非飽和重塑黃土固結(jié)特性試驗(yàn)研究

扈勝霞，張　棟，楊　瑞，姚志華

(1.北京航空航天大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院， 北京 100191； 2.延安大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 陜西 延安 716000；3.延安大學(xué) 物電學(xué)院， 陜西 延安 716000； 4.空軍工程大學(xué) 機(jī)場(chǎng)建筑工程系， 陜西 西安 710038)

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非飽和重塑黃土固結(jié)特性試驗(yàn)研究

扈勝霞1，2，張棟3，楊瑞2，姚志華4

(1.北京航空航天大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院， 北京 100191； 2.延安大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 陜西 延安 716000；3.延安大學(xué) 物電學(xué)院， 陜西 延安 716000； 4.空軍工程大學(xué) 機(jī)場(chǎng)建筑工程系， 陜西 西安 710038)

以延安新區(qū)工程建設(shè)中填方區(qū)的重塑黃土為研究對(duì)象，以準(zhǔn)確計(jì)算填方區(qū)黃土地基的沉降為主要目標(biāo)，以工程實(shí)際中填方區(qū)黃土的巖土工程設(shè)計(jì)參數(shù)為參照，室內(nèi)制取了Q3重塑黃土固結(jié)樣。開(kāi)展了4組控制吸力的非飽和土固結(jié)試驗(yàn)，得到了非飽和重塑黃土的壓縮曲線，分析了吸力對(duì)重塑黃土固結(jié)特性的影響。研究表明：初始狀態(tài)相同的重塑黃土土樣，壓縮系數(shù)隨吸力的增大而減小；非飽和重塑黃土試樣的壓縮指數(shù)除了受豎向壓力影響外，也受吸力作用的影響,壓縮指數(shù)隨著吸力的增大而減小；在2 MPa的豎向應(yīng)力下，重塑黃土土樣總的豎向應(yīng)變較小，最大的豎向應(yīng)變?yōu)?.7%。

重塑黃土；基質(zhì)吸力；壓縮系數(shù)；壓縮指數(shù)；豎向應(yīng)變

隨著我國(guó)十二五規(guī)劃綱要中 “在中西部有條件的地區(qū)培育壯大若干城市群”的提出，新城市建設(shè)在西部地區(qū)迅速發(fā)展。延安新區(qū)建設(shè)是延安市平山造地、上山建城，拓展城市發(fā)展空間，實(shí)施“中疏外擴(kuò)”城市發(fā)展戰(zhàn)略的重大舉措[1]。對(duì)于延安新區(qū)建設(shè)工程來(lái)說(shuō)，填筑體基本都是重塑非飽和的黃土。為了準(zhǔn)確計(jì)算填方區(qū)黃土地基的沉降，有必要用現(xiàn)代非飽和土力學(xué)的理論和試驗(yàn)方法對(duì)重塑黃土的壓縮固結(jié)特性進(jìn)行研究。

非飽和土和飽和土的本質(zhì)區(qū)別在于吸力，非飽和土力學(xué)的發(fā)展是圍繞吸力這一基本概念而開(kāi)展的。隨著Fredlund《非飽和土力學(xué)》[2]專著的出版及大量的研究工作，確立了吸力是控制非飽和土的強(qiáng)度、變形和滲流過(guò)程的一個(gè)關(guān)鍵因素的概念[3]。許多專家學(xué)者基于吸力的概念，研究了非飽和土的特性，取得了大量成果[4-10]。對(duì)延安新區(qū)工程建設(shè)中填方區(qū)重塑黃土來(lái)說(shuō)，基于非飽和土理論開(kāi)展的試驗(yàn)研究在文獻(xiàn)中還不多見(jiàn)。

本文采用非飽和固結(jié)試驗(yàn)儀對(duì)延安新區(qū)Q3黃土參照延安新區(qū)實(shí)際工程建設(shè)中非飽和黃土填土的壓實(shí)控制參數(shù)，制得了重塑非飽和黃土樣。開(kāi)展了控制吸力分別為100 kPa、200 kPa、300 kPa和500 kPa的重塑非飽和土固結(jié)試驗(yàn)，分析了吸力對(duì)重塑黃土固結(jié)特性的影響。

1　試驗(yàn)土樣與試驗(yàn)方法

1.1試驗(yàn)土樣

1.2試驗(yàn)儀器

本文所用試驗(yàn)儀器為FGJ—ZO型非飽和土固結(jié)儀。該儀器由壓縮部件、容器和容器罩子部件、加荷部件、臺(tái)架部件和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)五部分部件所組成。該非飽和土儀器具有如下特點(diǎn)：(1) 高進(jìn)氣值陶土板：非飽和土固結(jié)儀壓力室座底部裝有高進(jìn)氣值陶土板[11]，進(jìn)氣值為500kPa，以量測(cè)和控制吸力；(2) 容器和容器罩部件：起密封作用及用來(lái)傳遞荷重力；(3) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：該儀器設(shè)有三個(gè)數(shù)據(jù)采集通道，由土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)微機(jī)采集系統(tǒng)統(tǒng)一進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集；(4) 高精度氣壓調(diào)壓閥和閥門(mén)：可根據(jù)試驗(yàn)的需要而對(duì)試樣施加氣壓和對(duì)陶土板進(jìn)行沖水排氣；(5) 排水量測(cè)裝置：采用內(nèi)徑4mm的尼龍管量測(cè)排水體積。

1.3試驗(yàn)方法

本文做了分別控制吸力為100kPa、200kPa、300kPa和500kPa豎向應(yīng)力逐級(jí)增大的重塑黃土的非飽和土固結(jié)試驗(yàn)。具體試驗(yàn)方法是：將用重塑土制樣器制的黃土固結(jié)樣裝入非飽和土固結(jié)儀，對(duì)吸力控制為100kPa的第一組非飽和土固結(jié)樣，先加100kPa的吸力和相應(yīng)的用于平衡氣壓力的砝碼，確保數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集軟件的各窗口數(shù)據(jù)顯示正常后，再加12.5kPa的豎向壓力直至穩(wěn)定。一般非飽和土的試驗(yàn)歷時(shí)比較長(zhǎng)，在一級(jí)豎向壓力下需時(shí)2d以上。以此類推，逐級(jí)加豎向壓力25kPa、50kPa、100kPa、200kPa、400kPa、800kPa、1.6MPa直至2.0MPa。在試驗(yàn)過(guò)程中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)記錄試樣高度變化等。吸力控制為200kPa、300kPa和500kPa的重塑黃土的非飽和土固結(jié)試驗(yàn)的方法與上述類似。

2　試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1e-p曲線

非飽和重塑黃土的固結(jié)壓縮特性研究并在其基礎(chǔ)上的沉降量計(jì)算是填方區(qū)工程建設(shè)中十分關(guān)注的問(wèn)題。土體的壓縮特性可從孔隙比、豎向應(yīng)變與豎向壓力的變化關(guān)系來(lái)研究。文獻(xiàn)[12]開(kāi)展了在最優(yōu)含水率情況下控制壓實(shí)度分別為70%、80%、85%和90%的一維高壓固結(jié)試驗(yàn)，通過(guò)繪制e-p和e-lgp曲線分析了延安新區(qū)壓實(shí)黃土的壓縮變形特性，得出了壓實(shí)黃土在側(cè)限條件下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系可以用Gunary模型擬合，壓實(shí)黃土壓實(shí)度越高，總變形量越小等結(jié)論。本文開(kāi)展了控制吸力的非飽和土固結(jié)試驗(yàn)，得到了不同吸力作用下重塑黃土的e-p曲線，結(jié)果如圖1所示。從圖1可見(jiàn)，e-p曲線總的趨勢(shì)是隨著豎向壓力p的增大，孔隙比e越來(lái)越小。但對(duì)于初始干密度、壓實(shí)度和孔隙比都相同的重塑黃土試樣來(lái)說(shuō)，控制吸力越大，在2MPa的豎向壓力下，孔隙比的變化量Δe就越小。目前，基于土體壓縮變形特性和e-p曲線而建立的分層總和法仍是各種地基規(guī)范推薦的沉降量計(jì)算的基本方法[13-15]。由本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得：吸力100kPa時(shí)壓縮系數(shù)a1-2為0.151MPa-1；吸力300kPa時(shí)壓縮系數(shù)a1-2為0.135MPa-1；吸力500kPa時(shí)，壓縮系數(shù)a1-2為0.095MPa-1。說(shuō)明初始狀態(tài)相同的重塑黃土土樣，吸力越大，壓縮系數(shù)越小。填方區(qū)壓實(shí)黃土是一種典型的非飽和土，隨季節(jié)變換，土體的含水率和吸力都在變化。用目前各種地基規(guī)范推薦的基于土體壓縮變形特性和e-p曲線計(jì)算壓縮系數(shù)基礎(chǔ)上的沉降量計(jì)算方法不能反映填方區(qū)重塑非飽和黃土真實(shí)的沉降變形影響因素，需考慮吸力的影響。

圖1e-p曲線

2.2e-lgp曲線

不同吸力作用下非飽和重塑黃土的e-lgp曲線如圖2所示。從圖2可見(jiàn)，重塑壓實(shí)黃土的e-lgp曲線沒(méi)有明顯的拐點(diǎn)，但也不是一條直線，說(shuō)明壓縮指數(shù)Cc=Δe/Δlgp不是一個(gè)常數(shù)，而是隨著豎向壓力的增加而減小。在圖2中，吸力為500 kPa的土樣e-lgp曲線在最上面，吸力為300 kPa、200 kPa和100 kPa土樣e-lgp曲線依次在下。其中吸力100 kPa和200 kPa的e-lgp曲線有交叉現(xiàn)象。說(shuō)明非飽和重塑黃土的壓縮指數(shù)除了受豎向壓力影響外，也隨著吸力的增大而減小。

圖2e-lgp曲線

2.3應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖3　豎向應(yīng)力-豎向應(yīng)變曲線

圖4吸力-豎向應(yīng)變曲線

3　結(jié)　語(yǔ)

延安新區(qū)工程建設(shè)中的填方區(qū)多為非飽和的重塑Q3黃土，填方區(qū)的沉降和固結(jié)變形特性是實(shí)際工程和理論上都關(guān)注的問(wèn)題。本文基于非飽和土試驗(yàn)和理論，參照工程實(shí)際的巖土工程設(shè)計(jì)參數(shù)，開(kāi)展了重塑Q3黃土控制吸力和豎向應(yīng)力的非飽和土固結(jié)試驗(yàn)，分析了吸力對(duì)重塑黃土固結(jié)特性的影響，得到如下結(jié)論：

(1) 初始狀態(tài)相同的重塑黃土土樣，吸力越大，壓縮系數(shù)越小?；趀-p曲線計(jì)算壓縮系數(shù)基礎(chǔ)上的沉降量計(jì)算方法不能反映填方區(qū)重塑非飽和黃土真實(shí)的沉降變形影響因素，需考慮吸力的影響。

(2) 重塑非飽和黃土的壓縮指數(shù)Cc=Δe/Δlgp不是一個(gè)常數(shù)，而是隨著豎向壓力的增加而減小。重塑非飽和黃土的壓縮指數(shù)除了受豎向壓力影響外，也隨著吸力的增大而減小。

(3) 參照了實(shí)際巖土工程設(shè)計(jì)參數(shù)的重塑黃土土樣在2 MPa的豎向應(yīng)力下，總的豎向應(yīng)變比較小，不到1%。豎向應(yīng)力和吸力都能夠引起重塑非飽和黃土的豎向應(yīng)變，但二者的作用機(jī)理不同，作用效果具有非線性。

[1]王衍匯，倪萬(wàn)魁，石博溢，等.延安新區(qū)黃土高填方邊坡穩(wěn)定性分析[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2014，12(5)：52-56.

[2]Fredlund D G, Rahardjo H. 非飽和土土力學(xué)[M].陳仲頤譯.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版,1997．

[3]沈珠江.非飽和土力學(xué)實(shí)用化之路探索[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2006，28(2)：256-259.

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Experimental Study on Consolidation Characters of Unsaturated and Disturbed Loess

HU Shengxia1,2, ZHANG Dong3, YANG Rui2, YAO Zhihua4

(1.SchoolofTransportationScienceandEngineering,BeihangUniversity,Beijing100191,China; 2.ArchitecturalandCivilEngineeringInstitute,Yan'anUniversity,Yan'an,Shaanxi716000,China；3.CollegeofPhysicsandElectronicInformation,YananUniversity,Yan'an,Shaanxi716000,China；4.DepartmentofAirdromeConstructionEngineering,AirForceEngineeringUniversity,Xi’an,Shaanxi710038,China)

Taking disturbed loess of filled project in Yan’an new district engineering construction as the research object, this research calculated the accurate settlement of loess foundation in filled area, based on the geotechnical engineering design parameters of filled project loess, indoor Q3 disturbed loess samples were made for consolidation test. Four groups of unsaturated consolidation tests with different controlling matric suction were carried out． Compressive curve of the unsaturated and undisturbed loess sample were obtained. The influence of matric suction to consolidation characteristics of disturbed loess was analyzed. The results show that: For same initial state disturbed loess soil samples, compressibility coefficient reduces when the matric suction increases; Compression index of unsaturated and disturbed loess sample was influenced not only by vertical pressure but also by matric suction. Compressibility index reduces when the matric suction increases; The total vertical strain of disturbed loess sample which control parameters referred to the actual geotechnical engineering design plan was small under the 2 MPa vertical stress. The biggest vertical strain was 0.7%.

disturbed loess; matric suction; compressibility coefficient; compressibility index； vertical strain

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.04.011

2016-03-12

2016-04-07

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51309199,51509257)；國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2013BAJ06B00)；陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計(jì)劃項(xiàng)目(2014KTDZ03-01)

扈勝霞(1974—)，女，甘肅臨夏人，講師，主要從事軟弱土地基處理方面的教學(xué)及科研工作。 E-mail:sxhu06@163.com。

TU447

A

1672—1144(2016)04—0055—04