藏東南地區(qū)砂卵石土三軸試驗(yàn)淺析

沈霞，馮杰

藏東南地區(qū)砂卵石土三軸試驗(yàn)淺析

沈霞，馮杰

（西藏農(nóng)牧學(xué)院 水利土木工程學(xué)院，西藏 林芝 860000）

藏東南地區(qū)河谷地帶砂卵石地層較為普遍，選取藏東南地區(qū)的砂卵石土作為研究對(duì)象，進(jìn)行室內(nèi)三軸試驗(yàn)，測(cè)定在不同圍壓條件下，對(duì)砂卵石土的影響。將通過試驗(yàn)得出的一些試驗(yàn)結(jié)論應(yīng)用于工程建設(shè)當(dāng)中，砂卵石土作為地基填料，可以根據(jù)圍壓對(duì)砂卵石土的影響來控制圍壓，以此來提高地基承載力和地基的穩(wěn)定性。

藏東南地區(qū)；砂卵石土；室內(nèi)三軸試驗(yàn)；圍壓

1 引言

林芝的秋天宛如仙境，湖光山色，美不勝收，因此被譽(yù)為“西藏江南”[1]。通過對(duì)藏東南地區(qū)地質(zhì)勘探發(fā)現(xiàn)，地下土體主要以砂卵石土為主，砂卵石土的優(yōu)良工程特性有抗剪強(qiáng)度高、壓實(shí)強(qiáng)度高、透水性強(qiáng)等，被廣泛應(yīng)用于藏東南地區(qū)的工程建設(shè)當(dāng)中，如用于水電站、路基、橋墩、橋臺(tái)及處理軟弱地基的砂石墊層[2-3]。

西藏處于地震活躍的地震帶上，林芝地區(qū)屬于地震多發(fā)區(qū)，尤其是林芝地區(qū)的察隅和墨脫都曾發(fā)生過8級(jí)以上地震，藏東南地區(qū)的土體主要以砂卵石土為主，該地區(qū)的工程建設(shè)當(dāng)中砂卵石土的應(yīng)用范圍之廣，因此，對(duì)于砂卵石土的力學(xué)特性的研究就顯得十分的必要[4]。采用三軸試驗(yàn)研究砂卵石土的工程特性，通過得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，分析砂礫石土層在藏東南地區(qū)的工程建設(shè)中，應(yīng)該采取何種地基處理方法才能更好地加固地基，提高地基基礎(chǔ)的穩(wěn)定性，對(duì)藏東南地區(qū)的工程建設(shè)有極大的參考價(jià)值[5]。

2 試驗(yàn)取樣

藏東南地區(qū)的魯朗鎮(zhèn)是古今亞歐板塊和歐亞板塊碰撞擠壓接觸形成的，藏東南地區(qū)魯朗鎮(zhèn)地質(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜，魯朗鎮(zhèn)地下土體主要以砂卵石土為主，本次三軸試驗(yàn)的采樣點(diǎn)選取在藏東南地區(qū)魯朗鎮(zhèn)，試驗(yàn)土樣采樣點(diǎn)地理位置如圖1和圖2所示。本次試驗(yàn)采用的砂卵石土試樣的材料取自西藏自治區(qū)巴宜區(qū)的魯朗鎮(zhèn)某處建筑物場(chǎng)地，選取的砂卵石土距地面3～6 m范圍內(nèi)。選取的該深度范圍內(nèi)的卵石的直徑為5～10 cm，填充物有圓礫、中粗砂和細(xì)砂等，比較具有代表性的在藏東南地區(qū)。根據(jù)試驗(yàn)要求，選擇不超過最大控制粒徑的砂卵石土，超過此粒徑的將用剔除法將其處理[6]。

3 三軸試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)的基本原理

三軸試驗(yàn)依據(jù)的理論是摩爾-庫倫強(qiáng)度，本次試驗(yàn)需要取三到四組砂卵石土試樣，在對(duì)砂卵石土的四周施加恒定壓力的情況下再對(duì)其施加軸向壓力，直至土體受剪破壞[7-8]。由于砂礫石的粒徑較大，同時(shí)在較低圍壓下也可能在壓實(shí)和剪應(yīng)力的作用下而產(chǎn)生破壞，兩者之間不能等同，因此，對(duì)于砂礫石土工程特性的研究不能照搬砂土工程特性的研究，要充分考慮砂礫石土不同于砂土的特殊性。為了研究藏東南地區(qū)的砂礫石土，利用大型三軸試驗(yàn)儀來進(jìn)行試驗(yàn)，采用該儀器的原因是它是研究粗粒料工程特性較為理想的儀器設(shè)備。粗顆粒土動(dòng)靜三軸試驗(yàn)機(jī)外觀如圖3所示。

圖1 試驗(yàn)土樣采樣點(diǎn)實(shí)景圖

圖2 試驗(yàn)土樣采樣點(diǎn)地理位置

3.2 試驗(yàn)步驟

土樣安裝：試驗(yàn)前應(yīng)先檢查儀器各方面的性能是否符合試驗(yàn)要求，待滿足試驗(yàn)要求之后，準(zhǔn)備進(jìn)行試樣的安裝。先把乳膠膜（直徑為38 mm）剪至適宜的長度，再將乳膠膜套入承膜桶內(nèi)，緊接著捏緊耳球，為了將承膜桶和乳膠膜之間的空氣抽空，應(yīng)該將耳球的端部對(duì)準(zhǔn)承膜桶的導(dǎo)管，使乳膠膜與承膜桶的內(nèi)壁緊貼。隨后將保濕缸中的土樣取出，先將其放入承膜桶再把耳球移開。對(duì)試樣進(jìn)行安裝之前，依次將透水石和濾紙放在動(dòng)三軸試驗(yàn)的底座上，然后用承膜桶將土樣固定在底座上，再分別在試樣的頂端放上濾紙和透水石。先用橡膠圈把乳膠膜與底座、試樣帽都固定，然后將試樣裝進(jìn)橡膠膜，在此過程中，應(yīng)當(dāng)防止土渣掉入壓力室影響試驗(yàn)結(jié)果。

裝樣：將砂礫石土試樣分層裝入套有乳膠膜的承膜桶內(nèi)，每次裝入之后都要進(jìn)行夯實(shí)，每層砂卵石土的表面都要用切土刀刨毛處理，每次裝樣的時(shí)候，要將砂卵石土試樣控制在固定的高度。

反壓飽和：首先用檢測(cè)孔隙壓力系數(shù)的方法，對(duì)已經(jīng)抽氣飽和的土樣進(jìn)行檢測(cè)，可以用孔隙壓力系數(shù)來檢查試樣的飽和度是否達(dá)到試驗(yàn)要求。當(dāng)砂卵石土樣的孔隙壓力系數(shù)大于等于0.95，直接對(duì)砂卵石土進(jìn)行固結(jié)，當(dāng)孔隙壓力系數(shù)小于0.95時(shí)，需要對(duì)試樣施加反壓力以達(dá)到完全飽和，主要是利用高級(jí)加載試驗(yàn)?zāi)K對(duì)砂卵石土試樣施加適宜的圍壓和反壓。還要重復(fù)進(jìn)行反壓飽和，直到最終測(cè)得的孔隙壓力系數(shù)大于等于0.95，反壓飽和才完成，才能進(jìn)行下一步試樣的固結(jié)過程。

固結(jié)：使用GDS-Advance loading模塊對(duì)飽和后的砂卵石土樣施加固結(jié)壓力。等壓固結(jié)和偏壓固結(jié)的評(píng)定穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)不同，在等壓固結(jié)時(shí)，砂卵石土土樣只要孔隙水壓力在5 min內(nèi)保持不變則固結(jié)完成；在偏壓固結(jié)時(shí)，砂卵石土土樣軸向變形在5 min內(nèi)不大于0.005時(shí)則固結(jié)完成。

加動(dòng)載試驗(yàn)：使用DS-Advance loading模塊，圍壓保持不變的情況下，逐級(jí)對(duì)砂卵石土樣施加環(huán)動(dòng)荷載（每級(jí)振動(dòng)10次）。

卸載、拆樣：先卸載，將圍壓和反壓都卸為0，然后把壓力室里面的水全部排出，將土樣拆除，試驗(yàn)結(jié)束后將儀器清洗干凈。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 砂卵石土在不同圍壓下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

不同圍壓下砂卵石土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4 不同圍壓下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

從圖4可以看出，軸向應(yīng)變?cè)?～0.02的范圍以內(nèi)，軸向應(yīng)變與應(yīng)力成線性關(guān)系為：在各圍壓下達(dá)到峰值點(diǎn)的速率隨圍壓的增大，速率越來越快；當(dāng)軸向應(yīng)變超過0.02，有一個(gè)過渡階段，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系由線性向非線性轉(zhuǎn)變，緊接著，隨著軸向應(yīng)變的增加，應(yīng)力達(dá)到峰值趨于穩(wěn)定。從應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖整體分析可知，砂卵石土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線呈非線性關(guān)系，應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)硬化型，控制其他條件不變的情況下，圍壓一定，應(yīng)力隨軸向應(yīng)變?cè)黾樱谶_(dá)到峰值點(diǎn)后趨于穩(wěn)定；圍壓越大，隨著軸向應(yīng)變的增加，應(yīng)力增長更顯著，同時(shí)達(dá)到峰值也就越快。

4.2 不同圍壓下摩爾圓的繪制及抗剪強(qiáng)度參數(shù)確定

不同圍壓下摩爾圓的繪制過程如下：①計(jì)算不同圍壓下的最大主應(yīng)力1和最小主應(yīng)力3；②以（1－3）作為直徑，（1+3）/2為圓心，畫半圓，有幾種不同的圍壓就有多少個(gè)半圓，所繪制出的半圓就是摩爾應(yīng)力圓；③把繪制好的摩爾應(yīng)力圓，做一條切線使得它與所有的摩爾圓盡可能的相切，做出的這條切線叫做摩爾圓公切線，如圖5所示。

這條公切線在直角坐標(biāo)當(dāng)中，與橫坐標(biāo)所成的夾角表示砂卵石土的有效內(nèi)摩擦角，與縱坐標(biāo)相交的截距表示砂卵石土的有效黏聚力。

圖5 有效應(yīng)力法下抗剪強(qiáng)度包線

5 結(jié)語

以藏東南地區(qū)的砂卵石土為研究對(duì)象進(jìn)行大型三軸試驗(yàn)，研究藏東南地區(qū)砂卵石土的工程特性，砂卵石土在藏東南地區(qū)分布范圍較廣，在現(xiàn)代化工程建設(shè)當(dāng)中必然會(huì)因?yàn)樯奥咽劣龅揭幌盗泄こ屉y題，比如砂卵石土作為地基填料如何加固地基、砂卵石土層出現(xiàn)管涌、砂礫石土作為地基存在不均勻沉降等問題。通過三軸試驗(yàn)測(cè)定不同圍壓對(duì)砂卵石土影響，分析得出一些實(shí)驗(yàn)結(jié)論。試驗(yàn)的一些數(shù)據(jù)和結(jié)論將被廣泛應(yīng)用于藏東南地區(qū)的工程化建設(shè)當(dāng)中，砂卵石土在藏東南地區(qū)常作為地基填料，工程建設(shè)者可以通過控制圍壓的方式來提高地基承載力和地基的穩(wěn)定性，對(duì)藏東南地區(qū)的工程建設(shè)起到極大的參考作用。

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TU411.8

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.13.023

2095－6835（2019）13－0053－02

沈霞（1995—），女，重慶永川人，主要從事巖土工程方面的研究。

馮杰（1993—），男，河北青縣人，主要從事巖土工程及土工測(cè)試技術(shù)方面的研究。

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕