饱和砂性土流变模型的试验研究.pdf

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Journal of Engineering Geology工程地质学报1004-9665/2007/15(02)-0212-05
饱和砂性土流变模型的试验硏究
施小清の薛禹群の吴吉春の张云の叶淑君于军
(①南京大学地球科学系南京210093)
(②江苏省地质调查研究院南京210018)
摘要正确合理的土体本构模型确定是地面沉降模拟的关键之一。上海和江苏地区多年来野外分层标的实际观测资料表
明该区含水层系统砂层变形具有流变特征,表现出变形滞后于含水层水位变化的现象。本文基于粘弹性理论,选取了常州含
水层系统原状砂性土样进行单轴压缩试验,分析了砂性土流变荷载曲线,并选择现有的相关本构模型进行识别,从而确定能
更好反映研究区土体变形规律的流变模型。结果表明,研究区砂性土可采用 Burgers模型进行描述,反演获得的4个流变参数
随荷载的增加表现出一定的规律性
关键词砂性土流变特性 Burgers模型 Merchant模型
中图分类号:TU441:.5文献标识码:A
UNIAXIAL COMPRESSION TESTS FOR CREEP MODEL OF SATURATED
SAND IN CHANGZHOU
SHI Xiaoqing AUE Yuqun WU Jichun ZHANG Yun YE Shujun
YU
Department of Earth Sciences, Nanjing University, Nanjing 210093)
(2ceologicad Surey of Jiangsu Province, Nanjing 210018
Abstract A reasonable soil constitutive model is one of the key aspects for the land subsidence simulation. Based
on the data from layered marks of Shanghai and Changzhou region, the results indicate that the rheology occurs in
the sandy soil. In order to investigate the lag phenomena between the deformation in the land subsidence and the
variation of the water level of the aquifer, the creep behavior of the saturated sand is studied based on the uniaxial
compression tests of undisturbed soils of the Ist, 2nd confined aquifers in Changzhou City. Based on visco-elastic
theory, inverse models of creep curves of load tests were set up for Merchant and Burgers model. The analysis re
sults show that the optimum rheological model is Burgers model for different load test curves. The relation between
the rheological parameters and applied normal loads were analyzed and discussed
Key words Sandy soil, Rheological behavior, Bt
urgers mo
del, Merchant model
定正确合理的沉降模型是地面沉降模拟的关键问题
1弓
之一。沉降模型首先根据土层的应力应变本构关系
地面沉降模型包括计算上层水位变化的地下水计算出应变,然后计算出压缩变形量。因此,上层变
水流模型和计算土层位移量的沉降模型两部分,确形特征不同即应力应变关系不同,对应的沉降模型
收稿日期:2006-04-26;收到修改稿日期:2006-06-0
基金项目:国家自然科学基金重点基金(批准号40335045)资助项国
第一作者简介:施小清(1979-),男,博土生,研究方向为地面沉降数值模拟和地下水流数值模拟等.Email:shixiaoqing(@njiu.org.cn
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15(2)施小清等:饱和砂性土流变模型的试验研究
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也就不同。
也得出了广义 Kelvin本构模型并加以应用,然而对
随着地面沉降问题研究的深入,越来越多的研于试验数据仍缺乏相应的检验
究者认识到抽水作用下土层的变形压缩量中包含了
针对目前对地面沉降中含水砂层的流变特性认
定比例的流变变形量,不仅软粘土具有流变特识较少,本文选取了常州含水层系统原状砂性土样
性,即使是饱和的砂性土的变形也与时间有进行了单轴压缩试验,分析了饱和砂性土的流变荷
关3,,具有流变性。砂性土层的流变特性不仅为载试验曲线,并选择现有的相关本构模型进行识别,
室内试验所证实,也为现场监测资料所证实,如常州从而确定能更好反映研究区砂性土变形规律的流变
清凉山小学分层标附近第二承压含水层为细砂、砂本构模型,旨在为考虑滯后现象的地面沉降模型提
砾石,埋深92.66~109.99m,在近几年地下水位基供相应合适的本构模型。
本保持不变,甚至略有回升的情况下,压缩变形量仍
在不断增加。
2单轴蠕变试验
地面沉降现象是复杂的土层压密过程,为了描
述土层的压缩过程,在土力学领域内,已经提出了若
试验在高压冏结仪上进行,试样高2cm,面积为
干应力ー应变模型,其中包括土的弹性本构模型、粘30cm2。采用分级加荷,最大荷载达3200kPa。在试
弹性本构模型和弹塑性本构模型。考虑到过于复杂验过程中,温度控制在23℃±3℃。与普通单轴固
的粘弹塑性变形特征的应力ー应变模型不能直接用结试验的不同仅仅在于每次荷载的持续时间较长
于区域地面沉降模型中, Corapcioglu和 Brutsaert?一般为6~9d,直至观测到变形稳定,稳定标准取为
基于 Merchant?关于划分主、次固结的粘土固结理变形量小于0.005mm?d'。2个试验土样取自常
论,提出了一维线性粘弹本构关系( Merchant模州的第1承压含水层和第2承压含水层,分别为砂
型),但缺少试验数据。吴林高等以及缪俊发质粉土、细砂,土样的物理力学性质指标如表1。每
等分析了抽灌水压密引起地面沉降的力学机制,组试验持绫时间长达41~60d。
表1试样的常规物理力学性质指标
Table 1 Physical and mechanical properties of the samples
试样含水量重度/孔隙比压缩系数/凝聚力内摩擦角
粒度组成/(%)(粒径单位:mm)
编号0/(%)kN
MPac/kPap/(°)0.5-0.250.25-0.0750.075-0.050.05~0.01<0.01
31.22
18.930.8410.146
19.0
27.0
41.7
24.00
18.650.7590.078
加而几乎同步发生,反映了开始阶