重塑黏土側(cè)向應(yīng)力變化的試驗(yàn)研究

陳龍飛， 王國(guó)體

（合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽合肥 230009）

0 引 言

土體的側(cè)向應(yīng)力狀態(tài)決定了擋土結(jié)構(gòu)物上的土壓力分布、工程造價(jià)、安全可靠程度等。如計(jì)算擋土結(jié)構(gòu)的靜止側(cè)向土壓力時(shí)所需要的參數(shù)即靜止土壓力系數(shù)K0的確定就存在著一些問(wèn)題，長(zhǎng)期以來(lái)，人們遵循的是實(shí)踐—總結(jié)—提高的路徑，用半經(jīng)驗(yàn)半理論的方法，解決工程實(shí)踐中碰到的問(wèn)題，并且還未完全從“必然”向“自由”的境界過(guò)渡［1］。已有的一些確定靜止土壓力系數(shù)的方法與研究成果［2－6］，很少涉及土的歷史成因以及形成條件對(duì)靜止土壓力系數(shù)的影響。本文從重塑的角度出發(fā)，通過(guò)加載過(guò)程，分析土體在不同含水量的固結(jié)過(guò)程中是否排水，比較土體的側(cè)向應(yīng)力狀況，所得結(jié)果有助于以后的土體側(cè)向應(yīng)力狀況的研究，尤其是基坑開(kāi)挖和高路堤填筑中的支護(hù)結(jié)構(gòu)物的設(shè)計(jì)等。

1 試驗(yàn)方案與儀器

1.1 試驗(yàn)土料

重塑土從屬于擾動(dòng)土的土體基本性狀，結(jié)構(gòu)上與原狀土的土體完全不同［7］。本試驗(yàn)土樣采用合肥市某地地下3 m處的黏土，其基本物理性質(zhì)見(jiàn)表1所列。土樣經(jīng)風(fēng)干、碾碎后過(guò)0.5 mm標(biāo)準(zhǔn)篩，得到松散土顆粒，加過(guò)量水調(diào)制成流體狀，根據(jù)需要風(fēng)干至所需含水率后將土樣裝入保鮮袋儲(chǔ)存?zhèn)溆谩１驹囼?yàn)過(guò)程中的土樣：高含水量代表43%含水率，低含水量代表32%含水率。

表1 土樣的基本物理性質(zhì)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)采用GJY K0固結(jié)儀，如圖1、圖2所示。改裝后的固結(jié)儀壓力傳感器的讀數(shù)有些滯后，水介質(zhì)有一定的壓縮性、固結(jié)儀中的橡膠圈并非是完全剛性材料，這些都會(huì)造成試驗(yàn)誤差。

圖1 GJY K 0固結(jié)儀

圖2 傳感器接收裝置

為減少誤差，采取的措施主要有：

（1）用氣體溶解度較低的蒸餾水代替自來(lái)水作為K0固結(jié)儀中的壓力傳遞介質(zhì)。

（2）數(shù)據(jù)采集前將儀器提前開(kāi)啟30 min防止電子儀器溫度影響。

（3）由于存在系統(tǒng)誤差，須對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的修正，測(cè)定值為理論值的95%。

1.3 試驗(yàn)方案

采用黏土進(jìn)行試驗(yàn)研究，主要是因?yàn)轲ね猎谖覈?guó)有很廣的分布，實(shí)際工程與黏土聯(lián)系十分緊密，更能接近實(shí)際；而且黏土所體現(xiàn)出來(lái)的黏聚力、低滲透性等一些特性是非黏性土所不具備的。

將制備好的土料裝入不透水乳膠模，塑成圓柱狀試樣（土體與乳膠膜的整體），然后裝入K0固結(jié)儀中，根據(jù)固結(jié)過(guò)程中土體排水與否來(lái)決定試樣兩端是否密封（不排水情況為乳膠膜密封；排水情況為乳膠膜兩端部剪開(kāi)并放置濾紙及透水石）。此后在荷載為零的情況下，向K0固結(jié)儀的橡膠圈內(nèi)注入蒸餾水，記錄初始側(cè)壓力與初始豎直讀數(shù)后分級(jí)加載，記錄加載過(guò)程中側(cè)向應(yīng)力與豎直高度的變化情況?？紤]到工程實(shí)際情況以及既有的試驗(yàn)規(guī)范，荷載分級(jí)為：50、100、200、300、400 kPa。

為保證側(cè)向應(yīng)力值的及時(shí)和準(zhǔn)確性，同時(shí)為使試驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠較好地反映土體應(yīng)力狀態(tài)的變化情況，試驗(yàn)過(guò)程中加大了數(shù)據(jù)采集的密度，尤其是變載后，1 h需記錄4到5次數(shù)據(jù)，其余采集周期為2 h。參考現(xiàn)有的固結(jié)實(shí)驗(yàn)規(guī)范，施加每級(jí)荷載后24 h測(cè)定試樣的高度變化，每小時(shí)變形達(dá)0.01 mm時(shí)，測(cè)定試樣高度變化作為穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)［8］，同時(shí)要求側(cè)向應(yīng)力每小時(shí)變化小于1 k Pa，即可認(rèn)為土體在該級(jí)荷載下穩(wěn)定，可進(jìn)行下一級(jí)加載。

為保證研究的系統(tǒng)性，本試驗(yàn)主要進(jìn)行以下4組試驗(yàn)：高含水量不排水試驗(yàn)、高含水量排水試驗(yàn)、低含水量不排水試驗(yàn)、低含水量排水試驗(yàn)。為確保試驗(yàn)準(zhǔn)確性與可靠性，每組試驗(yàn)進(jìn)行2次平行試驗(yàn)。

本試驗(yàn)主要在含水量不同以及固結(jié)過(guò)程土體是否排水等情況下進(jìn)行如下分析：

（1）在各級(jí)荷載作用下側(cè)應(yīng)力系數(shù)的變化特征。

（2）各級(jí)荷載下固結(jié)完成時(shí)，側(cè)應(yīng)力系數(shù)與土體飽和度和排水條件的關(guān)系。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 各級(jí)荷載下側(cè)應(yīng)力系數(shù)的變化

土體中任意點(diǎn)的應(yīng)力滿足：

其中，σ為土體總應(yīng)力；σ′為土體的有效應(yīng)力；u為孔隙壓力。當(dāng)土體非完全飽和時(shí)，孔隙壓力等于孔隙水壓力與孔隙氣壓力之和；當(dāng)土體完全飽和時(shí)，孔隙壓力等于孔隙水壓力。

由于采用分級(jí)加載，所以（1）式應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)樵隽啃问?，?/p>

其中，Δσ為加載引起的總應(yīng)力增量；Δσ′為加載引起的有效應(yīng)力增量；Δu為加載引起的孔隙壓力增量。

根據(jù)已有的土的固結(jié)理論［9］，分析荷載對(duì)土體作用如下：

（1）土體排水情況。土體受載瞬間，Δσ全部由Δu承擔(dān)，對(duì)于非完全飽和土，土中氣體具有很高的壓縮性，由于孔隙氣體壓力的作用，一部分要從土體中排出，未排出的氣體在壓力作用下體積發(fā)生變化，而且還有一定量的氣體要溶解于水中，Δu逐漸減小，Δσ′逐漸增加；對(duì)于完全飽和土，孔隙水逐漸滲出，Δu逐漸消散為0，Δσ′逐漸增加并最終等于Δσ。2種情況下，有效應(yīng)力均增加，土體固結(jié)。

（2）土體不排水情況。土體受載瞬間，Δσ全部由Δu承擔(dān)，對(duì)于非完全飽和土，土中氣體在孔隙氣體壓力作用下體積發(fā)生變化，并且還有一定量的氣體要溶解于水中，Δu逐漸減小，Δσ′逐漸增大，土體固結(jié)沉降，并且隨著荷載的增大，飽和度Sr越來(lái)越大，Δu的減小量與Δσ′的增加量越來(lái)越小，土體的固結(jié)沉降量也越來(lái)越?。粚?duì)于完全飽和土，孔隙水無(wú)法滲出，Δu無(wú)法降低，Δσ′不會(huì)增加，土體不會(huì)固結(jié)。

由（1）式可知，總應(yīng)力為有效應(yīng)力與孔隙壓力之和，但是涉及不飽和土體的孔隙壓力無(wú)法測(cè)定，所以在側(cè)應(yīng)力系數(shù)的計(jì)算時(shí)無(wú)法采用畢肖普采用的有效應(yīng)力定義求解，須采用太沙基用總應(yīng)力來(lái)計(jì)算，鑒于重塑土體要經(jīng)歷加載過(guò)程，為了克服由于應(yīng)力變化而引起的側(cè)向變化，側(cè)應(yīng)力系數(shù)K可以定義為增量的形式，即

其中，Δσh為土樣側(cè)向應(yīng)力增量；Δσv為土樣豎直應(yīng)力增量，等于荷載增量Δσ。

排水情況下，在各級(jí)豎直荷載作用下，K隨時(shí)間的變化曲線如圖3所示。K在加載后快速增加至峰值然后緩慢降低至穩(wěn)定值，并且K達(dá)到穩(wěn)定值與土體固結(jié)完成是同步完成的。土體在排水條件下，在固結(jié)過(guò)程中無(wú)論飽和土或者非飽和土，空隙壓力增量Δu都會(huì)先增加然后逐漸消散，有效應(yīng)力逐漸增加。所以在排水情況下，K的變化過(guò)程與空隙壓力增量Δu的變化過(guò)程是一致的。

不排水情況下，在各級(jí)豎直荷載作用下，K隨時(shí)間的變化曲線如圖4所示，K在加載后先增加后降低，并且隨著荷載的增加，K變化的峰值與穩(wěn)定值之差越來(lái)越小并最終趨近于0。在不排水的情況下，氣體隨著荷載的增加體積不斷減小，水的體積保持不變，飽和度不斷增加，最終土體達(dá)到完全飽和狀態(tài)，因此，孔隙壓力減小量逐漸減小并最終趨近于0。同樣，在不排水情況下K的變化過(guò)程與空隙壓力增量Δu的變化過(guò)程是一致的。

綜上所述，加載作用下，側(cè)應(yīng)力系數(shù)K的變化過(guò)程是與孔隙壓力增量Δu的變化過(guò)程是一致的。

圖3 排水情況下側(cè)應(yīng)力系數(shù)K在各級(jí)荷載下的變化曲線

圖4 不排水情況下側(cè)應(yīng)力系數(shù)K在各級(jí)荷載下的變化曲線

2.2 土體固結(jié)完成時(shí)的側(cè)應(yīng)力系數(shù)特征

土體在各級(jí)荷載作用下固結(jié)穩(wěn)定后的飽和度Sr計(jì)算公式可變形為：

其中，VW為孔隙水體積；VV為孔隙體積；ds為土顆粒比重；ω為土體含水量；ρ為土體密度；ρw為水密度。

土體密度ρ計(jì)算公式為

其中，m為在該級(jí)荷載下土體的質(zhì)量；V為在該級(jí)荷載下土體的體積。

考慮到儀器由于側(cè)壓作用引起的變形，土體體積相應(yīng)增大，故應(yīng)修正為：

其中，S為土體未加載時(shí)截面面積；h為土體在該級(jí)荷載下穩(wěn)定時(shí)的高度；ΔσH為土體在該級(jí)荷載下穩(wěn)定時(shí)的側(cè)向應(yīng)力與未加載時(shí)的側(cè)向應(yīng)力之差；a為單位側(cè)向應(yīng)力引起的體積變化。

把（5）式、（6）式代入（4）式，可得：

其中，ds＝2.73，ρw＝1.0 g／cm3，a＝4.5× 10－7cm3／k Pa，S＝30 cm2。

在土體不排水情況下，在利用（7）式計(jì)算飽和度Sr時(shí)，土體的含水量ω、質(zhì)量m保持不變，只須將各級(jí)荷載下穩(wěn)定時(shí)的h與ΔσH代入計(jì)算。

在土體排水情況下，可假設(shè)土體在未達(dá)到完全飽和時(shí)，只有氣體排出，土體含水量ω和質(zhì)量m不變，仍可按（7）式計(jì)算Sr，直至計(jì)算的Sr值大于等于100%，即可取Sr＝100%。

排水條件不同、含水量不同情況下，側(cè)應(yīng)力系數(shù)K與飽和度Sr的關(guān)系如圖5所示，在不排水情況下，K與Sr呈正比例線性關(guān)系，并且當(dāng)Sr趨近于100%時(shí)，K趨近于1.0；在排水情況下，K與Sr同樣呈正比例線性關(guān)系，但是當(dāng)Sr趨近于100%時(shí)，K趨近于0.50。

圖5 側(cè)應(yīng)力系數(shù)K與飽和度S r的關(guān)系

在不排水條件下，隨著荷載的增加，土中氣體不斷被壓縮，飽和度不斷增加，直至土體完全飽和，此時(shí)根據(jù)（2）式進(jìn)行分析，土體應(yīng)力滿足Δσ′＝0與Δu＝Δσ，而且此時(shí)孔隙水具有各向同異性即ΔσH＝Δu，則K＝Δσh／Δσv＝Δu／Δσ＝1.00。

在排水情況下，隨著荷載的增加，飽和度不斷增加，直至土樣完全飽和，此時(shí)土體滿足太沙基固結(jié)理論，可利用有效內(nèi)摩擦角φ′計(jì)算：

其中，有效內(nèi)摩擦角根據(jù)試樣直剪試驗(yàn)得出為30°，計(jì)算得K0＝0.50，與試驗(yàn)結(jié)果比較吻合。

綜上所述，土體在完成時(shí)，側(cè)應(yīng)力系數(shù)K與飽和度Sr呈正比例線性關(guān)系；最終當(dāng)土體達(dá)到完全飽和時(shí)，不排水條件下K趨近于1.00，排水條件下K約為0.50。

3 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)重塑黏土在加載過(guò)程中的側(cè)向應(yīng)力狀態(tài)的試驗(yàn)研究，主要得出以下結(jié)論：

（1）加載情況下，側(cè)應(yīng)力系數(shù)的變化過(guò)程與空隙壓力增量的變化過(guò)程一致。

（2）土體在固結(jié)穩(wěn)定時(shí)，側(cè)應(yīng)力系數(shù)與飽和度呈正比例線性關(guān)系。

（3）加載過(guò)程中，側(cè)應(yīng)力系數(shù)隨荷載增大而增大，直至土體完全飽和為定值。

（4）本試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)有的理論和研究成果吻合。因試驗(yàn)周期較短，只能作出定性分析，未能作出定量分析，而且未進(jìn)行卸載試驗(yàn)，這將是下一步研究的方向。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)源于國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新試驗(yàn)項(xiàng)目（101035929），感謝參加本次試驗(yàn)人員：姚勝杰、江楹、何杰。

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