不同荷載等級下膨脹土的固結(jié)及壓縮特性研究

謝 瀟 舒曉曉

(1.陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075；

2.陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)自然資源部退化及未利用土地整治工程重點實驗室，陜西 西安 710075；3.陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)陜西省土地整治工程技術(shù)研究中心，陜西 西安 710075；4.陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)自然資源部土地工程技術(shù)創(chuàng)新中心，陜西 西安 710075)

膨脹土具有高分散性、高塑性，其粘粒成分主要由強(qiáng)親水性礦物質(zhì)組成，對水分變化極為敏感，顯示出顯著的脹縮性。膨脹土具有吸水膨脹、失水皺縮的特性，對水分和氣候的變化敏感，常給人類工程活動帶來巨大的危害。其特殊性質(zhì)導(dǎo)致其極容易引起路堤、路塹、渠道邊坡等的破壞，給工程建設(shè)帶來極大的危害。其干濕效應(yīng)十分明顯，在吸水與失水時會有明顯的工程性質(zhì)的變化，而反復(fù)的脹縮導(dǎo)致土體中產(chǎn)生大量不規(guī)則裂隙。裂隙的存在不僅降低的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，而且更方便雨水的侵入，也為其風(fēng)化提供了一定條件。這種風(fēng)化層的最大深度大致在氣候的影響深度范圍內(nèi)，一般在1.5-2.0m，最大深度可達(dá)4.0m。膨脹土的特殊性質(zhì)使其成為一種災(zāi)害性土，人們常形象地描述其為“黃膠泥”“蒜瓣土”及“晴天一把刀，雨天一團(tuán)糟”等。

膨脹土的應(yīng)力歷史和廣義應(yīng)力歷史決定了膨脹土具有超固結(jié)性，沉積的膨脹土在歷史上往往經(jīng)受過上部土層侵蝕的作用形成超固結(jié)土。膨脹土由于卸荷作用也能引起土體裂隙的發(fā)展，邊坡的開挖，對土體產(chǎn)生了卸荷作用，這種卸荷對土中存在隱蔽微裂隙的膨脹土來說，必然會促進(jìn)裂隙的張開和擴(kuò)展，尤其是在邊坡底部的剪應(yīng)力集中區(qū)域裂隙面的擴(kuò)展更為嚴(yán)重，這些區(qū)域往往是滑動開始發(fā)生的部位。膨脹土遍布我國二十多個省、市、自治區(qū)，分布面積近60萬平方公里。迄今為止，關(guān)于膨脹土地區(qū)的房屋、橋梁、道路等基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)生破壞和失效的報道非常多，由此造成的經(jīng)濟(jì)損失巨大。在工程建設(shè)中，膨脹土作為建筑物的地基常會引起建筑物的開裂、傾斜而破壞；作為堤壩的建筑材料，可能在堤壩表面產(chǎn)生滑動；作為開挖介質(zhì)時則可能在開挖體邊坡產(chǎn)生滑坡失穩(wěn)現(xiàn)象。我國鐵路部門在總結(jié)膨脹土地區(qū)修建鐵路時，有“逢塹必滑，無堤不塌”的說法。據(jù)估算，在八十年代以前，全世界每年因膨脹土造成的損失至少在50億美元。

所以，準(zhǔn)確掌握膨脹土的工程地質(zhì)特性是研究膨脹土災(zāi)害的發(fā)生機(jī)制以及采取相對應(yīng)工程處理措施的關(guān)鍵。本文針對天然含水率狀態(tài)下的膨脹土開展了室內(nèi)固結(jié)試驗，測定和分析了不同荷載作用下膨脹土的固結(jié)和壓縮特性。

1.實驗材料及方法

實驗土樣取自陜南某地，通過室內(nèi)實驗測得其比重為2.76，天然含水率為18.28%，天然密度為2.03 g/cm3。將從野外取回來的土樣削成大環(huán)刀樣(高度20 mm，直徑79.8 mm)，在WG 型單杠桿固結(jié)儀上進(jìn)行一維固結(jié)實驗，加荷等級分別設(shè)定為：25 kPa、50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa。實驗時為防止土樣的水分蒸發(fā)，在固結(jié)儀四周裹上濕紗布。實驗結(jié)束后根據(jù)式(1)、(2)分別計算固結(jié)系數(shù)及壓縮系數(shù)。

其中，Cv為固結(jié)系數(shù)，為最大排水距離，等于某一壓力下試樣初始與終了高度的平均值之半，t90為固結(jié)度達(dá)到90%所需時間。

式中，αv為壓縮系數(shù)，ei為某級壓力下的孔隙比，pi為壓力等級。

2.實驗結(jié)果分析

2.1 固結(jié)系數(shù)的變化規(guī)律

固結(jié)系數(shù)反映了土體的固結(jié)快慢程度，準(zhǔn)確測定固結(jié)系數(shù)對于預(yù)測土層的排水固結(jié)速率和固結(jié)度有重要意義。根據(jù)實驗結(jié)果，采用時間平方根法(式(1))求得實驗土樣的固結(jié)系數(shù)變化見圖1，由圖1 可知，實驗土樣的固結(jié)系數(shù)變化范圍在9.1×10-4cm2/s-1～1.6×10-3cm2/s-1，隨應(yīng)力水平的增加總體呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。由此可見，采用恒定的固結(jié)系數(shù)對場地變形以及固結(jié)度進(jìn)行計算時，會產(chǎn)生較大的誤差。

2.2 壓縮系數(shù)的變化規(guī)律

實驗土樣的壓縮系數(shù)隨荷載變化的關(guān)系曲線見圖2。圖2種編號1-5分別代表荷載等級為0-25 kPa、25-50 kPa、50-100 kPa、100-200 kPa及200-400 kPa。由圖2可知，膨脹土的壓縮系數(shù)隨著荷載的增大而降低，壓縮性逐漸減弱，且在開始壓縮階段土樣的壓縮系數(shù)降低較快，后來逐漸趨于穩(wěn)定。產(chǎn)生這種變化的原因的是在土樣最開始發(fā)生壓縮的階段，首先是土中不穩(wěn)定的大孔開始發(fā)生壓縮，此時壓縮系數(shù)較大，此后隨著荷載的繼續(xù)增大，土樣中的大孔隙逐漸減少，土樣逐漸變得更加密實，抵抗壓縮變形的能力更強(qiáng)，因而壓縮系數(shù)逐漸降低。

2.3 回彈系數(shù)的變化規(guī)律

在一些挖方工程中，時常需要轉(zhuǎn)移大量的土體，從而使得土層的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，產(chǎn)生卸荷回彈。土體在卸載狀態(tài)下的應(yīng)力狀況和加載過程中有很大區(qū)別。對土體進(jìn)行卸荷回彈變形分析，對挖方過程中的工程穩(wěn)定與安全保障具有重要的理論參考價值。實驗土樣回彈指數(shù)隨卸荷等級的變化曲線見圖3，圖中橫坐標(biāo)1-4代表卸荷等級依次為400-200 kPa，200-100 kPa，100-50 kPa，50-25 kPa。由圖3可以看出隨著卸荷等級的變化土樣的回彈系數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，其關(guān)系曲線為線性。

圖3 回彈系數(shù)隨卸荷等級的變化曲線

3.結(jié)論

本文結(jié)合陜南某地區(qū)膨脹土的室內(nèi)固結(jié)實驗，分析了膨脹土的壓縮固結(jié)特性，得出了膨脹土在不同加卸載等級下固結(jié)系數(shù)、壓縮系數(shù)及回彈指數(shù)的變化規(guī)律，并對土樣固結(jié)及壓縮特性產(chǎn)生變化的原因進(jìn)行了分析，研究結(jié)果可為膨脹土的變形計算及相關(guān)工程設(shè)計提供理論支撐。