晉南黃土結(jié)構(gòu)性與濕陷性的相關(guān)性研究

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(1.山西省交通科學(xué)研究院 黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030006;2.西安理工大學(xué) 土木建筑工程學(xué)，陜西 西安 710048)

0 引言

黃土是一種典型的結(jié)構(gòu)性土，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)性是其發(fā)生脆性破壞、濕陷的重要原因。研究表明：各地土的結(jié)構(gòu)性存在較大差異，對其力學(xué)性質(zhì)的影響不同[1]。秦立科 等[2]通過原狀非飽和黃土和重塑非飽和黃土應(yīng)力-應(yīng)變曲線對比，定義了結(jié)構(gòu)性參數(shù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分擔(dān)比，并根據(jù)試驗(yàn)給出了定量化的公式，為研究非飽和黃土結(jié)構(gòu)性提供了新的路徑。陳茜 等[3]認(rèn)為結(jié)構(gòu)性增濕系數(shù)在受水和荷載作用過程中變化規(guī)律明顯，能夠較好地反映黃土的結(jié)構(gòu)特性與增濕變形特性。田堪良 等[4]認(rèn)為相同的受力條件下，飽和重塑黃土的變形最大、強(qiáng)度最小，基于變形條件和強(qiáng)度條件黃土結(jié)構(gòu)性參數(shù)分別以飽和重塑黃土的變形和強(qiáng)度作為標(biāo)尺，使結(jié)構(gòu)性參數(shù)具有較高的精度和穩(wěn)定性。結(jié)構(gòu)性對土性質(zhì)變化研究是土力學(xué)理論和實(shí)踐中的一個重要研究領(lǐng)域, 然而，針對黃土的濕陷性與黃土結(jié)構(gòu)性關(guān)系的研究，定性的多而定量的成果還不多[5-10]，展開結(jié)構(gòu)性與黃土濕陷性之間的內(nèi)在機(jī)理研究，具有一定的理論意義。

選取晉南地區(qū)濕陷性黃土進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)，定量地探討了黃土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與濕陷性的關(guān)系，并得到一定的結(jié)論，這是黃土浸水濕陷變形機(jī)理研究的一種新嘗試。

1 試驗(yàn)土樣

試驗(yàn)用土取自晉南地區(qū)某輸水管道基坑，土呈褐黃色，粉質(zhì)黏土，土質(zhì)均勻。土樣在現(xiàn)場削成邊長25～35 cm的立方體，標(biāo)明上下方向，并用塑料紙和膠帶包好，運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，干密度ρd=1.39 g/cm3，土樣的基本物理性質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 晉南黃土物理性質(zhì)指標(biāo)土體液限/%塑限/%塑性指數(shù)Ip比重Gs初始含水率/%粉黏27.7117.2210.492.709.62

2 試驗(yàn)儀器與試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)儀器

側(cè)限壓縮試驗(yàn)和濕陷試驗(yàn)所用儀器均為杠桿式壓縮儀。根據(jù)試驗(yàn)具體要求，對包含透水石在內(nèi)的整個杠桿加壓系統(tǒng)進(jìn)行校正。

2.2 試驗(yàn)方法

(1)側(cè)限壓縮試驗(yàn)時，配制含水量分別為14%、18%、22%、26%、30%的原狀壓縮試樣和重塑壓縮試樣，含水量為39.4%(飽和)的壓縮試樣在壓縮儀上進(jìn)行浸水飽和，然后分別施加豎向壓力進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，直至較大的豎向壓力為止。壓力等級均為25 kPa,50 kPa,100 kPa, 200 kPa, 400 kPa，在每一級壓力作用下，測定土樣變形與壓力的關(guān)系，直至試樣穩(wěn)定為止，穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為每小時試樣總變形量小于0.01 mm。

(2)針對原狀土樣(同側(cè)限壓縮試驗(yàn))，進(jìn)行濕陷試驗(yàn)，采用單線法進(jìn)行試驗(yàn)，將壓縮試樣分別安裝在壓縮儀上，然后施加豎向壓力進(jìn)行壓縮，豎向壓力均為50 kPa,100 kPa, 200 kPa, 400 kPa，壓縮穩(wěn)定之后，浸水飽和，直至變形穩(wěn)定為止，穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)同側(cè)限壓縮試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

壓縮試驗(yàn)結(jié)果如圖1和圖2所示。

圖1 原狀黃土的壓縮曲線 圖2 重塑黃土的壓縮曲線

3.1 結(jié)構(gòu)性

謝定義[11]認(rèn)為土體結(jié)構(gòu)性的強(qiáng)弱可以通過土體顆粒之間聯(lián)結(jié)的穩(wěn)定性以及土體顆粒之間排列的可變性來進(jìn)行衡量，在此基礎(chǔ)上提出了結(jié)構(gòu)性參數(shù)mp，其表達(dá)式為

(1)

式中,S原為原狀試樣在選定壓力P下的變形量；S飽為原狀飽和試樣在選定壓力P下的變形量；S塑為重塑試樣在選定壓力P下的變形量。

根據(jù)壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)及式(1)，結(jié)構(gòu)性參數(shù)mp與豎向壓力p、含水量w的關(guān)系曲線如圖3、圖4所示。

圖3 結(jié)構(gòu)性參數(shù)與豎向壓力的關(guān)系曲線 圖4 結(jié)構(gòu)性參數(shù)與含水量的關(guān)系曲線

由圖3和圖4看出，對于結(jié)構(gòu)性參數(shù)，當(dāng)含水量相同時，隨壓力的增大而減??；當(dāng)壓力相同時，隨含水量的增大而減小。且在較低含水量時，隨壓力的增大迅速減??；而在較高含水量時，減小趨勢變緩。說明黃土結(jié)構(gòu)性在力與水的共同作用下，當(dāng)壓力較小含水量較低時，結(jié)構(gòu)性較強(qiáng)；而隨壓力增大以及含水量的提高，結(jié)構(gòu)性變?nèi)酢?/p>

3.2 濕陷系數(shù)隨結(jié)構(gòu)性參數(shù)的變化規(guī)律

圖5 原狀黃土濕陷系數(shù)與豎向壓力關(guān)系曲線

對于原狀黃土，不同含水量下的豎向壓力與濕陷系數(shù)的關(guān)系曲線見圖5。

由圖5可以看出，隨含水量的增加原狀黃土濕陷系數(shù)減小，當(dāng)含水量較低時，濕陷系數(shù)隨含水量的增大降低很明顯，當(dāng)含水量較高時，變化不大，接近飽和含水量時，濕陷性基本消失；當(dāng)豎向壓力為200 kPa時，濕陷系數(shù)最大，是由于當(dāng)豎向壓力較小時，不足以破壞土體的原生結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)性較強(qiáng)，濕陷變形量較??；當(dāng)豎向壓力較大時，在壓力作用下土體已經(jīng)被壓密，土體強(qiáng)度較大，濕陷變形量反而又變小。

由圖3,圖4和圖5可知,不同壓力下原狀黃土濕陷系數(shù)隨結(jié)構(gòu)性參數(shù)mp變化的曲線如圖6所示，擬合情況較好，且各條曲線規(guī)律基本一致，均單調(diào)遞增。

圖6 結(jié)構(gòu)性參數(shù)與濕陷系數(shù)的關(guān)系曲線

由圖6可知，黃土的結(jié)構(gòu)性參數(shù)mp與濕陷系數(shù)δs之間的關(guān)系可以轉(zhuǎn)換為如下的形式

p=50 kPa,δs=0.004 1mp+0.000 4

(2)

p=100 kPa,δs=0.011 2mp+0.000 4

(3)

p=200 kPa,δs=0.043 8mp-0.034 6

(4)

p=400 kPa,δs=0.000 2e3.099 4x

(5)

由以上結(jié)構(gòu)性定量化分析可知，黃土的結(jié)構(gòu)性是造成其濕陷性的重要原因，土體大孔隙結(jié)構(gòu)及膠結(jié)強(qiáng)度越強(qiáng)，結(jié)構(gòu)性越大，浸水后強(qiáng)度損失較大，在水的作用下變形量較大，濕陷系數(shù)相應(yīng)也越大。

4 結(jié)論

采用常規(guī)壓縮儀，研究了晉南黃土濕陷性與結(jié)構(gòu)性之間的規(guī)律，主要結(jié)論如下：

(1)含水量較低時，原狀黃土的濕陷系數(shù)均隨含水量的增大變化降低很明顯；當(dāng)含水量較高時，變化不大；豎向壓力為200 kPa時，濕陷系數(shù)最大。

(2)黃土結(jié)構(gòu)性在力與水的共同作用下，當(dāng)壓力較小含水量較低時，結(jié)構(gòu)性較強(qiáng)；而隨壓力增大以及含水量的提高，結(jié)構(gòu)性變?nèi)酢?/p>

(3)黃土的結(jié)構(gòu)性是造成其濕陷性的重要原因，結(jié)構(gòu)性越大，浸水破壞變形量越大，濕陷系數(shù)相應(yīng)也越大。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]黨進(jìn)謙, 郝月清. 含水率對黃土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響[J]. 西北水資源與水工程,1998,9(2):15-19.

[2]秦立科，李云璋，胡偉.非飽和黃土結(jié)構(gòu)性定量試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué),2011,32(S1):265-269.

[3]陳茜，駱亞生，程大偉.黃土增濕特性的結(jié)構(gòu)性定量化參數(shù)[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報,2011,33(8):104-107.

[4]田堪良，馬俊，李永紅.黃土結(jié)構(gòu)性定量化參數(shù)的探[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2011,30(S1):3179-3184.

[5]孫志杰，董立山. 車行橫洞施工對隧道主洞變形的影響[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2012,25(2):32-36.

[6]高新文.濕陷性黃土地基處置技術(shù)研究[J].山西交通科技，2008,190(1)：7-9.

[7]余先江.低液限粉土及其改良土干濕循環(huán)特性試驗(yàn)研究[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2012,25(1):86-88.

[8]范喜安.地震荷載作用下高速公路挖方高邊坡穩(wěn)定性研究[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2012, 25(3):73-77.

[9]潘欽鋒.強(qiáng)震作用下某高邊坡的穩(wěn)定加固分析[J]. 石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2012, 25(3):78-82.

[10]吳喜榮，申俊敏. 山西黃土CBR 的影響分析[J]. 石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2013, 26(1):71-75.

[11]謝定義，姚仰平，黨發(fā)寧.高等土力學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2008.