重塑飽和杭州黏土壓縮特性試驗(yàn)研究

， ，，

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310014；2.浙江大學(xué) 軟弱土與環(huán)境土工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州310058)

壓縮特性是黏性土最主要的工程特性，天然沉積黏土的壓縮特性非常復(fù)雜，受土顆粒性質(zhì)、孔隙比、結(jié)構(gòu)性以及先期固結(jié)壓力等眾多因素的影響.土顆粒性質(zhì)和孔隙比是軟黏土最基本的物理性質(zhì)，也是制約軟黏土壓縮特性最基礎(chǔ)的因素.要研究結(jié)構(gòu)性和先期固結(jié)壓力等因素對(duì)軟黏土壓縮特性的影響，必須先理清土顆粒性質(zhì)和孔隙比對(duì)軟黏土壓縮特性的影響.天然沉積軟黏土往往具有結(jié)構(gòu)性或超固結(jié)特性，需要通過(guò)重塑土試驗(yàn)來(lái)研究土顆粒性質(zhì)和孔隙比對(duì)軟黏土壓縮特性的影響.秦明和洪振舜[1]對(duì)飽和重塑軟黏土的歸一化壓縮性狀進(jìn)行了研究.高玉峰等[2]研究了初始含水率對(duì)重塑黏性土壓縮特性的影響.孫德安等[3]對(duì)重塑上海軟土的強(qiáng)度與變形特性做了研究，為上海地區(qū)軟土建立本構(gòu)模型提供了試驗(yàn)基礎(chǔ).卞夏[4]研究了初始含水率對(duì)重塑黏土孔壓特性的影響.

對(duì)于同一性質(zhì)、同一級(jí)配的土顆粒，需要采用不同的重塑土樣制作方法，以獲得試驗(yàn)所需的不同初始孔隙比重塑土樣.筆者在借鑒前人經(jīng)驗(yàn)[5-10]的基礎(chǔ)上，通過(guò)大量的試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)初始孔隙比具有一定跨度的飽和黏土重塑樣制作.通過(guò)飽和黏土重塑樣的固結(jié)壓縮試驗(yàn)，揭示飽和重塑黏土的壓縮特性，研究初始孔隙比對(duì)重塑飽和黏土壓縮特性的影響.

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)用土

試驗(yàn)所用土樣為典型杭州城西淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，屬濱海湖沼相沉積土，土樣的基本物理性質(zhì)如表1所示.依照GB/T 50123—1999《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[11]，土的液限和塑限采用液塑限聯(lián)合測(cè)定儀測(cè)定，比重用比重瓶測(cè)定，顆粒級(jí)配用比重計(jì)法測(cè)定.

表1 試驗(yàn)用土的基本物理指標(biāo)

1.2 重塑土樣制備

重塑土樣的制備應(yīng)盡量使土樣的初始孔隙比存在差異，對(duì)于顆粒特性相同的情況，在不使用機(jī)械力壓制土樣的情況下，需要采用不同含水量的制樣方法.土樣的重量計(jì)算式為

(1)

式中：m為濕土重量，kg；Gs為顆粒比重；ρw為水的密度，kg/m3；V為所用環(huán)刀體積，m3；w為含水量，%；e為重塑土樣孔隙比.

方法一(干粉制樣法)：將原狀土樣烘干碾磨，過(guò)0.5 mm篩得到重塑干粉狀土.根據(jù)式(1)計(jì)算出不同孔隙比所對(duì)應(yīng)的干粉狀土重，然后秤取相應(yīng)的土樣并壓入環(huán)刀，抽氣飽和.對(duì)本次試驗(yàn)的粉質(zhì)粘土，此方法可以制作出含水量小于塑限、初始孔隙比在0.9～1.1的重塑土樣.用干粉制樣時(shí)，為獲得初始孔隙比較小的土樣，需采用一定的機(jī)械力將干粉壓入環(huán)刀.干粉制樣完畢后，通過(guò)浸水飽和，制樣所施加機(jī)械力的影響會(huì)部分消除，但也還是存在一定的影響.這種影響詳見(jiàn)后續(xù)分析.

方法二(濕土制樣法)：將原狀土樣烘干碾磨，過(guò)0.5 mm篩得到重塑干粉狀土，在最佳含水量25%附近加入一定量的水，配制出有一定含水量的土樣.按照式(1)計(jì)算出不同孔隙比所對(duì)應(yīng)的濕土重，然后秤取相應(yīng)的土樣并用壓土器壓入環(huán)刀內(nèi)，抽氣飽和即可得到不同孔隙比的重塑飽和黏土.對(duì)本次試驗(yàn)的粉質(zhì)粘土，此方法制作的土樣初始孔隙比為1.1～1.7.

方法三(泥漿制樣法)：將原狀土樣烘干碾磨，過(guò)0.5 mm篩得到重塑干粉狀土.在土樣中直接加入大于液限含水量的水，充分?jǐn)嚢?，浸泡飽和，測(cè)試含水量.對(duì)本次試驗(yàn)的粉質(zhì)粘土，此方法可以制作出含水量大于液限、初始孔隙比在1.7～2.0的重塑土樣.

三種制樣方法對(duì)應(yīng)的土樣在制樣完成時(shí)、飽和以后和固結(jié)壓縮完成以后實(shí)際情況如圖1所示.

圖1 同制樣方法制得的土樣

1.3 固結(jié)壓縮試驗(yàn)

固結(jié)壓縮試驗(yàn)為K0壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)儀器為三聯(lián)中壓固結(jié)儀，加壓裝置為杠桿式，數(shù)據(jù)讀取采用百分表，加載速率采用1∶1.加壓等級(jí)：12.5，25，50，100，200，300，400，800，1 200，1 600 kPa.加載過(guò)程中保持清水浸沒(méi)試樣、室內(nèi)溫度保持恒定.

為確保試驗(yàn)儀器自身的誤差和制樣差異不會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，對(duì)固結(jié)儀及土樣制作進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)，結(jié)果如圖2所示.從試驗(yàn)結(jié)果可看出：在不同固結(jié)儀上進(jìn)行試驗(yàn)獲得的結(jié)果基本一致，說(shuō)明儀器誤差和制樣差異對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響很小.

圖2 不同固結(jié)儀試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

對(duì)于粘性土，通常固結(jié)試驗(yàn)每級(jí)荷載固結(jié)穩(wěn)定時(shí)間取24 h或2 d.固結(jié)試驗(yàn)的穩(wěn)定時(shí)間與土的滲透性有關(guān)，粘性土滲透系數(shù)變化范圍很大(10-6～10-8cm/s)，因此固結(jié)穩(wěn)定時(shí)間也會(huì)有非常大的差異.本次試驗(yàn)用土為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，原狀土的滲透系數(shù)約10-6cm/s.當(dāng)原狀土的結(jié)構(gòu)性受到擾動(dòng)，土的固結(jié)系數(shù)會(huì)下降至原狀土的1/3～1/15[12].因此重塑土的固結(jié)穩(wěn)定時(shí)間需要通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定.不同固結(jié)壓力p重塑土的e—logt曲線如圖3所示，不同固結(jié)穩(wěn)定時(shí)間t重塑土的e—logp曲線如圖4所示.從試驗(yàn)結(jié)果可以看出：固結(jié)時(shí)間1 h，土樣的固結(jié)度92.1%；固結(jié)時(shí)間2 h，土樣的固結(jié)度96.5%；固結(jié)時(shí)間3 h，土樣的固結(jié)度98.0%；固結(jié)時(shí)間6 h，土樣的固結(jié)度99.8%.因此對(duì)于本次試驗(yàn)用的粉質(zhì)粘土，重塑土的穩(wěn)定時(shí)間不小于3 h能夠滿足試驗(yàn)精度要求.實(shí)際每級(jí)荷載加載時(shí)間統(tǒng)一取為4 h.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 重塑土壓縮試驗(yàn)結(jié)果

不同初始孔隙比重塑土壓縮曲線結(jié)果如圖5所示，共7種土樣，其中土樣1、土樣2采用方法一干粉制樣法制得；土樣3、土樣4和土樣5用方法二濕土制樣法制得；土樣6、土樣7用方法三泥漿制樣法制得.7種土樣的初始孔隙比和飽和度測(cè)試結(jié)果如表2所示，三種制樣方法制得的土樣飽和度均大于《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中要求的95%.

圖3 重塑土e—logt曲線

圖4 不同固結(jié)時(shí)間的重塑土壓縮曲線

圖5 重塑土實(shí)測(cè)壓縮曲線

表2 重塑土樣基本參數(shù)

從重塑土壓縮曲線實(shí)測(cè)結(jié)果中可以看出：重塑土的e—logp曲線基本呈直線，符合理想重塑土的壓縮規(guī)律；土樣1和土樣2在25 kPa固結(jié)壓力前有一段折線段，其原因是初始孔隙比為0.9和1.0的重塑土樣干密度較大，制作過(guò)程中需要施加較大的機(jī)械力才能使土樣壓入環(huán)刀中，因此相當(dāng)于施加了一定的先期固結(jié)壓力.雖然采用干粉制樣，并在制樣后浸泡、抽氣飽和，但是制樣所施加壓力的影響并未完全消失，因此土樣1、土樣2的壓縮曲線與理想重塑土有一定差異，表現(xiàn)出具有一定先期固結(jié)壓力樣的壓縮特性.

2.2 重塑土壓縮特性分析

受最大加載量的限制，固結(jié)試驗(yàn)不能完全反映土樣壓縮的全過(guò)程，為了更加完整地描述重塑飽和黏土的壓縮特性，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果獲得的壓縮規(guī)律來(lái)推測(cè)高應(yīng)力條件下的壓縮特性.受制樣的影響，小孔隙比土樣在固結(jié)壓力12.5 kPa之前會(huì)受到制樣壓力的影響，對(duì)加載25～1 600 kPa試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合.擬合得到的e—logp曲線如圖6所示.擬合曲線方程、壓縮指數(shù)和推算的理想重塑土樣初始孔隙比如表3所示，其中y=e，x=logp.

圖6 重塑土擬合壓縮曲線

表3 重塑土壓縮曲線擬合分析結(jié)果

3 結(jié) 論

通過(guò)杭州典型淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土的重塑土壓縮試驗(yàn)，探索了不同初始孔隙比重塑土樣的制作方法，揭示了同一顆粒性質(zhì)的重塑飽和黏土壓縮規(guī)律：對(duì)于本次試驗(yàn)用的粉質(zhì)粘土土樣，要制作含水量小于塑限、孔隙比較小的重塑土，需要采用干粉制樣法，同時(shí)要施加一定的機(jī)械力；要制作含水量大于液限、孔隙比較大的重塑土，需要采用泥漿制樣法；要制作含水量介于塑限與液限之間的重塑土，可采用一定含水量的濕土制樣，含水量取最優(yōu)含水量附近.重塑土的壓縮曲線基本呈直線，符合理想重塑土的壓縮規(guī)律，對(duì)于初始孔隙比較小的重塑樣，受制樣所施加機(jī)械壓力的影響，壓縮曲線初始段有一段折線.對(duì)于不同初始孔隙比的重塑土壓縮曲線，隨著初始孔隙比減小，壓縮指數(shù)(即壓縮曲線的斜率)也相應(yīng)減小，當(dāng)固結(jié)壓力足夠大，重塑土的壓縮曲線最終將壓縮至同一孔隙比.

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