淤泥质土封闭作用下侧压力试验研究

李晓康,岳祖润,陈佩哲,高晓静

(1.石家庄铁道大学土木工程学院,石家庄 050043； 2.石家庄铁道大学道路与铁道工程安全保障省部共建教育部重点实验室,石家庄 050043； 3.石家庄铁道大学研究生学院,石家庄 050043)

淤泥及淤泥质土广泛分布在我国华东、华南地区,具有含水率高、强度低、流动性强的特征。其既属于岩土工程领域的软土,又属于流体力学领域的非牛顿流体[1],在变形及荷载传递方面会表现出一定的流体性质。在工程实际中,淤泥质土普遍上覆一层厚度不大,强度、刚度相对较高的硬壳层,对其下的软土具有封闭作用[2]。当路基堆载、基坑开挖卸荷等荷载作用在硬壳层上时,硬壳层下沉变形并向其下覆软土层传递荷载,受硬壳层封闭作用和自身高流动性的影响,淤泥质土向周围挤压变形,在一定范围内引起较大的水平应力,对桩基、桥台、挡土结构等具有一定的危害,甚至引起事故[3-5]。苏木标[6]将这种淤泥质土类似封闭液体受荷后向周围挤压的现象,称为“类帕斯卡效应”。王锡朝[7]通过模型试验指出,硬壳层对淤泥土的封闭能使淤泥层中产生超常的附加应力,其水平应力不宜采用Boussinesq线性变形体理论解求算。

专家学者们对硬壳层软土对结构物侧压力的计算方法进行了一些研究。李作勤[8]指出,对于有一定厚度的饱和软黏土的K0值存在σh/σv≈1的情况,此时挡土结构物承受最大的侧压力。De. Beer和Wallays[9]提出了硬壳层堆载对临近软土层内桩基土压力计算经验公式,并假设堆载产生的水平土压力在软土层内呈矩形分布。Springma[10-11]等在研究软土层内桥台桩基邻近堆载问题时,通过离心模型试验得出软土层内土压力呈矩形分布,并认为随着荷载等级的增长,软土层内侧压力由矩形分布逐渐向抛物线形分布过渡。此外,用于计算软土流动对结构物侧压力的还有力法[12-13]、位移法[14-15]等等。在诸多计算方法中,软土的侧压力系数是计算侧压力的重要参数[16-17]。硬壳层的封闭作用会改变其下软土层侧压力的传递、分布规律,其对侧压力系数的影响效果应该纳入考虑。因此,通过室内试验探究硬壳层封闭条件下,下覆软土的侧压力分布及传递规律,并给出侧压力系数的定量值,为深厚软土层内侧压力计算方法及影响范围判定提供参考。

1 封闭侧压力试验简介

为控制边界效应,结合室内试验条件,试验采用内径30 cm、高50 cm的圆柱形土样筒。为最大限度消除筒壁摩擦,在土样与土样筒之间放置玻璃纸,玻璃纸与土样筒之间涂凡士林润滑。

为获得土样在某一深度处的侧压力系数,需测出该点的竖向、侧向土压力,进而算得侧压力系数K。为了量测不同深度处土样的竖向土压力及侧向土压力,在土中2,10,20,30 cm深度处埋设竖向、侧向土压力传感器。为了比较距加载盘不同距离处侧压力数值及传递规律,在2,10 cm深处筒壁位置用免钉胶粘结侧向土压力传感器,土压力传感器共布设10根。采用DH3818型静态电阻应变仪及配套采集控制软件采集土压力数据。

试验土样高40 cm,采用淤泥质土通过室内重塑制得,硬壳层厚度2 cm,采用水泥土制作。淤泥质土取自苏州轨道交通15号线07标段,地质勘探资料显示该层土为淤泥质土,含云母、有机质,呈软塑～流塑状态。试验前将淤泥质土烘干碾碎,过2 mm筛,配至指定含水率后,分层铺入土样筒。根据文献[18],水泥土的强度及应力-应变特性与超固结土类似,因此可用来模拟硬壳层的板体特性。水泥土硬壳层采用同种淤泥质土掺入水泥制作,水泥型号为P.O52.5早强型水泥。通过反复实验,确定硬壳层的合理配比为干土∶水∶水泥=1∶0.5∶0.2。淤泥质土及硬壳层土样制备完毕后,静置3 d使土样水分均匀分布,同时为硬壳层形成强度提供足够时间。

试验以硬壳层完整性及加载方式为划分标准,共分为3种工况,分别为硬壳层完整、满布加载(工况1),硬壳层完整、中心局部加载(工况2),硬壳层中心破坏、中心局部加载(工况3)。局部加载采用直径为6 cm的圆形刚性加载盘,满布加载采用直径25 cm的圆形刚性加载盘。为了观察土样流动程度(以稠度状态表征)对其侧压力分布和传递的影响,拟分别对处于软塑、流塑状态的土样进行试验。同时,通过预实验,发现含水率超过50%后,试样会出现明显的水分溢出、聚集在顶端,这将导致其实际含水率无法控制和硬壳层强度不足、难以提供封闭状态。因此,综合考虑上述因素和试验变量梯度,每组试验设置40%,44%,48%三种含水率,其中40%含水率试样处在软塑状态,44%,48%含水率试样处在流塑状态。使用砝码分级施加静荷载,3种工况荷载等级分别为1.4,9.0,4.5 kPa。为避免超静孔隙水压力对数据的干扰,每级荷载持续30 min,取采集仪示数充分稳定后的测量值,试验过程以硬壳层破坏、无法继续加载为止。

注：TY表示土压力传感器,数字为其编号。

试验装置及传感器布设方法见图1,工况2、工况3试验采用局部加载,加载盘直径均为6 cm,硬壳层分别为完整、破坏状态,其余条件均与工况1相同。土样物理力学指标见表1,试验变量设计方法见表2。

表1 土样物理力学指标

注：表中抗剪强度指标为直剪快剪指标。

表2 试验变量设计方法

2 试验结果分析

淤泥质土封闭侧压力试验共进行9次有效试验,结果汇总于表3。

由于不同工况试样的破坏荷载不尽相同,为使试验结果简洁直观呈现,经过数据整理与筛选,取每次试验破坏荷载σf的1/4,2/4,3/4,4/4等级处各测点土压力数值分析讨论。

侧压力系数K计算式为

K=σh/σv

(1)

其中,σv为某一深度处测得的竖向土压力；σh为某一深度处测得的侧向土压力。

为了能更加直观地描绘试验结果,将试验中较有代表性的结果绘成曲线,分析封闭状态下淤泥质土侧压力分布规律、侧压力系数变化规律及硬壳层完整性对侧压力传递方式的影响。

图2 工况1侧压力沿深度分布

2.1 侧压力分布规律

由图2可得,土样承载能力随着含水率升高而承载能力减弱,导致不同含水率土样应力水平不尽相同,但侧向土压力沿深度的分布仍表现出一致趋势,即随深度近似呈抛物线形分布,这与文献[19]中现场监测结果一致。

表3 土样实测压力 kPa

在应力水平较低时(1/4σf处),3种土样侧压力沿深度分布近似直线,这可能由于应力水平较低,土体处于弹性阶段,土中侧压力数值在不同深度处近似相等；随着应力水平的增加,侧压力随深度分布向抛物线形转变,在4/4σf处,3种含水率试样均表现出明显的抛物线形分布。其中,最小点发生在2 cm处,最大点发生在10 cm处,且在最大点以下,土压力随深度衰减不明显,呈现“半抛物线的性质”。对比3种含水率土样可得,在侧压力最高点以下,随着土样含水率增加,侧压力随深度分布逐渐趋近于直线形,这表明随着含水率增长,淤泥质土侧压力随深度分布形式逐渐表现出流体性质。

由试验过程中观测,在2 cm处,由于淤泥质土自身固结沉降,硬壳层与土样层具有一层1～5 mm的缝隙,致使土样顶部受荷区并不处在严格的封闭状态。当荷载施加时,土体承受竖向压力,由于其较强的流动性而侧向挤出,造成竖向土压力集中、侧向土压力衰减,这是引起2 cm处侧压力偏小的原因。同时,硬壳层水泥水化过程中吸水会导致该处含水率减小。因此,上半部土样的土性、应力状态、封闭状态均与下半部土样有较大差别,可视为不稳定区。

由上述分析可得,侧向土压力沿深度呈现上半部为抛物线、下半部近似直线的“半抛物线形”分布。其中,抛物线形趋势随应力水平的升高而增强,直线形趋势随含水率增长而增强。

2.2 侧压力系数

由图3可得,淤泥质土侧压力系数变化的整体规律是随深度增长而增长,逐渐趋近于1。分析表4中数值,在同一高度处,侧压力系数随含水率变化规律不明显。对于3种含水率试样,侧压力系数均随深度增长而增长,且增长幅度逐渐降低,最终在20,30 cm处稳定在1附近。在正常固结的静力加载状态下,土的侧压力系数不可能超过水的侧压力系数,其最大值应为1。因此,30 cm处侧压力系数可视为1。在30 cm处出现侧压力系数略大于1的情况,通过与传感器厂商沟通,可能是由于该处竖向土压力传感器的试验环境与标定环境略有不同,按标定过程所取的灵敏度与试验环境下的实际灵敏度有细微差别,进而引起实测值略微偏小。

图3 工况1侧压力系数沿深度分布

表4 工况1侧压力系数平均值

由前述分析,试样由于室内条件的限制,以20 cm为界存在非稳定区与稳定区。分析稳定区侧压力系数试验结果,可以得出,在稳定区,3种含水率土样侧压力系数均接近1,随含水率变化不大。这表明,对于深厚淤泥质土,取保守值,其封闭状态下侧压力传递系数可认为是1。

2.3 硬壳层完整性对侧压力传递的影响

取现象较为典型的40%含水率试样,在2 cm位置进行不同工况下土中与筒壁侧压力对比,结果如图4所示。

图4 不同工况下土中与筒壁侧压力

在中心局部加载条件下,当硬壳层完整时(工况2),筒壁侧压力始终大于土中侧压力,其并不符合侧压力随距离逐渐衰减的一般认识。这是由于硬壳层受荷弯沉使荷载扩散至下覆淤泥质土层,受到硬壳层封闭作用的约束及自身高流动性的影响,淤泥质土向两侧挤压流动,致使土压力向较远距离传递。由于土中传感器位移不受约束,筒壁土压力传感器位移锁定在坚硬面,因此出现了筒壁所测土压力大于中心位置的反常现象,这也验证了“类帕斯卡效应”[6]的存在。

对于硬壳层中心破坏、局部加载的工况3,其由下部软弱淤泥质土直接承担外荷载,故应力水平小于硬壳层完整工况。在加载期间,土样中心侧压力始终大于筒壁侧压力,这与布幸内斯克弹性解[20]的规律一致。但引起注意的是,在试验后半程,土中、筒壁土压力之差逐渐减小,这说明,随着外荷载的增大,淤泥质土侧向流动挤压加剧,硬壳层的封闭作用逐步显现,导致局部荷载的影响范围和影响程度逐渐加大,“类帕斯卡效应”逐渐显现。

对于满布加载(工况1),不同水平位置的侧压力则相差不大,这与弹性半无限体理论一致。在试验后1/3程,随着外荷载增大,筒壁土压力逐渐大于土中土压力,这可能是由于土体受荷压缩,引起硬壳层下沉,造成筒壁传感器与硬度较大的硬壳层距离过近,引起一定程度的应力集中。

3 结论

通过对封闭状态下不同含水率淤泥质土进行的3种工况的室内试验,得出如下结论。

(1)封闭淤泥质土侧压力沿深度分布具有类似流体的性质,呈半抛物线形分布。半抛物线上半段侧压力随深度增加而增加,下半段土压力随深度衰减不明显、近似直线。抛物线趋势随荷载水平增大而增强,直线趋势随含水率增加而增强。

(2)封闭淤泥质土侧压力系数在非稳定区沿深度增加,在稳定区趋近于1。从工程安全角度考虑,设计时可把封闭状态下淤泥质土侧压力系数取为1。

(3)硬壳层完整性对土压力侧向传递具有一定影响。硬壳层完整时,封闭作用明显,导致侧压力具有较大的传递和影响范围；硬壳层破坏时,封闭作用随着荷载水平增加,逐步显现。这种情况在工程中可能导致超出正常距离的影响范围,引起远处建筑物沉降、管线下沉等,应引起重视。

4 展望

应当指出,受限于室内试验条件,本试验土样与实际工程荷载下软土的应力状态并不完全相同。此外,试验本身的尺寸效应及边界效应对试验结果、尤其是土中应力分布也有一定程度的影响。因此,本次试验所得结果可作为支撑理论推导的定性分析,定量分析则有待于进一步深入研究。同时,本试验只进行了封闭状态下淤泥质土侧压力分布规律的研究,以后应在试验中加入挡墙、桩基等结构物模型,研究封闭状态下淤泥质土侧压力在结构物上的作用规律。