基于壓縮試驗(yàn)的花崗巖殘積粘性土變形指標(biāo)確定

于月娥 程小勇

(1.廣東技術(shù)師范學(xué)院天河學(xué)院,廣東廣州 510540;2.廣東省水利電力規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)研究院,廣東廣州 510170)

花崗巖殘積土在我國南部、東部分布廣泛[1～3](見圖1),而且厚度較大,在閩粵沿海地區(qū)厚度一般為20～35 m[4],廈門地區(qū)最厚達(dá)70 m。因此,花崗巖殘積土是南方沿海地區(qū)基本建設(shè)中遇到的主要土體之一。近年來,隨著城市化進(jìn)程的加快,花崗巖殘積土地基、邊坡等工程問題大量涌現(xiàn),樁基失效和邊坡失穩(wěn)等工程事故時(shí)有發(fā)生。因此,從工程的實(shí)際需要出發(fā),開展花崗巖殘積土的工程特性及工程問題研究,無疑是一個(gè)重要而急迫的研究課題。

工程土體的變形是其重要力學(xué)性質(zhì)之一[5～6],花崗巖殘積土作為南方工程中比較常見的土體之一,它的變形特性是計(jì)算路塹、路堤、地基變形、土壩、隧道和斜坡穩(wěn)定性,以及支擋建筑物的設(shè)計(jì)計(jì)算的重要參數(shù)。

本文以重塑花崗巖殘積粘性土[7](以下簡稱“殘積土”)為研究對象,通過壓縮試驗(yàn)[8]測定試樣在側(cè)限與軸向排水條件下的變形和壓力,得到孔隙比(e0)、變形指標(biāo)(壓縮系數(shù)av、壓縮模量Es)與飽和度的關(guān)系,從而確定變形指標(biāo)與孔隙比、飽和度的關(guān)系式。

圖1 中國花崗巖風(fēng)化殼分布示意[9]

1 室內(nèi)壓縮試驗(yàn)方法及試驗(yàn)方案

在天然狀態(tài)下,花崗巖殘積土的平均孔隙比一般比較大,表明壓縮的體積較大。工程實(shí)踐表明,殘積土是一種南方常見的工程土體,通常使用常規(guī)試驗(yàn)手段進(jìn)行研究。

按土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(SL237-015-1999)進(jìn)行室內(nèi)固結(jié)試驗(yàn),測定土的壓縮系數(shù)(av)、壓縮模量(Es)。試驗(yàn)按5級依次加載,各級荷載分別為50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa,每級荷載歷時(shí)為 1 h,讀數(shù)需歷時(shí)24 h。

殘積土的單向壓縮試驗(yàn)是在一定固結(jié)壓力作用下,測定花崗巖殘積土變形與時(shí)間的關(guān)系,使殘積土試樣分別在 100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa 的荷載作用下,記錄隨時(shí)間變化試樣的高度變化值。

試驗(yàn)儀器為WG-1型三聯(lián)固結(jié)儀,固結(jié)儀的壓縮容器示意如圖2所示。試驗(yàn)制備尺寸為:直徑61.8 mm,高度20 mm。殘積土取自廣州市燕塘,均為重塑擾動土樣。

圖2 固結(jié)儀的壓縮容器示意

試樣初始孔隙比(e0)由式(1)得出

式中,Gs為土粒比重,ρw為水的密度/(g/cm3),ρ0為試樣初始密度/(g/cm3),w0為試樣初始含水率/%。

各級壓力下固結(jié)穩(wěn)定后的孔隙比(ei)按式(2)計(jì)算

式中,ei為某級壓力下的孔隙比,Δhi為某級壓力下試樣高度變化(cm),h0為試樣初始高度(cm)。

某一級壓力范圍內(nèi)的壓縮系數(shù)av按式(3)計(jì)算

式中,pi為某一壓力值/kPa。

某一壓力范圍內(nèi)的壓縮模量(Es)按式(4)計(jì)算

由以上計(jì)算公式可知,只要已知初始條件p0=0時(shí)試樣高度(H0)和初始孔隙比(e0),就可以計(jì)算每級荷載作用下的孔隙比(ei),由(pi,ei)可以繪出e-p曲線或者e-lg p曲線。

2 殘積土孔隙比、變形指標(biāo)與飽和度的關(guān)系

本試驗(yàn)以不同飽和度(Sr)的殘積土為研究對象,進(jìn)行室內(nèi)固結(jié)試驗(yàn)。試樣在各級壓力下的高度變化值如表1所示,表2為各組試樣孔隙比,壓縮系數(shù)與壓縮模量如表3所示。

表1 各組試樣不同壓力下高度變化值

表2 各組試樣不同壓力下的孔隙比

表3 殘積土壓縮試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理,可以得到不同飽和度狀態(tài)下的殘積土e-p曲線,如圖3所示。

圖3 殘積土不同飽和度的e-p曲線

對比不同飽和度狀態(tài)下的殘積土的壓縮指標(biāo)可以發(fā)現(xiàn),在保持側(cè)限的試驗(yàn)條件下,隨著含水量的增大,殘積土中的粘土礦物及氧化物被水溶解,土樣隨之軟化,強(qiáng)度降低,壓縮性增大(如圖4、圖5所示)。含水量19.19%土樣的壓縮模量為6.43 MPa,而含水量30.49%的殘積土樣的壓縮模量為3.77 MPa,兩者相比較可以發(fā)現(xiàn),后者的壓縮模量比前者降低了41.37%?？梢?隨著含水量的增加,殘積土被軟化的效應(yīng)越顯著,壓縮性增大,工程特性明顯降低。

圖4 殘積土壓縮系數(shù)a0.1-0.2與含水量關(guān)系

為了進(jìn)一步深入研究孔隙比e與壓力p及飽和度Sr的關(guān)系,從圖6觀察分析可知,一定垂直壓力作用下,殘積土的孔隙比(e)與飽和度(Sr)具有很好的線性關(guān)系,故采用直線來擬合各點(diǎn)。繪制在同一壓力下,孔隙比(e)與飽和度(Sr)的關(guān)系曲線,如圖7所示。不同垂直壓力作用下,殘積土的孔隙比與飽和度的擬合公式見表4。通過回歸分析,可得到一定垂直壓力作用下,殘積土孔隙比(e)與飽和度(Sr)的關(guān)系方程

式中,e為孔隙比,Sr為土體飽和度/%,p為壓力/kPa,m為與土體性質(zhì)類型相關(guān)的常數(shù),與壓力 p無關(guān),n(p)為飽和度Sr=100時(shí)與壓力有關(guān)的孔隙比。

圖5 殘積土壓縮模量E s0.1-0.2與含水量關(guān)系

圖6 不同壓力下孔隙比e與飽和度S r

表4 不同壓力下殘積土孔隙比與飽和度擬合關(guān)系式

本試驗(yàn)中m,n(p)的取值如表5所示。

表5 m,n(p)的取值

綜上分析可得:殘積土的壓縮指標(biāo)(av,Es)與飽和度Sr之間存在較好的線性關(guān)系,隨飽和度的增加,壓縮指標(biāo)隨之呈現(xiàn)有規(guī)律的變化。在一定垂直壓力作用下,殘積土的孔隙比(e)與飽和度(Sr)呈線性相關(guān)。依據(jù)飽和土現(xiàn)有的理論,對于一定區(qū)域內(nèi)的殘積土,可以很容易確定飽和殘積土的e-p曲線,故n(p)可以通過室內(nèi)試驗(yàn)測定。

通過以上研究分析可知,m為常數(shù),只要在飽和度Sr=100%的殘積土e-p曲線已知的條件下,利用式(5)可以很容易確定該區(qū)域內(nèi)不同飽和度殘積土孔隙比e與飽和度Sr的關(guān)系。式(5)的得出是在常規(guī)試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上,探索不同飽和度狀態(tài)下殘積土壓縮性的一次嘗試,同時(shí)對簡化單向分層總和法地基沉降量計(jì)算,以及相關(guān)工程設(shè)計(jì)和安全監(jiān)測有著重要的實(shí)際意義。

3 殘積土壓縮系數(shù)(a v)和壓縮模量(E s)的確定

將式(5)代入壓縮系數(shù)與壓縮模量的表達(dá)式,得到在一定垂直壓力作用下,殘積土壓縮系數(shù)和壓縮模量與飽和度的關(guān)系式(6)及式(7)

圖7 不同壓力下孔隙比e與飽和度擬合關(guān)系曲線S r

式中,e0為試樣的初始孔隙比,Sri、Sri+1分別為與孔隙比相對應(yīng)的飽和度,n(pi)、n(pi+1)分別為試樣Sr=100時(shí)與壓力有關(guān)的孔隙比。

式(6)和(7)可以看出,只要利用壓縮試驗(yàn)測得飽和狀態(tài)下花崗巖粘性土的e-p曲線,就可以得出不同飽和度(含水量)狀態(tài)下,殘積土的的壓縮系數(shù)和壓縮模量,減少了室內(nèi)試驗(yàn)的工作量。

4 結(jié)論

殘積土的孔隙比(e)與飽和度(Sr)具有很好的線性關(guān)系;隨著含水量的增加,殘積土被軟化的效應(yīng)越顯著,壓縮性增大,工程特性明顯降低。

利用壓縮試驗(yàn)確定殘積土變形指標(biāo)(壓縮系數(shù)av和壓縮模量Es)的方法,能夠很好的反應(yīng)殘積土的天然狀態(tài),減小室內(nèi)試驗(yàn)工作量,有效提高殘積土變形指標(biāo)確定的效率。

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