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工作曲線對比分析試驗土壤來自杭州拱辰橋附近的一個施工現(xiàn)場。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,曲線變化比較平緩,當(dāng)壓力超過結(jié)構(gòu)屈服壓力σk時出現(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,說明此時土的結(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,他們通過對擾動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樣還原的壓縮曲線是不一致的,它們之間存在一個差值,而這個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)性土擾動樣的確定李濤(1987)通過擾動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,這是一個非常好的方法。但是需說明的是這種方法只是針對非結(jié)構(gòu)性土來說是合適的,而對于結(jié)構(gòu)性土通過其擾動樣來確定就不合適了,因為結(jié)構(gòu)性土的擾動樣本身還是存在一定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的,所以只有通過對幾乎完全喪失結(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。下面通過對李濤的擾動土壓縮曲線數(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)不同回彈起點的回彈滯回圈端點連線相互平行。經(jīng)驗表明這一假設(shè)在回彈起點壓力不太大(p<1000kPa),回彈終點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,即使它們受到了不同程度的擾動,但在壓力增加到足夠大時其壓縮曲線也會逐漸趨近一個不受原有結(jié)構(gòu)影響的點L,交點的孔隙比約為0.42e0。但不同類型的土此交點不一定在0.42e0處,李濤的試驗已證明了這種現(xiàn)象,本文也得出類似的結(jié)果,其交點的位置大約在0.59e0處。根據(jù)李濤建立的基于擾動土的模型,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時對應(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所對應(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。因為李濤的模型中只考慮了土是正常固結(jié)土或超固結(jié)土,對于欠固結(jié)土,如本文試驗中的土,還用上覆壓力p0這個參數(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。以上模型只是對李濤擾動土模型的改進(jìn)和簡化,其模型已經(jīng)過許多試驗的檢驗,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)壓縮試驗測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)行對比。通過對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,然而這些方法測定得出的先期固結(jié)壓力或超固結(jié)比的值,只是針對非結(jié)構(gòu)性土而言的,對于原狀結(jié)構(gòu)性土用這些方法所得出的結(jié)果,不能簡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