黄土平面蠕变特性试验研究

胡连信，骆亚生，王鹏程，丁红丽

(西北农林科技大学 水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100)

分布于我国西北地区的黄土，由于其特殊的结构性及对水的特殊敏感性，常容易产生地基沉降、边坡变形和滑坡等工程地质问题，而对黄土高原地区修建的建筑物的长期沉降，地下工程引起的地面沉降等均与黄土的蠕变特性有着密切关系。

长期以来，国内外许多学者对上述岩土工程问题作了大量研究，并取得了许多成果[1-6]。因此，对黄土蠕变特性的研究不仅可以完善黄土的蠕变理论，也可以在查明蠕变影响因素的同时采取相应的工程措施来预防和治理因蠕变引起的工程地质问题，为黄土地区的工程建设提供有效的理论指导和实践参考依据。

黄土蠕变性质的研究方法中，常见有单轴压缩试验、直接剪切蠕变试验和三轴蠕变试验等室内蠕变试验方法[7-10]，而很少采用平面蠕变试验手段。但对于那些在长度方向断面形状不变，且上部受有不容忽视荷载情况的工程结构，如路堤、土石坝、挡土墙、机场跑道、地下隧道、河堤等，其受上覆荷载产生的应力变形状态为平面应变状态，故对其土体变形研究采用平面蠕变试验要比常规三轴蠕变试验更符合土体实际受力变形。本文通过不同先期固结压力、含水率条件下黄土的平面蠕变试验，分析了剪应力(σ1-σ3)值、含水率(w)和先期固结压力(σ3)对黄土平面蠕变特性的影响，并同常规三轴蠕变试验进行对比分析，从而为实际工程提供有效依据，预防和减少工程事故的发生。

1 试验材料和方法

试验所取土样为陕西省泾阳县太平镇崔师某砖厂，取土深度3.0～4.0 m，干密度1.28 g/cm3，天然含水率16.2%，孔隙比1.14，属Q3黄土。试样的基本物理性质指标见表1。

表1 黄土的物理性质指标

为解决平面应变工程中的长期沉降问题，采用改造的平面蠕变仪来模拟实际问题，研究其变形规律。

如图1所示，采用文献[11]的方法，先将原先日本谷藤机械工业株式会社生产的TS-525式真三轴仪改造成平面应变仪，再在压力室不变的前提下，将压力室移至自制的铁架上，构成简易平面蠕变仪。其中，将原先柔性加压的2个作用面(88.9 mm×88.9 mm)作为零应变面，即加侧限约束，模拟土体在实际工程中受到的侧限条件，将这个方向定为中主应力σ2方向；小侧面(88.9 mm×35.56 mm)由侧板上的气压(空压机提供)加压，模拟实际土体在长期沉降过程中受到的侧向压力，将这个方向定为小主应力σ3方向；在轴向方向上，通过铁架由砝码提供轴向压力，模拟实际工程中的上覆荷载，将这个方向定为大主应力σ1方向。在小主应力σ3方向和大主应力σ1方向分别采用自动采集系统和高精度百分表量测其形变大小，所有加压砝码和百分表均经过国家计量认证。

图1为试样尺寸和改造平面蠕变压力室，其中试样表面a、b、c分别对应刚性约束面(σ2方向)，侧压面(σ3方向)和轴压面(σ1方向)。经后期试验[12]，改造的压力室能较好适用于平面应变的相关试验。

试样为非饱和重塑土样，由黄土风干、碾碎、过筛后的土料压实制作而成，控制干密度为1.53 g/cm3(压实度为90%)。采用水膜转移法控制试样含水率在10%、20%和30%三种，并置于保湿缸中静置48 h以上，使得试样水分均匀分布。试验黄土试样作3个固结压力水平(σ1=σ3)的平面蠕变试验，包括50 kPa、100 kPa和150 kPa，轴向应力采用分级加载方式，轴向剪应力分别为50 kPa、100 kPa、200 kPa和300 kPa。数据记录采用间隔时间0.5 min、1 min、1.5 min、2 min、5 min、10 min、10 min、30 min、1 h、1 h、2 h、2 h、2 h、4 h、11 h。

为便于试验数据的记录与处理，每级荷载至少加载24 h，试样稳定后加下一级荷载，稳定以变形小于0.01 mm/(4 h)为标准，试验过程中允许排水排气，试样破坏以轴向形变大于轴向尺寸的15%，或试样出现急剧变形为准。

图1 试样尺寸、压力室及试验装置

2 试验结果分析

本次平面蠕变试验采用分级加载方式，故需要采用Boltzmann叠加原理对试验数据进行处理，具体结果见图2和图3。

2.1 剪应力对平面蠕变特性的影响

以w=10%、σ3=150 kPa；w=20%、σ3=100 kPa和w=30%、σ3=50 kPa三种条件下试样的平面蠕变状态为例(见图2)。

分析可知：在剪应力水平较低的情况下，重塑土体内部结构调整较快，轴向变形在较短时间内达到稳定状态，表现为衰减蠕变趋势，蠕变现象不明显。当剪应力较大时，土体内部结构调整所需时间延长，其蠕变现象也明显，表现为剪应力越大，试样达到蠕变稳定所需时间越长。这种变化规律类似于三轴蠕变试验规律。

从平面蠕变试验和三轴蠕变试验的完整数据对比发现，在含水率、固结压力同等条件下，当剪应力水平较低时，平面蠕变量较大于三轴蠕变量，当剪应力水平较大时，平面蠕变量明显小于三轴蠕变量。

以w=20%、σ3=150 kPa试样为例(见表2)，当剪应力足够大时，三轴试样甚至出现蠕变破坏。

图2 各级剪应力下的蠕变曲线

表2 不同剪应力下平面蠕变和三轴蠕变比较(w=20%, σ3=150 kPa)

当剪应力水平较低时，即外荷载引起的剪切应力低于黄土试样内部初始结构强度时，土体的原生结构不会发生破坏，颗粒间的相对移动较小，表现为轴向位移较小，蠕变曲线呈衰减趋势。随着剪应力水平的增大，土体内部颗粒之间产生滑移，颗粒团体发生破损和碎裂，最终导致原生结构逐渐破坏，同时由于颗粒的滑移和压密而形成次生结构。当剪应力水平达到一定时，剪切应力超过次生结构强度，土样强度迅速衰减和降低，迅速产生变形，直至土样发生破坏。三轴蠕变土样在固结阶段，受力较平面蠕变土样均匀，固结程度比较完全，所以在先期剪应力低时表现出较小的蠕变量。在后期剪应力较大时，平面蠕变试验土样因有刚性侧限约束，表现出的蠕变量反而小。

2.2 含水率对平面蠕变特性的影响

由图3可知含水率对平面蠕变特性的影响。在黄土工程中，一般认为含水率是一种广义的力[13]，当固结压力、剪应力值较小时，蠕变变形量随着含水率的增大而增大；当固结压力、剪应力值较大时，高含水率下的试样的蠕变变形差异不大，甚至出现低含水率试样变形量大于高含水率试样变形量的情况。

对比平面蠕变和三轴蠕变试验完整结果发现，在同等固结压力、剪应力水平条件下，当土样含水率不高时，平面蠕变量相对三轴蠕变量较大，当含水率较大时，三轴蠕变量明显大于平面蠕变量。以σ3=50 kPa，σ1-σ3=100 kPa试验为例(见表3)，当含水率足够大时，三轴试样甚至发生蠕变破坏。

图3 不同剪应力下的应变时间曲线

表3 不同含水率下平面蠕变和三轴蠕变对比(σ3=50 kPa，σ1-σ3=100 kPa)

从土体双电层理论的扩散膜厚度变化进行分析，固结压力和剪应力水平较低时，若含水率较高，则土体内部自由水多，扩散膜厚度大，从而有颗粒之间的静电吸力弱，土体颗粒容易在外界作用力下发生滑移和错动现象，表现为蠕变现象明显。由于平面蠕变固结和压缩过程中允许水分排出，所以当含水率较高时，试样在高固结压力和剪应力的作用下发生排水现象。随着内部水分的排出，水膜所起楔入和润滑作用差别不大，表现的蠕变变形差异不太明显，甚至发生反常现象。实际黄土边坡工程中，可考虑通过改善边坡排水，降低土体内部含水率来减小边坡发生蠕变破坏的可能。

2.3 固结压力对平面蠕变特性的影响

理论上分析可知，当其他因素一定时，土体在高固结压力条件下的固结程度比在低固结压力条件下的程度要高，后期在外荷载的作用下产生的蠕变形变量要小。由图3可知，当土样含水率较低时，先期固结压力对试样后期蠕变变形影响不大。当含水率较高时，先期固结压力对后期变形的影响比较明显，表现为试样在低固结压力条件下的蠕变变形较大，在高固结压力条件下后期蠕变变形较小，符合实际工程规律。对比平面蠕变和三轴蠕变试验，以w=20%，σ1-σ3=100 kPa试验结果为例(见表4)。结合上述剪应力对两类试验的影响规律发现，固结压力相同时，土样平面蠕变量明显高于三轴蠕变量，且两者都随固结压力的增大而减小。

表4 不同固结压力下平面蠕变和三轴蠕变对比(w=20%，σ1-σ3=100 kPa)

从重塑样强度组成分析知，在固结过程中，颗粒或颗粒团之间在外力的作用下重新排列组合，相互之间的咬合和嵌挤作用加强，表现为土体强度的增大。

在试样固结阶段，当固结压力较小时，土体内部经过短时间的调整后达到稳定，强度增幅迅速但不明显；当固结压力较大时，试样内部颗粒先期明显变化，经过长时间的重新组合后达到稳定，试样强度增幅较大，历时较长，故在蠕变阶段，在较小固结压力条件下固结的试样蠕变形变量，比在大固结压力条件下固结的大。

另外，在试样固结阶段，水膜有利于土体颗粒的重新组合，若含水率较低，这种作用不明显，若含水率较高，这种作用能使土样在固结过程中获得较高的强度，表现为含水率高时固结压力对后期蠕变形变明显。在实际工程中，可采用增加上部荷载、延长荷载覆盖时间和适当调整含水率来使得土体固结稳定，减小工后蠕变沉降。

3 结 论

1)平面蠕变类似三轴蠕变，蠕变变形随着剪应力水平的增大越来越明显，所需的时间也愈长，表现为从衰减蠕变阶段过渡到加速蠕变阶段。

2)含水率的大小是蠕变形变量的又一重要影响因素。若固结压力、剪应力较小，蠕变形变量随含水率增大而增大，若固结压力、剪应力较大，高含水率试样形变差异不大，甚至出现低含水率试样形变大于高含水率试样形变的情况。

3)后期蠕变变形的大小与先期土体固结时的固结压力大小也有关，但在排水排气的固结条件下，固结压力大小与含水率的大小综合影响蠕变形变量。低含水率时，固结压力对蠕变影响不太明显，高含水率时，表现为低固结压力固结后的蠕变形变量较高固结压力固结的蠕变形变量要大。

4)所取地区土样平面蠕变规律与常规三轴蠕变规律大体相似。对于平面蠕变量和三轴蠕变量，当其他条件不变时，若剪应力较低，前者稍大于后者，若剪应力较高，后者明显大于前者，三轴土样甚至发生压缩破坏；在固结压力和剪应力水平一定时，高含水率下的平面蠕变量小于三轴蠕变量，低含水率时前者大于后者；在含水率和剪应力水平一定，当固结压力相同时，土样平面蠕变变形明显高于三轴蠕变变形。

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