高液限土固結(jié)特性分析

(福建省交通建設(shè)工程試驗(yàn)檢測有限公司，福州 350001)

高液限土固結(jié)特性分析

■馬菊英

(福建省交通建設(shè)工程試驗(yàn)檢測有限公司，福州 350001)

本文對不同壓實(shí)的飽和土樣及不同含水率的非飽和土樣進(jìn)行固結(jié)試驗(yàn)，分析得出高液限土的固結(jié)特性：壓實(shí)度越大，壓縮系數(shù)越小，壓縮模量越大。壓縮指數(shù)都隨壓實(shí)度的增大而減小，但回彈指數(shù)隨壓實(shí)度的增大變化很小，總體趨勢為略微增大。含水率越大，壓縮系數(shù)增大。壓縮指數(shù)和回彈指數(shù)都隨含水率的增大而增大，但回彈指數(shù)增大的幅度小于壓縮指數(shù)。

高液限土 壓縮系數(shù) 壓縮模量 壓縮指數(shù) 回彈指數(shù)

1 引言

高液限土天然含水率大，液限高，塑性指數(shù)大，水穩(wěn)定性差，土顆粒微觀勢能嚴(yán)重不平衡，極易受自然降水、地下水或地表水影響，甚至強(qiáng)烈從大氣中吸收水分，吸水后的路基發(fā)生膨脹，密度減小，強(qiáng)度急劇下降，在行車荷載和土自重作用下，發(fā)生不均勻沉降、開裂、橫向位移等病害。正是這種極差的水穩(wěn)定性，《公路路基設(shè)計規(guī)范》(JTG D30-2004)規(guī)定高液限土屬特殊土質(zhì)，不得直接用于路基填筑為此，這些土能否降低標(biāo)準(zhǔn)利用呢？它有什么樣的固結(jié)特性？

本文采用WG-2A型側(cè)限壓縮儀(見圖1)對不同壓實(shí)的飽和土樣及不同含水率的非飽和土樣進(jìn)行固結(jié)試驗(yàn)，試圖分析高液限土的固結(jié)特性。土樣來自寧德京臺高速公路 K78+700、K79+550，均為高液限土。試樣面積30cm2，高度2.0cm。豎向壓縮歷時大于24h，豎向壓力分別為50、100、200、400、800kPa，加載到400kPa時分級卸載至100kPa，然后再加荷至400kPa，之后施加最后一級800kPa荷載。采用飽和試樣研究壓實(shí)度對固結(jié)特性的影響，試樣的控制干密度對應(yīng)85%、90%、93%三個壓實(shí)度要求。另外，采用4個不同含水率的試樣進(jìn)行固結(jié)試樣研究含水率對固結(jié)特性的影響。

2 壓實(shí)度的影響分析

根據(jù)不同壓實(shí)度要求，對兩種土料進(jìn)行固結(jié)試驗(yàn)，試樣 K78+700、K79+550的最大干密度分為 1.536g/cm3、1.395g/cm3，干密度對應(yīng)85%、90%、93%三個壓實(shí)度。

2.1 不同壓實(shí)度土樣的壓縮量隨時間的變化

圖1 WG-2A型壓縮儀

以K78+700為例，不同豎向壓力作用下K78+700斷面三種壓實(shí)度試樣的豎向變形量隨時間的變化過程見圖2。由圖可知，每級荷載作用下豎向變形都隨時間逐漸增大，但增量逐漸減小，最終變形趨于穩(wěn)定。加荷瞬時的變形較大，約占總變形量的70%～80%。各級壓力作用下，壓實(shí)度越大，豎向變形量都越小。

不同豎向壓力作用下K78+700斷面三種壓實(shí)度試樣的豎向變形量隨時間對數(shù)的變化曲線見圖3。由圖可知，每級荷載作用下豎向變形隨時間對數(shù)的變化接近直線，曲線大致呈斜率先緩、然后略微變陡，最后又變緩。各級壓力作用下，不同壓實(shí)度的曲線大致平行。

試驗(yàn)結(jié)果表明K79+550土樣存在類似的規(guī)律。

2.2 不同壓實(shí)度土樣的壓縮曲線及參數(shù)

K78+700和K79+550兩個斷面三種壓實(shí)度試樣的壓縮、回彈和再壓縮曲線見圖4。由圖可知，隨著荷載的增大，孔隙比逐漸減小，e～p曲線的斜率逐漸減小，最終趨于平緩。卸載和再壓縮曲線的斜率小于原始壓縮曲線的斜率。各級壓力作用下，壓實(shí)度越大，e～p曲線的斜率越緩，孔隙比的變化量越小，豎向變形量也越小。

圖2 K78+700斷面三種壓實(shí)度試樣的豎向變形量隨時間的變化過程

圖3 K78+700斷面三種壓實(shí)度試樣的豎向變形量隨時間對數(shù)的變化曲線

圖4 兩個斷面三種壓實(shí)度試樣的壓縮曲線

通過各級壓力下不同壓實(shí)度試樣的孔隙比、壓縮系數(shù)和壓縮模量，可知隨著荷載的增大，孔隙比逐漸減小，壓縮系數(shù)也逐漸減小，壓縮模量逐漸增大。相同壓力作用下，壓實(shí)度越大，壓縮系數(shù)越小，壓縮模量越大。

壓縮系數(shù)av1-2隨壓實(shí)度的變化曲線見圖5。由圖可知，壓縮系數(shù)av1-2隨壓實(shí)度的增大呈非線性減小，曲線的斜率逐漸減小，說明隨著干密度增大，壓縮系數(shù)減小的幅度越來越小。K79+550斷面土樣的壓縮系數(shù)低于K78+ 700斷面土樣的壓縮系數(shù)，不過兩個斷面土樣的壓縮性隨壓實(shí)度變化的規(guī)律相同。

圖5 壓縮系數(shù)av1-2隨壓實(shí)度的變化曲線

K78+700和K79+550兩個斷面三種壓實(shí)度試樣的壓縮、回彈和再壓縮e～lgp曲線見圖6。由圖可知，隨著荷載的增大，孔隙比逐漸減小。e～lgp曲線近似為直線。卸載和再壓縮曲線的斜率小于原始壓縮曲線的斜率。壓實(shí)度越大，e～lgp曲線的斜率越緩，孔隙比的變化量越小，總豎向變形也越小。

圖6 兩個斷面三種壓實(shí)度試樣的e～lg p曲線

由圖6中各曲線直線段的斜率可求得土樣的壓縮指數(shù)，由回彈和再壓縮滯回圈首尾兩點(diǎn)的連線可求得回彈指數(shù)。壓縮指數(shù)和回彈指數(shù)隨壓實(shí)度的變化曲線見圖7。由表和圖可知，兩個斷面土樣的壓縮指數(shù)都隨壓實(shí)度的增大而減小，但回彈指數(shù)隨壓實(shí)度的增大變化很小，總體趨勢為略微增大。各壓實(shí)度情況下，斷面K78+700土樣的壓縮指數(shù)都大于斷面K79+550土樣的壓縮指數(shù)；但斷面K78+700土樣的回彈指數(shù)稍小于斷面K79+550土樣的回彈指數(shù)值。

圖7 壓縮指數(shù)和回彈指數(shù)隨壓實(shí)度的變化曲線

3 含水率的影響

采用K78+700斷面的土樣進(jìn)行不同含水率非飽和試樣的固結(jié)試驗(yàn)，壓實(shí)度采用90%。采用天然土晾曬的方法，依次降低含水率，在32.0%、28.3%、25.8%、23.6%四個不同含水率下進(jìn)行三軸試驗(yàn)。

3.1 不同含水率土樣的壓縮量隨時間的變化

不同豎向壓力作用下K78+700斷面四種含水率試樣的豎向變形量隨時間的變化見圖8。由圖可知，每級荷載作用下豎向變形都隨時間逐漸增大，但增量逐漸減小，最終變形趨于穩(wěn)定。加荷瞬時的變形較大，約占總變形量的70%～80%。各級壓力作用下，含水率越大，豎向變形量都越大。

不同豎向壓力作用下K78+700斷面三種壓實(shí)度試樣的豎向變形量隨時間對數(shù)的變化曲線見圖9。由圖可知，每級荷載作用下豎向變形隨時間對數(shù)的變化接近直線，曲線大致呈斜率先較緩、然后略微變陡，最后又變緩的規(guī)律，但首段未出現(xiàn)明顯的拋物線段。各級壓力作用下，不同含水率試樣的曲線大致平行。

圖8 K78+700斷面四種含水率試樣的豎向變形隨時間的變化

圖9 K78+700斷面四種含水率試樣的豎向變形量隨時間對數(shù)的變化曲線

3.2 不同含水率土樣的壓縮曲線及參數(shù)

K78+700斷面四種含水率試樣的壓縮、回彈和再壓縮曲線見圖10。由圖可知，隨著荷載的增大，孔隙比逐漸減小，e～p曲線的斜率逐漸減小，最終趨于平緩。卸載和再壓縮曲線的斜率小于原始壓縮曲線的斜率。各級壓力作用下，含水率越大，e～p曲線的斜率越陡，孔隙比的變化量越大，豎向變形量也越大。

圖10 K78+700斷面四種含水率試樣的壓縮曲線

由各級壓力下不同含水率試樣的孔隙比、壓縮系數(shù)和壓縮模量可知，隨著荷載的增大，孔隙比逐漸減小，壓縮系數(shù)也逐漸減小，壓縮模量逐漸增大。相同壓力作用下，含水率越大，壓縮系數(shù)越大，壓縮模量越小。

壓縮系數(shù)av1-2隨含水率的變化曲線見圖11。由圖可知，壓縮系數(shù)av1-2隨含水率的增大呈非線性增大，當(dāng)含水率低于26%時，曲線的斜率很??；當(dāng)含水率大于26%時，壓縮系數(shù)隨含水率的增大呈線性增大。說明隨著含水率增大，壓縮系數(shù)增大的幅度變大。

圖11 壓縮系數(shù)av1-2隨含水率的變化曲線

K78+700斷面四種含水率試樣的壓縮、回彈和再壓縮e～lgp曲線見圖12。由圖可知，隨著荷載的增大，孔隙比逐漸減小。e～lgp曲線近似為直線。卸載和再壓縮曲線的斜率小于原始壓縮曲線的斜率。含水率越大，e～lgp曲線的斜率越陡，孔隙比的變化量越大，總豎向變形也越大。

圖12 78+700斷面四種含水率試樣的e～lg p曲線

由圖12中各曲線直線段的斜率可求得土樣的壓縮指數(shù)，由回彈和再壓縮滯回圈首尾兩點(diǎn)的連線可求得回彈指數(shù)。壓縮指數(shù)和回彈指數(shù)隨含水率的變化曲線見圖13。由圖可知，不同含水率土樣的壓縮指數(shù)和回彈指數(shù)都隨含水率的增大而增大，但回彈指數(shù)增大的幅度小于壓縮指數(shù)。

圖13 壓縮指數(shù)和回彈指數(shù)隨含水率的變化曲線

4 結(jié)語

固結(jié)試驗(yàn)及回彈試驗(yàn)結(jié)果表明，壓實(shí)度越大，壓縮系數(shù)越小，壓縮模量越大。壓縮指數(shù)都隨壓實(shí)度的增大而減小，但回彈指數(shù)隨壓實(shí)度的增大變化很小，總體趨勢為略微增大。含水率越大，壓縮系數(shù)增大。壓縮指數(shù)和回彈指數(shù)都隨含水率的增大而增大，但回彈指數(shù)增大的幅度小于壓縮指數(shù)。

[1]交通部公路科學(xué)研究院.JTG E40-2007，公路土工試驗(yàn)規(guī)程[S].北京:人民交通出版社,2007.

[2]中華人民共和國水利部.GB/T 50123-1999，土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國計劃出版社,1999.