 胪1 2 0 ：1 6 0 ： 撵 l f1 0 盼4 0 ：8 0 矿 0 2 02 0 0 ：4 0 ：8 0 #1 2 0 p # 术， 3 i4 0 0 ：8 0 ：1 6 0 , ：2 4 d o 1 2 卅向变形1 走舂薅一室内嵌和计算方硅研竟 2 3 试验成果 2 3 1 三轴不捧水爝变向= 2 0 0 k p a ) 由现象搐述 01 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 04 0 0 0 对同t m p z 图2 5 三轴不捧水条件句1 关系曲线 由上图我们可以看出： 1 ) 不排水条件下，土体的侧向变形主要由加荷瞬时的鼓出变形和不排水的蠕变引 起，整个过程侧向变形一直向外鼓出。剪应力对沉降的影响贯穿沉降的整个过程。 2 ) 加荷瞬时土体侧向的应变速率较大，之后蠕变的速率随时间而减小直至以常速 率持续发展相当长的一个时期。对于不同的应力水平，该常速率随着应力水平的增加而 增加。当q 依次为4 0 k p a 、8 0k p a 、1 2 0 k p a 、1 6 0k p a 时，应变速率的取值分别为2 3 8 e - 7 、 j 2 5 e - 6 、，8 7 e - 6 、2 4 3 8 6 。可以用对数函数来拟合。 ，、3 o e - 0 6 s 娄2 5 e - 0 6 鲁2 ，o e 0 6 期 争( 1 5 e - 0 6 钮 l _ o e - 0 6 5 o 0 7 o 0 e + 0 0 0 5 0 1 0 0 1 5 02 0 0 偏应力i k p a 图2 6 不捧水蠕变稳定段应变速率和偏应力的关系 3 ) 不排水蠕变产生的侧向变形量和土体的应力水平有很大的关系。当应力东平低 的时候，土样的不排水蠕变量较瞬时沉降量也较明显，但是达到稳定所需要的时间较短； 淼 一 一 一 一 一 一 k嚣。 叮 帖 咐 叭 0 m m 田 曲 -嵌越匠军 由一向变彤引走曲舂 室舟箕和计算方法研宽 当应力水平较大的时候，土体不排水蠕变引起的侧向变形量更为明显，且达到稳定状态 所需要的时间较长。 b l 瞬时应力应变关系 土体应力一应变本构关系已经有了各种本构理论，基本的有邓肯一张模型，即土的 应力应变关系呈双曲线型。作者通过对不排水蠕变试验资料的整理，发现加荷瞬时 ( t = l o s ) 应力一应变关系曲线呈非线性，类似于双曲线型。从这一点我们可以看出： 传统的用弹性理论公式计算建筑物的初始沉降的方法并没有反映出瞬时沉降产生的机 理。瞬时沉降不单单包括土体骨架的弹性变形，剪应力作用下产生的剪切变形也是其主 要的组成部分。 一、 f s 图2 7 土体的瞬时应力应变关系 c ) 加萄速率的影响 在道路工程中，加荷速率是道路安全建设的重要控制指标，加荷过侠会导致路基失 稳，加荷慢将影响工程的整体进度。为了反映不同的施工速率对侧向变形的影响，我们 在不排水蠕变试验中设计了三种不同的加载方法，即：一天加荷一次，二天加荷一次， 四天加荷一次。试验时，试样先在围压1 0 0 k p a 下固结，然后加荷，分别持续l 天、2 天、4 天后再施加下一级荷载。图2 8 至图2 1 0 为不同加荷速率下的侧向应变随时间的 变化关系。 1 4 蚰觚柏帅加。 一向变形引是基钇一室囊a 蕾和计算方硅研竞 o 0 7 - 0 0 6 - o 0 5 争( 0 0 4 器舢3 肇_ o 0 2 - 0 0 1 o 一0 0 7 - 0 0 6 。一0 d 5 戢一0 叫 警一o 0 3 毫一0 0 2 - 0 o l 0 05 0 0 1 0 0 01 5 2 0 时间t m n 图2 8 一天加荷一次 l 。一。一。一= 篙 一lz访：q o 姗勰如舢姗 图2 9 二天加荷一次 卜一一4 0 k p a r 匕：2 = d2 0 0 0 h 自艘o 6 0 0 08 0 0 0 图2 1 0 四天加荷一次 由上图我们可以发现：在相同的应力水平条件下，这三种不同加荷速率对应的o 1 关系曲线非常类似，每一级荷载下的应变量基本相同。例：q = 8 0 k p a 时不同加荷速 率倩况的侧向应变时间曲线，可以发现3 种加荷速率下的曲线形状相近，对应的应变量 为n 0 2 1 5 ，n 0 2 2 5 和0 0 2 1 8 ，应变数量相近；q = 1 2 0 k p a 时荷载持续2 天的侧向应变量 1 5 删蝴荸螂埘枷善|伽。 毒荆氆唇罩 由一向变形引起崎基一室内文和计鼻方磕j 干竟 为0 0 3 7 ，荷载持续4 天的侧向应变量为o 0 4 1 ，应变量也非常接近。 试验结果表明：当应力水平较低的时候，加荷速率对于侧向变形的影响并不明显。 我们认为：当荷载小于临界荷载时，侧向变形主要来自荷载施加后的瞬时变形阶段，蠕 变阶段的变化量相对较小，而相同的荷载增量对应的侧向应变数量差别应不大，所以表 现出不同的加荷速率下的侧向应变总量差别较小；当应力水平较大的时候，即接近于临 界荷载的时候，由于侧向变形量值很大且发展很快，直至土体达到破坏，此时无法比较 出不同加荷速率对侧向应变的影响。因此，作者认为加荷速率对侧向变形的发展影响不 明显，文献 6 4 】也有类似的结论。 对应于软基路堤填筑过程，当填土高度小于极限填土高度时，加快填土旄工进度不 会对路基的总沉降产生较大影响，因此是可行的。 2 3 2 应力控制三轴捧水蠕变试验 曲应力水平j 的定义 在土力学中我们常将应力水平j 定义为下式【1 7 1 ： s ：# 叠- 2 2 h c r 3 j ， 上式表示当前应力圆直径与破坏应力圆直径之比，反映了强度发挥程度。由库仑 定律可知，土体处于极限平衡状态时，破坏偏应力h - - 0 ，) ，满足下式： b 一吧) ，= 2 c c l o s c j z + 面2 a _ 3 s i n d p 2 3 由c = m j ? 妒= 1 5 8 。，即可得到不同围压作用下破坏偏应力的值，进而求出应力水平s 的值。 ”孔压“和时间t 的关系曲线 ： 薹1 ； ”。 j f 。j 一，一j 1 6 卅向变形l i 走舂记一室内薯唪计算方硅碍克 图2 1 10 3 - - 一l o o k p a ，q - 爿o k p a , s - - o 3 9 4 , u - t 关系曲线 ! j 5 0 0 01 0 0 0 01 5 ( 图2 1 20 3 = 1 0 0 k p a ，q - - - - 8 0 k p a , s - - 0 7 8 8 ，u - t 关系曲线 。狮伽时蹁锄1 哪! 舢 图2 1 3o ，- - - - 2 0 0 k p a ，q - - - - 4 0 k p a , s - - 0 2 2 7 ，u - t 关系曲线 l 1 7 笛 加 蟮 m ， o 弓 j毫骘 u m 5 0 芒嚆咀1 2 o 8 6 4 2 o 2 由一向童彤引是基饨降室内试t 和计算方法舛t 图2 1 4c r 3 - - - - 2 0 0 k p a ，q - - - - 8 0 k p a , s - - - 0 4 5 4 , u - t 关系曲线 o 时嘏 8 0 0 0 图2 1 5 q ，- - - - - - 2 0 0 k p a ，q = 1 2 0 k p a , s - - - - # 6 & , u - t 关系曲线 l 。一。 时间t r a i n 图2 1 6 田- - - - 4 0 0 k p a ，q - - - - 8 0 k p a , s - - - 0 2 4 5 , u - t 关系曲线 k 一 1 8 筋：。m：0 芷嘎咀晕 ”如巧加”m，o巧 钆_鲁鹾矗 ：m。&掣旷。 一向变形l 是基一室囊薯舯计算方硅舛竟 图2 1 70 3 - - - - 4 0 0 k p a ，q - - - - 1 6 0 k p a , s - - 0 4 9 1 , u - t 关系曲线 图2 1 80 3 - - - - 4 0 0 k p a ，q - - - - 2 4 0 k p a , s - - o 7 3 7 , l “关系曲线 c ) 侧向应变，和时间，的关系曲线 。 斟 翅 星 吾 图2 1 9 0 3 - - - - 1 0 0 k p a ，q - - - - 4 0 k p a , s - - 0 3 9 4 , 。，1 关系曲线 1 9 ：j m。p玉喀：。 由侧向变形引起舂忱一室内冀和计算方法碍乞 0 0 1 6 知0 1 4 撂_ o 0 1 2 荤o 0 l - 0 懈 - o 0 0 6 - 0 0 0 4 0 0 0 2 0 02 0 0 04 0 0 0 6 0 0 08 0 0 0 1 0 0 0 01 2 0 0 0 时间t m n 图2 2 0 口s - - - - l o o k p a ，q - - - - 8 0 k p a , s - - o 7 8 8 , 8 ，- - - t 关系曲线 0 4 d 2 l h 0姗1 0 0 0 0l 舢 时闻加h 图2 2 1q 3 - - - - 2 0 0 k p a ，叮= 卯i 陬刚2 2 乃8 ，1 关系曲线 o 0 0 8 o 0 0 6 争( - o 0 0 4 毯 蕃- o 0 0 2 o o 0 0 2 ” 时间t m n 图2 2 2 田：2 0 0 k p a ，q = 8 0 k p a , s = 0 4 5 4 , 。，1 关系曲线 啦 o 0 晋锹毯g晷 卅向变, 刑l l l 是舂缸一室i l l , t , , l t 和计算：1 ) - i i i 一克 0 d 嘶 o舢彻0锄扣l l 时问御嘲 图2 2 3 盯3 - - - - 2 0 0 k p a ，q - - - - 1 2 0 k p a , s - - o 6 & 。，1 关系曲线 - 0 0 1 0 0 0 8 嵌o 0 0 6 堪 篆n 0 0 4 - o 0 0 2 0 o2 0 0 04 0 0 06 0 0 08 0 0 01 0 0 0 0 1 2 0 0 0 1 4 0 0 0 时问t r r d n 图2 2 4a j - - - - 2 0 0 k p a ，7q - - - - 1 5 0 k p a , s - - 0 8 5 1 , p ，1 关系曲线 m m 0 0 0 8 - 0 朋2 0 o 如0 时闻绷。 图2 2 5a j - - - - 4 0 0 k p a ，q - - - - 8 0 k p a , s = 0 2 4 5 , 。，1 关系曲线 叭 主| 0 0q制斟复暮 由卅向变形引是簟舂降室囊镶簟和计算方敞j 叶竟 0 0 0 8 0 0 0 6 嚣 鬣 捌- 0 0 0 4 席 巨 - 0 d 0 2 0 02 0 加0 0 卯l 1 2 0 0 01 4 3 0 0 时间垢嘲 图2 2 60 3 - - - - 4 0 0 k p a ，口- - - - 1 6 0 k p a , s - - - - - 0 4 9 1 , 。，1 关系曲线 0 _ 0 l - 0 d 呕 露 取一0 6 翅 星0 0 0 4 置 - 0 册2 0 02 0 6 0 d 03 0 1 0 ( 01 2 0 0 01 舢 时间砌m 图2 2 7 0 3 - - - - - - 4 0 0 k p a ，q - - - - 2 4 0 k p a , s - - 0 7 3 7 , 8 ，1 关系曲线 由图2 1 1 2 2 7 ，我们可以看出： 1 对于三轴排水蠕变，加荷瞬时孔压“迅速上升至所加荷载的们l _ ，力左右，然 后孔压开始消散。同时，下一级荷载较前一级荷载，孔压上升至最大值所需要的时 问要长，这主要是由于孔隙比的减小所引起的。 2 排水条件对于侧向变形随时闻发展曲线影响较大。不排水条件下荷载作用的 全过程土样侧向变形一直向外鼓出，由于没有孔隙水排出，因此土体侧向鼓出的体 积和土体沉降的体积相等，土样的沉降由土的“流动”所引起，即由剪应力引起；排 水条件下土样的侧向变形随时间的发展较不排水条件下复杂，加荷瞬时土样产生侧 向鼓出，此后由于排水在一定的工况下会产生侧向收缩。 3 在轴对称的条件下，侧向应变随时间的关系曲线和土体的应力水平有很大的 关系。根据应力比的大小，曲线大致可以分为两种类型： 1 ) 当应力水平j 乱7 3 时，土体在加荷瞬间侧向产生膨胀，在应力水平较大 的时候侧向的膨胀将会延续一段时间。之后土体产生侧向的收缩直至变形 达到稳定为止。 侧向变形引是舂一室囊戗和计算方盈研宠 2 ) 当应力水平s ) d 7 5 时，土体的应力接近破坏应力，土体在加荷后一直处 于侧向膨胀状态。加荷初期膨胀的速率较大，随着时间的增长，膨胀的速 率慢慢减小直至达到0 为止，侧向应变达到稳定。 2 4 本章小结 本章主要通过室内的应力控制三轴不排水和三轴排水蠕变试验对软土的侧向变形特 性进行了研究，得出了以下结论： 1 1 剪应力不仅仅在加荷的瞬时产生剪切变形，进而引起土的瞬时沉降。它对沉降的 影响贯穿沉降的整个过程，特别是在应力水平较大的情况下，对沉降的影响较大。 2 ) 土体的瞬时应力一应变关系呈非线性，这也证明了瞬时沉降不是单纯的由于土骨 架的弹性变形所引起的。该曲线类似于双曲线，当应力水平较低的时候，应力应 变关系可以用直线来表示。 3 ) 加荷速率对于土体侧向变形随时间的发展过程的影响不大。特别在应力水平较低 的情况下，加荷速率的影响基本可以忽略。因此，在路堤的填筑过程中，当填筑 高度低于极限高度时，适当加快填土速率将不会导致沉降的加大。 4 ) 排水条件对于土体侧向变形随时间的发展影响较大。不排水情况下，土体一直向 外鼓出；排水条件下，土体先鼓出后收缩。因此，排水条件下，当土体荷载处于 临界荷载范围以内时，虽然剪应力对沉降的影响仍然存在，但是由于固结过程中 土体产生向内的收缩，进而使得土体的孔隙比减小，土体的抗剪强度提高，从而 可以减小剪应力对土体沉降的影响。 5 ) 侧向变形随时间的发展过程和土体所受的应力水平有关。当应力水平较小的时 候，土体先产生侧向的膨胀，然后侧向开始收缩至稳定状态；当应力水平较大的 时候，土体在荷载的作用下，侧向一直向外鼓出至平衡状态；当应力水平更大的 时候产生流动破坏。 由一向变彬i 是曲蘑基泥一室一鲁蠢和计算方泼研竞 第三章应力控制式平面应变试验 3 1 概述 岩土工程中有关土工问题可分为两大类，即变形问题和稳定问题。变形问题是研究 土体由于其自重或外加荷载的作用，而产生变形的问题；稳定问题是研究土体受到外力 作用或自身重量作用而产生破坏的问题。 土是由固体颗粒、水和气三相或由固体颗粒和水或固体颗粒和气二相所组成的，它 的力学性质比一般金属材料或其他非金属材料的力学性质要复杂得多。其力学性质不仅 与地质条件有关，而且与它的含水率、颗粒级配、矿物成分、密度等有密切关系。因此， 在测试土的强度参数和变形参数时，不仅要考虑工程设计要求，更要考虑土的性质、施 工条件及运用条件等因素，然后才选定用什么试验方法和仪器测定土的强度参数和变形 参数，以使其试验结果能符合工程的实际情况。对于一个实际工程来说：采用的参数不 适当引起的误差，要比计算方法不合理引起的误差大的多，因此，科学地进行土的力学 性质试验，正确地确定土的强度和变形参数，是保证土构筑物的安全性和经济性的重要 条件。 路基属于平面应变状态，在路堤荷载的填筑过程中，通常认为是不排水的，路基产 生不排水沉降；填筑结束后，路基开始排水，产生固结沉降。然而，常见的平面应变仪 都是应变控制，测出的参数属于强度参数，而非变形参数，试验的过程和路堤填筑逐渐 加载的工程不一致，基于此，我们研制了应力控制式平面应变仪。本章将介绍该平面应 变仪的研制过程，仪器的精度、特点以及平面应变试验的步骤和数据处理等相关内容。 3 2 仪器研制过程介绍 作者于0 6 年初在应变控制三轴仪的基础上，将三轴试验的压力室换成平面应变压 力室，并且轴向采用伺服系统，由电脑控制轴向荷载。该平面应变仪( 如图3 1 所示) 整个试验过程均有电脑自动控制，可以进行应力控制或应变控制，然而经过一段试验发 现：在试验的后期，即进入次固结阶段，电机的启动对试验数据的影响较大，试验结果 呈现锯齿状波动。由于时间的关系，没有对该仪器作进一步的改进和调试。作者对以后 从事该方面研究的人提出如下两点建议：1 电机采用步进电机。步进电机是将电脉冲信 号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超荷的情况下，电机的转速、停止的位 2 4 一向变形引是曲舂芘一室t i t i , 1 1 潦甘鼻方蓝研竟 置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信 号，电机则转过一个步距角。相比较传统的交流电机具有无累积误差、精度高的特点； 2 轴向采用精度高的传感器，传感器的精度越高，轴向荷载的波动越小，越接近于恒载， 误差越小。 在上述仪器的基础上，我们将压力室固定于高压固结仪的平台上，加工了一些加荷 的附加杆件，研制了本试验中所使用的平面应变仪，该仪器通过加砝码施加轴向荷载， 共采用四个传感器，试验数据由电脑自动采集。该仪器主要由5 个部分组成：压力室， 加载系统，排水系统，量测系统和数据采集系统。其中压力室和排水系统说明如下： 扎压力室 本试验压力室由江苏省溧阳市永昌土工试验仪器厂生产，试样尺寸为 1 0 0 m m x s o m m x l o o m m ，围压毋通过一个柔性加压气囊施加，力方向通过两块刚性侧板 设置平面应变的边界条件，田方向通过刚性板施加荷载。 图3 1 平面应变仪压力室 b 捧水系统 由于固结沉降后期以及次固结沉降中的排水量较小，通常采用的排水管的最小刻度 为o 1 m l , 误差较大。我们对排水系统进行了如下的改进，排水系统由两个排水管组成： 根最小刻度为o 1 m l 的玻璃管和一根内径4 r a m 的有机玻璃管，两个管中间连接一个阀 门。试验初期由于试样排水量比较大，打开阀门，此时试样排水进入两个管子，传感器 采集的是两个管中排水量的总和；试验后期，试验排水较小，关闭阀门，此时试样排水 只进入有机玻璃管，排水量可以精确至0 o l m l 。 由卅向变形引是曲蓐舂一室内文和计弄方辕研竞 3 3 试验过程介绍 1 切样 a 将原状样从样桶中慢慢推出( 取样时样桶内应涂抹凡士林以减小推样时样桶对试样 的摩擦力) 。 6 在切土器内涂抹凡士林，将切土器平整地放至试样表面，缓慢均匀地推入试样内， 边推边削去切土器四周的土，当切土器的表面低于试样表面大约5 m m 时停止推入，用 钢丝锯沿切土器表面刮平试样。( 将切土器压入土样时，一定要认清主应变的方向，避 免由于