基于回彈曲線的結(jié)構(gòu)性土更年期固結(jié)壓力研究

基于回彈曲線的結(jié)構(gòu)性土更年期固結(jié)壓力研究

0工作曲線對(duì)比分析試驗(yàn)土壤來自杭州拱辰橋附近的一個(gè)施工現(xiàn)場(chǎng)。采樣深度為12m，為新世初和中期（p1441和q2442）的軟土。其原狀樣和重塑樣的壓縮曲線如圖1所示。從圖中可以看出,此軟土是典型的結(jié)構(gòu)性土,具有明顯的結(jié)構(gòu)屈服壓力σk。在壓力低于結(jié)構(gòu)屈服壓力σk時(shí),曲線變化比較平緩,當(dāng)壓力超過結(jié)構(gòu)屈服壓力σk時(shí)出現(xiàn)陡降段,最后與重塑土的壓縮曲線趨于重合。而重塑樣的壓縮曲線幾乎成線性分布,不象原狀樣有明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn),說明此時(shí)土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度已幾乎完成喪失。由于先期固結(jié)壓力的定義是針對(duì)非結(jié)構(gòu)性土而言的,因此可以從幾乎完全喪失結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的重塑土的角度,以其壓縮及回彈曲線特性推求結(jié)構(gòu)性土的先期固結(jié)壓力。在這方面,李濤(1987)、鄒越強(qiáng)(1994)、鄧文貴(2000)等做過這方面的研究,他們通過對(duì)擾動(dòng)土樣的壓縮曲線特征分析,采用回彈再壓縮曲線的方法確定土樣的先期固結(jié)壓力,但他們都認(rèn)為還原后的壓縮曲線就是原狀土的壓縮曲線,并沒有考慮土的結(jié)構(gòu)性,這種情況只有是非結(jié)構(gòu)性土才成立,而原狀結(jié)構(gòu)性土的壓縮曲線與通過擾動(dòng)樣還原的壓縮曲線是不一致的,它們之間存在一個(gè)差值,而這個(gè)差值正是反映了原狀結(jié)構(gòu)性土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。2結(jié)構(gòu)性土擾動(dòng)樣的確定李濤(1987)通過擾動(dòng)土樣來確定土的先期固結(jié)壓力,并建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,這是一個(gè)非常好的方法。但是需說明的是這種方法只是針對(duì)非結(jié)構(gòu)性土來說是合適的,而對(duì)于結(jié)構(gòu)性土通過其擾動(dòng)樣來確定就不合適了,因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)性土的擾動(dòng)樣本身還是存在一定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的,所以只有通過對(duì)幾乎完全喪失結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的重塑樣的分析,才能真正找出結(jié)構(gòu)性土的先期固結(jié)壓力。下面通過對(duì)李濤的擾動(dòng)土壓縮曲線數(shù)學(xué)模型進(jìn)行改進(jìn),從重塑土的角度出發(fā)來確定原狀結(jié)構(gòu)性土先期固結(jié)壓力。2.1壓縮曲線模型的建立早在1936年Casagrande就發(fā)現(xiàn),固結(jié)試驗(yàn)中進(jìn)行幾次加荷-卸荷-再加荷的過程,將結(jié)果畫成e-lgp曲線,先期固結(jié)壓力越大,卸荷后的回彈曲線斜率就越陡,但所有再壓縮曲線的斜率與開始部分的加荷曲線的斜率基本一致。通?？杉僭O(shè)不同回彈起點(diǎn)的回彈滯回圈端點(diǎn)連線相互平行。經(jīng)驗(yàn)表明這一假設(shè)在回彈起點(diǎn)壓力不太大(p<1000kPa),回彈終點(diǎn)壓力相同的條件下是可以采用的,模型正是基于此原理建立起來的。Schmertmann(1955)認(rèn)為當(dāng)試樣的初始含水率和容重相同時(shí),即使它們受到了不同程度的擾動(dòng),但在壓力增加到足夠大時(shí)其壓縮曲線也會(huì)逐漸趨近一個(gè)不受原有結(jié)構(gòu)影響的點(diǎn)L,交點(diǎn)的孔隙比約為0.42e0。但不同類型的土此交點(diǎn)不一定在0.42e0處,李濤的試驗(yàn)已證明了這種現(xiàn)象,本文也得出類似的結(jié)果,其交點(diǎn)的位置大約在0.59e0處。根據(jù)李濤建立的基于擾動(dòng)土的模型,改用重塑土建立的還原后壓縮曲線的數(shù)學(xué)模型為e=e1?Cr(lgpL)1?A?(lgp)AA=1+lg(CsCr)lglgσklgpL????????(1)e=e1-Cr(lgpL)1-A?(lgp)AA=1+lg(CsCr)lglgσklgpL}?(1)式中e1為壓力1kPa時(shí)對(duì)應(yīng)的孔隙比,可用初始孔隙比e0代替;Cr為理想重塑樣的壓縮指數(shù),即理想重塑樣壓縮線的斜率;Cs為重塑樣回彈指數(shù),即重塑樣回彈滯回圈端點(diǎn)連線的斜率;σk為原狀樣的結(jié)構(gòu)屈服壓力;pL為重塑樣與原狀樣壓縮曲線交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的壓力值;A為還原系數(shù),它反映了還原后壓縮曲線的特征。因?yàn)槔顫哪Ｐ椭兄豢紤]了土是正常固結(jié)土或超固結(jié)土,對(duì)于欠固結(jié)土,如本文試驗(yàn)中的土,還用上覆壓力p0這個(gè)參數(shù)顯然是不可取的,為了解決這問題,在此建議用結(jié)構(gòu)屈服壓力σk代替上覆壓力p0,其他參數(shù)保持不變。以上模型只是對(duì)李濤擾動(dòng)土模型的改進(jìn)和簡(jiǎn)化,其模型已經(jīng)過許多試驗(yàn)的檢驗(yàn),具有較高的可靠性。2.2理想重塑土壓縮指數(shù)與回彈曲線根據(jù)以上壓縮曲線特征,下面以杭州海積軟土為例,通過以下步驟說明求取其先期固結(jié)壓力pc的過程,如圖2所示。(1)用室內(nèi)壓縮試驗(yàn)測(cè)出重塑樣壓縮曲線和回彈曲線,分別求得理想重塑土的壓縮指數(shù)Cr=0.13,回彈指數(shù)Cs=0.03以及所對(duì)應(yīng)的壓力值PL=3100kPa。(2)已知e0=1.13,σk=142kPa,將所得的Cr,Cs和PL代入式(1),算出重塑土還原后的壓縮曲線,最后得曲線的方程為e=1.13-0.0029(lgp)4.03,作出的圖形如圖3所示。(3)用Casagrande法在還原后的壓縮曲線上確定先期固結(jié)壓力的值pc=108kPa。3孔隙比對(duì)土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響圖4中的陰影區(qū)域是重塑土還原后的壓縮曲線和原狀土的壓縮曲線之間存在的一個(gè)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度區(qū)域,代表在不同荷載下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的的變化規(guī)律?？梢苑謩e在還原后的壓縮曲線和原狀樣壓縮曲線上找出同一孔隙比下所對(duì)應(yīng)的壓力值的大小,其差值正反映了此孔隙比下的土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的大小,這樣就可以直觀地從圖中測(cè)得某一孔隙比下土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的大小。根據(jù)龔曉南的建議,還可把結(jié)構(gòu)屈服壓力σk與先期固結(jié)壓力pc的比值大小,來判斷土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)弱,比值越大反映此土的結(jié)構(gòu)性越強(qiáng),這樣就可以定量地對(duì)不同地區(qū)不同結(jié)構(gòu)性土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)弱進(jìn)行對(duì)比。通過對(duì)杭州海積軟土的分析其結(jié)構(gòu)屈服壓力σk=142kPa,先期固結(jié)壓力pc=108kPa,所以σk/pc=1.31,此值反映此土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)弱程度。4土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和固結(jié)壓力(1)用傳統(tǒng)確定先期固結(jié)壓力的方法不能直接用在結(jié)構(gòu)性土的壓縮曲線上,其得出的結(jié)果是結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力σk,而非先期固結(jié)壓力pc。(2)先期固結(jié)壓力pc意義是針對(duì)非結(jié)構(gòu)性土而言的,是在它們的壓縮曲線的基礎(chǔ)上得出的。(3)數(shù)學(xué)模型的建立消除了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度對(duì)求取先期固結(jié)壓力的影響,從重塑土(可認(rèn)為是非結(jié)構(gòu)性土)的角度出發(fā),通過其壓縮及回彈曲線求先期固結(jié)壓力,經(jīng)許多人的試驗(yàn)結(jié)果證明這種方法是可行的。(4)能方便地通過作圖法,確定結(jié)構(gòu)性土不同孔隙比下存在的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,直觀地表現(xiàn)了結(jié)構(gòu)性土結(jié)構(gòu)逐漸破損的過程。較好地解決了結(jié)構(gòu)性土先期固結(jié)壓力和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的求取,明確了先期固結(jié)壓力的概念。先期固結(jié)壓力是指天然土層在歷史上所經(jīng)受的包括自重壓力和其他荷載作用形成的最大豎向有效固結(jié)壓力,用pc表示,它是反映土層原始應(yīng)力狀態(tài)的一個(gè)重要指標(biāo)。通常pc與現(xiàn)有上覆土層壓力p0之比稱為超固結(jié)比OCR,被用來描述土體的壓密狀態(tài)。傳統(tǒng)的測(cè)定先期固結(jié)壓力方法有很多,如Casagrande法、Schmertmann法、Burmister法等,然而這些方法測(cè)定得出的先期固結(jié)壓力或超固結(jié)比的值,只是針對(duì)非結(jié)構(gòu)性土而言的,對(duì)于原狀結(jié)構(gòu)性土用這些方法所得出的結(jié)果,不能簡(jiǎn)單直接稱之為此原狀結(jié)構(gòu)性土的先期固結(jié)壓力或超固結(jié)比,而應(yīng)稱之為結(jié)構(gòu)屈服壓力σk和結(jié)構(gòu)應(yīng)力比。結(jié)構(gòu)屈服壓力σk是先期固結(jié)壓力pc與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度q之和,而結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是由于土沉積過程中的物理化學(xué)因素使顆粒相互接觸處產(chǎn)生的固化聯(lián)結(jié)鍵而形成的。從廣義上講,土都具有結(jié)構(gòu)性。從微觀上講,土的結(jié)構(gòu)性是指土體顆粒和孔隙的性狀和排列形式及其顆粒間的相互作用。胡瑞林認(rèn)為土的微結(jié)構(gòu)主要由結(jié)構(gòu)單