珠三角地区典型软土蠕变特性的尺寸效应研究

王祥秋，杨 柱，陈世超

（佛山科学技术学院交通与土木建筑学院，广东佛山 528225）

珠三角地区广泛分布着深厚的软弱土层，随着城市地铁以及地下空间工程的发展，涌现出大量与软土蠕变特性相关的工程技术问题，如：超大软土深基坑工程的超限变形问题以及软土地铁区间隧道在长期运营中的沉降问题等。我国岩土工程界学者针对岩土蠕变的力学性能开展了大量的研究工作，并取得了丰硕的成果［1-5］。

国内外岩土学者的研究表明［6-8］，因实际工程中场地的尺寸与试验研究工作中所采用的试样尺寸存在很大差异，导致试验结果与实际工程存在较大差异，因此在蠕变特性研究中需要考虑尺寸效应的影响。在岩体蠕变特性的尺寸效应研究上，陈沅江［9］等通过对4 种不同尺寸的砂质页岩试样进行分级增量循环加、卸载单轴压缩蠕变试验，研究软岩蠕变的尺寸效应。研究表明，该类软岩的蠕变可以用萨乌斯托维奇模型来描述，且该模型中的3 个参数：线弹性参数、黏弹性参数和黏性参数随试样尺寸增大而减小并最终趋于一定值。花俊杰［10］等人利用应力控制式三轴试验仪对两种不同尺寸的堆石体进行蠕变试验。研究结果表明，堆石体的尺寸大小对其蠕变特性影响显著；
大尺寸试样的最终蠕变量明显大于小尺寸试样。王青元［11］等以绿砂岩为研究对象，进行了5 种不同尺寸的室内单轴压缩蠕变试验，并应用非线性蠕变损伤模型建立数值模型并与试验结果进行对比研究。研究结果表明，岩石材料的长期强度具有明显的尺寸效应；
随着试样尺寸的逐渐增大，岩石长期强度值逐渐减小，当试样增大到一定程度时，岩石长期强度稳定在一个特定值附近。在软土蠕变特性的尺寸效应研究上，周翠英［12］等，通过设计边长为20、30 和40 cm 的立方体软黏土天然土样和重塑土样的固结变形试验，研究尺寸大小对固结变形规律的影响。试验结果表明，试样的尺寸越大，其变形增量及最终变形量越大。雷华阳［13］等，利用改装的固结仪，开展不同尺寸的试样对天津地区吹填软土固结特性的影响研究。研究结果表明，吹填软土的固结系数峰值随着试样尺寸的增大而减小，次固结系数峰值则相反。

综上所述，目前学术界针对岩体蠕变特性的尺寸效应研究已比较成熟；
但针对软土蠕变特性的尺寸效应研究则较少，有待深入，因此开展软土蠕变特性的尺寸效应研究具有重要的理论与工程意义。

为研究软土蠕变特性的尺寸效应，本试验设计直径为39.1 mm、高80 mm 和直径为61.8 mm、高125 mm 两种不同尺寸的试样。试验土样取自佛山典型软土区域某建筑基坑，取土深度为10～15 m。试验土样采用饱和重塑土试样。重塑土试样的基本物理力学特性如表1 所示。

表1 试验土样基本物理力学特性

不排水三轴蠕变试验加载方式采用分级循环加卸载方式进行。各级荷载的量级划分根据饱和重塑土试样的不排水三轴抗剪强度实验结果进行划分。蠕变试验开始前对饱和试样进行等围压固结，固结时间取为24 h。蠕变试验中每加一级荷载，需要达到蠕变稳定后（应变量≤0.005 mm/h［14］）方可进行卸载试验。同样地，每次卸载达到稳定后（应变量≤0.005 mm/h）方可进行下一级加载，如此循环，直至试样破坏。蠕变试验分组如表2 所示。

表2 不排水三轴蠕变试验分组

2.1 不同尺寸试样的蠕变曲线及分析

由不排水三轴蠕变试验结果可得，不同围压下两种尺寸试样的蠕变曲线如图1～4 所示。两种不同尺寸的软土试样，在不同围压和偏应力作用下，其蠕变变形曲线形状基本一致，在偏应力水平较高时，均表现出明显的非线性蠕变特性。但不同尺寸试样在相同围压和偏差应力作用下，其绝对蠕变量值则存在明显差异。

图1 围压100 kPa 时两种尺寸试样的蠕变曲线

图2 围压150 kPa 时两种尺寸试样的蠕变曲线

图3 围压200 kPa 时两种尺寸试样的蠕变

图4 围压250 kPa 时两种尺寸试样的蠕变曲线

当围压为100 kPa、偏差应力为75 kPa 时，直径为39.1 mm 试样的最大蠕变应变量为1.13 %（蠕变变形量为0.90 mm）；
而直径为61.8 mm 试样的最大蠕变应变量为1.52 %（蠕变变形量为1.90 mm），相对于直径为39.1 mm 试样，其蠕变应变量增加了34.5 %，蠕变变形量增加了111.1 %，如图1 所示，表明珠三角地区淤泥质软土存在显著的尺寸效应。同样由图1～4 可知，随着围压不断增大，相同偏应力作用下，试样的蠕变应变量以及蠕变变形量均显著降低。当围压为250 kPa、偏差应力为75 kPa 时，直径为39.1 mm 试样的最大蠕变应变量为0.19 %（蠕变变形量为0.15 mm），相对于围压为100 kPa、偏差应力为75 kPa 时直径为39.1 mm 试样的蠕变应变量和蠕变变形量均降低了83.2%；
而直径为61.8 mm 试样的最大蠕变应变量为0.61%（蠕变变形量为0.76 mm），相对于围压为100 kPa、偏差应力为75 kPa 时直径为61.8 mm 试样的蠕变应变量和蠕变变形量均降低了20%。表明珠三角地区软土蠕变特性与其所受的围压大小存在密切联系，在实际工程中需要考虑围压以及偏差应力双重因素对软土蠕变特性的影响。

2.2 不同尺寸试样的等时曲线及分析

同样，由不排水三轴蠕变试验可得，不同围压下两种尺寸试样的应力-应变等时曲线如图5～8 所示。图中每簇应力-应变等时曲线都有较为明显的转折点，与转折点相对应的偏应力水平为非线性蠕变的屈服应力。在围压较低时（围压≤100 kPa），两种尺寸试样的非线性蠕变屈服应力基本相等；
在围压水平较高时（围压≥150 kPa），两种尺寸试样的非线性蠕变屈服应力则存在明显差异：当围压为150 kPa时，直径为39.1 mm 试样的非线性蠕变屈服应力为50 kPa；
而直径为61.8 mm 试样的非线性蠕变屈服应力为25 kPa，相对于直径为39.1 mm 的试样，其屈服应力降低了50 %；
表明珠三角软土的非线性蠕变屈服应力存在显著的尺寸效应。随着围压不断增大，试样的非线性蠕变屈服应力也显著增大。当围压为250 kPa 时，直径为39.1 mm 试样的非线性蠕变屈服应力为75 kPa，相对于围压为100 kPa 时试样的非线性蠕变屈服应力增加了200 %；
而直径为61.8 mm 试样的非线性蠕变屈服应力为50 kPa，相对于围压为100 kPa 时土样非线性蠕变屈服应力增加了100 %。表明随着围压水平和偏应力水平的增大，直径为61.8 mm 试样比直径为39.1 mm 试样更早进入非线性蠕变阶段。因此，在实际工程中应要考虑尺寸效应对软土蠕变特性的影响。

图5 围压100 kPa 下两种尺寸试样的应力-应变等时曲线

图6 围压150 kPa 下两种尺寸试样的应力-应变等时曲线

图7 围压200 kPa 下两种尺寸试样的应力-应变等时曲线

图8 围压250 kPa 下两种尺寸试样应力-应变等时曲线

（1）珠三角地区典型软土在较高的围压水平下表现出明显的非线性蠕变特性。直径为39.1 mm 和直径为61.8 mm 两种尺寸的试样在低围压水平时，其蠕变变形曲线形状基本一致；
随着围压的增大，试样的绝对蠕变值存在明显差异，直径为61.8 mm 试样的绝对蠕变量大于直径为39.1 mm 试样的绝对蠕变量；
在相同的偏应力水平下，随着围压增大，两种尺寸试样的蠕变应变量以及蠕变变形量均显著降低，其中直径为39.1 mm 试样的蠕变应变量以及蠕变变形量下降较快。表明在较高围压水平下，珠三角地区淤泥质软土存在显著的尺寸效应。

（2）珠三角地区典型软土存在明显的非线性蠕变屈服值，且屈服应力与围压和试样尺寸密切相关。随着试验围压的不断增大，两种尺寸试样的非线性蠕变屈服应力均显著增大。在低围压水平下，两种尺寸试样的非线性蠕变屈服应力基本相同；
在围压水平较高时，两种尺寸试样的非线性蠕变屈服应力则存在明显差异，直径为61.8 mm 试样的非线性蠕变屈服应力比直径为39.1 mm 试样的非线性蠕变屈服应力小，大尺寸试样比小尺寸试样更早进入非线性蠕变阶段，表明软土的尺寸效应对非线性蠕变屈服应力影响显著。

（3）试样的尺寸效应、围压水平和偏应力水平对软土蠕变特性的影响显著，在进行软土蠕变特性研究及其工程应用时，应考虑三者之间的共同影响。