高填方碳酸盐岩块石地基蠕变特性及蠕变力学模型研究*

  沈志平1,2，付君宜1,2，吴  斌1,2

（1．贵州正业工程技术投资有限公司，贵州  贵阳550000；2．贵州省岩溶地基工程技术研究中心，贵州  贵阳550000）

  [摘要]通过现场对碳酸盐岩块石高填方地基蠕变试验的研究表明：长期处于湿润状态下的岩石，其在相同应力作 用下，在加载过程中湿润状态的瞬时沉降量明显大于自然状态的瞬时沉降量，但是在加载结束后，两种状态下的蠕变沉降相差不大。根据自然状态和湿润状态下碳酸盐岩地基蠕变的沉降监测值，建立了碳酸盐岩的经验力学模型和蠕变力学模型。

  [关键词]地基；蠕变；经验模型；蠕变模型

  [中图分类号]   TU471.6        [文章编号]1002-8498(2016)01-0063-04

0  引言

    喀斯特地貌在我国广泛分布，尤其是西南各省。随着中国西部山区基础设施建设的迅猛发展，高填方地基日益增多，其长期工后沉降直接关系到机场、高速公路和铁路等设施的正常使用。目前对于碳酸盐岩的室内试验已经获得大量成果，但是对于现场试验的研究还处于起步阶段。本文通过高填方碳酸盐岩块石地基现场试验的观测结果，以回归参数模型和广义开尔文模型为研究手段，对碳酸盐岩高填方地基工后沉降进行了深入研究。

1  地基岩层分布

    本试验依托于贵州盘县“煤（焦、化）-钢-电”一体化循环经济项目。填方区自上而下构成为：①四系地层()耕植土  含植物根系和残体，表面裂隙比较发育，场地内普遍分布，厚度0.3~0.8m;②（）红黏土  硬塑~可塑状态，场地内普遍分布，厚度3~ 5m;填方区下伏基岩主要为薄层灰岩，少量中厚层泥质石灰岩。本工程岩层岩体较破碎，主要为中风化。岩石主要为中厚~厚层白云岩、薄~厚层灰岩及中厚~厚层含泥质灰岩。填料黏土含量≤5%，填料均采用粒径≤500mm自然级配块石。地基处理方式为强夯处理，对强夯不能处理的区域，使用振动碾压的方式处理。

2蠕变试验设施

    试验平台按顺序布置4个试验点，各试验平台平面布置如图1所示。其中1号和4号试验平台底部尺寸为3. 0m×3.0m,2号和3号试验平台底部尺寸为5. 0m×5.0m。1号和2号试验平台进行湿润状态的蠕变试验，3号和4号试验平台进行自然状态下的蠕变试验。试验场地剖面如图2所示，各平台观测及注水装置如图3所示。

3试验结果

    4个试验平台加载方式分为8级加载，加载历时101d，最终加载完成后保持所有试验平台底部应力为420kPa。对1，2号试验平台在湿润状态下进行试验，注水过程中拟定湿润碎石填料深度为5倍平台宽度，即5m，3m平台分别为25，15m，注水扩散角为300。加载结束后继续沉降观测到第311d，得到试验平台沉降与时间的关系曲线如图4所示，试验平台沉降量取各平台4个沉降观测点的平均值。

    4个试验平台经过蠕变试验，对比尺寸相同的试验平台，图4中湿润状态下1号平台的总沉降量明显大于自然状态下4号试验平台的总沉降量，湿润状态下2号平台的总沉降量明显大于自然状态下3号平台的总沉降量，说明湿润状态下对于地基蠕变有着很大的影响。对比底部应力相同、湿润状态相同的1号和2号平台，2号平台的沉降量明显大于1号试验平台，说明平台底面积与平台沉降值成正相关，这个现象对比自然状态下的3号和4号试验平台同样可以得出。4个试验平台在应力作用下的最大沉降为2号平台的沉降值75. 85 mm，表明无论自然状态或湿润状态下地基均能够满足《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011对地基变形沉降的要求。

4蠕变模型

4.1经验模型

    本试验的沉降过程分为2个阶段：荷载加载阶段瞬时沉降和加载结束后的蠕变沉降。针对加载过程中荷载逐级增大的情况，此时地基沉降主要以瞬时沉降为主，对于加载过程中忽略蠕变沉降的影响。通过分析，其瞬时变形值与两级荷载之间的关系用复指数函数拟合较为合适。瞬时沉降值的计算方法如下：

式中：n和C为试验常数，由试验数据拟合得出。

    针对蠕变阶段，经验公式采用双曲线函数，其表达式如下：

式中：A，B为回归常数；t为蠕变持续时间。

    采用回归分析，得出1~4号试验平台的沉降随时间关系的参数如表1所示。

    拟合时未考虑第一级加载，上述公式的拟合曲线与实际曲线如图5所示，拟合程度较好。蠕变的经验公式很多，受岩石成分结构、应力和温度的影响，公式的形式也不尽相同，使用时需要注意条件。表1提供了碳酸盐岩在湿润状态下和自然状态下，随时间沉降关系的回归参数模型值，为实际工程提供参考和依据。

4.2广义开尔文模型（见图6）

    碳酸盐岩应力与轴向应变全过程可以分为4个阶段，即：压密、弹性、应变强化、应变软化阶段。结合实际工程，岩石地基的应变阶段一般在第2阶段，此时碳酸盐岩蠕变曲线中包含瞬时变形阶段，蠕变黏性阶段。当时间趋向无穷大时，蠕变量趋于恒定值，这与开尔文模型类似。因此，蠕变模型应该包含弹性元件和开尔文模型，这里选取广义开尔文模型作为蠕变模型。目前尚无理论模型可以描述卸载有残余变形的蠕变特征，因此广义开尔文模型仅适用于加载状态，不适用于卸载状态。其蠕变方程如下：

    上述蠕变模型中的。是恒定应力，实际现场试验的加载模式是8级荷载加载，加载过程中主要以瞬时沉降为主。本蠕变模型将加载阶段的沉降量考虑为最终加载完成后，平台在420kPa应力下的瞬时变形。对各个试验平台的蠕变参数直接计算，并将计算值与各自试验平台的试验蠕变变形值进行对比，起始时间为加载完成后的第101d，此刻设为第0d，对比结果如图7所示。4个试验平台的模型计算结果与试验结果均较为接近。各试验平台的蠕变模型参数值如表2所示。

5  结语

    1)现场试验表明，地基的沉降变形主要发生在加载阶段，待加载完成后，地基蠕变速率明显变慢，在试验末期，试验平台沉降基本趋于稳定，其中4号试验平台沉降值最小，2号试验平台的沉降值最大，同时沉降量均满足规范要求。

    2)试验表明，相同状态下不同尺寸的试验平台，平台底面尺寸越大，其蠕变沉降值越大。

    3)通过蠕变试验曲线，通过复指数函数拟合出加载阶段的碳酸盐岩地基蠕变阶段的经验模型，使用双曲线函数拟合出蠕变阶段的经验模型。通过对蠕变试验曲线的分析，找出广义开尔文模型作为蠕变的组合模型，所得组合模型曲线与实际试验曲线相关性较好。