自20 年代太沙基(Terzaghi)提出单向固结试验的基本理论以来, 分级加荷压缩试验广泛用于工程设计;以其理论简明, 操作方便等特点而沿用至今。然而这种方法也存在一些缺点, 主要是试验周期长, 一次试验需要数天甚至十余天时间。再者试验荷载成倍增长(一般每级荷载的增量比为1), 所得试验点数据较少, 影响先期固结压力指标的正确确定。固结过程中, 由于试样排水面处孔隙水压力梯度很大, 有可能破坏试样的原状结构。采用固定历时, 不便于了解荷重速率对土的压缩性状的影响, 而且这样的加荷方式也与实际工程施工出入很大。早在1959 年, 汉弥尔登(Hamilton)与克劳福首先提出了连续加荷的恒应变速率压缩试验法(简称CRS 法), 后来又得到了发展。这类试验大大缩短了试验时间。试验即采用了连续加荷压缩试验中的恒荷重速率试验法(简称CRL 法), 加荷时控制试样上应力增长速率为常量。

1 　试验仪器简介

试验是在GDS 三轴试验系统中进行的。由围压控制器(Cell Pressure Controller)对压力室中的水加压, 再通过水将围压力施加到试样上。反压控制器(Back Pressure Controller)量测、控制试样中的孔隙水压力, 以及试样中孔隙水体积变化。气压控制器(Air Pressure Controller)量测、控制土样中的孔隙气压力和孔隙气体积变化。轴向加压系统负责对试样施加轴向压力, 从而在试样中产生偏应力。压力的量测控制精度为1 kPa , 体积的量测控制精度为1mm3 。通过计算机控制与分析系统,GDS 可以实现2Hz 周期荷载试验、应力路径试验、k0 固结试验、压缩或拉伸剪切试验。

2 　试验用土的基本性质

本次试验所用黄土取自甘肃定西土家湾隧道西侧, 属于典型的陇西Q3 黄土。取土深度1 .3 ～ 1 .8m , 土呈褐黄色, 硬塑状态, 天然含水量为6 .2 %～9 .7 %, 天然密度为(1 .35 ～ 1 .41)×10kN/m3 , 天然孔隙比为1 .05 ～ 1 .20 。

通过室内试验测得该土的基本物性指标如下:

塑限ωp =19 .0 , 液限ωL =28 .3 , 塑性指数LP =9 .3 ,不均匀系数Ku =11 , 曲率系数Kc =2 .27 。

3 　试样的制备方法

按照试验规程[ 2] 用专用的削土器将土样削制成高度为80mm, 直径为39 .1mm 的圆柱形试样, 控制同一组试样含水量差值不大于2 %, 干密度差值不超过0 .3kN/m3 。本次试验试样干密度变化范围为(1 .28 ～ 1 .30)×10kN/m3 。根据设定的含水量推算出该含水量下的试样重, 同时求出达到所需含水量时的配水量(或减水量), 用风干法和水膜转移法控制含水量。

4 　试验方法

试验中排除干密度的变化所造成的影响, 从而控制试验的影响因素是应力水平和土样含水量, 试验共做了四个应力水平(σrc =100kPa , 200kPa ,300kPa , 400kPa)和两组含水量(W =18 %, 13 %)。试验时, 在试样中间高度处安装霍尔效应传感器(Hall Effect Transducer)量测中断面处的径向变形,并将变形值反馈到计算机控制系统, 以此来调整加载系统, 实现k0 固结条件。如前所述, 本次试验采用的是恒荷重速率法, 施加速率为10kPa/h , 待侧压达到指定压力时,保持侧压稳定不变, 让试样在此压力下继续固结,固结结束标准是试样轴向变形稳定, 判断标准为每小时变形量不超过0 .01mm。

1 　轴向应力随侧向应力的变化

黄土是一种典型的结构性土, 其结构性特征在其结构连接没有遭到破坏以前表现为它维持结构可稳性的能力;在结构遭到破坏以后表现为结构可变性能力。在侧向应力线性增加过程中,轴向应力试验曲线可分为三个阶段。

第一阶段, 在荷载较小的情况下, 土的结构性基本保持完好, 外荷载由土的结构强度所承担, 土体基本不发生侧向变形。表现为轴向应力试验曲线基本与坐标纵轴重合, 即在k0 状态下单位侧向应力的增加需要较大的轴向应力。

第二阶段, 随着外荷载的增加, 进入结构大量破损阶段。这时, 除了颗粒间的滑移外, 还伴随着结构的坍塌, 相应的压缩性可能远高于重塑土的压缩性。表现为轴向应力试验曲线斜率突然变缓。将此斜率突然变化点所对应的轴向应力亦即进入第二阶段的临界轴向应力值称为结构屈服荷载。

第三阶段, 等荷载增加至某一临界值, 土的结构已发展到全部破坏。此时, 土的性质已接近重塑土, 土颗粒间的滑移成为变形的主要原因。把这一极限荷载称为硬化荷载。表现为轴向应力试验曲线斜率又有所增大, 侧向应力与轴向应力成比例增长。

当侧向应力稳定后,轴向应力也基本稳定并会略有减小。这一点可以用土的次固结理论来解释。本次试验由于加载速率(10kPa/h)很小, 加荷过程中由荷载随时间增加所引起的超静孔隙压力增加和孔隙压力随时间的消散基本相互抵消, 试验数据显示整个加荷过程中不产生超静孔隙压力。所以, 加荷结束后, 外荷载完全由土骨架承担。在骨架应力作用下, 土体发生进一步的变形, 骨架体错动, 土颗粒重新排列, 由此引起侧向变形略有增大。而k0 固结中是不允许侧向变形的,在侧向应力不变的情况下只能减小轴向应力来消除侧向变形。

2 　应变分析

由于没有侧向变形, 以下的应变即是指轴向应变。传统土力学用孔隙比e 和垂直压力p 的关系表示土的侧限压缩特性, 虽然有很多优点, 但在土体变形计算中却显得十分不方便。因为在变形计算中必须把e ～ p 曲线还原为垂直压缩应变和垂直压应力的关系, 这对变形计算来说, 是不必要的, 增加了测试和计算误差。

利用恒荷重速率试验法, 对陇西Q3 黄土进行了k0 固结试验, 得到以下结论:

(1)原状黄土由于结构性的影响, 在连续加载过程中, 其变形特性可划分为三个阶段:结构基本完好阶段、结构破坏阶段和重塑阶段。

(2)忽略第一阶段变形, 在应力变化过程中, 应变与轴向应力的对数近似呈线性关系。

(3)应力稳定后, 应变与时间之间呈现双曲线关系模式。