基于壓縮試驗的花崗巖殘積粘性土變形指標確定

于月娥 程小勇

(1.廣東技術師范學院天河學院,廣東廣州 510540;2.廣東省水利電力規劃勘測設計研究院,廣東廣州 510170)

花崗巖殘積土在我國南部、東部分布廣泛[1～3](見圖1),而且厚度較大,在閩粵沿海地區厚度一般為20～35 m[4],廈門地區最厚達70 m。因此,花崗巖殘積土是南方沿海地區基本建設中遇到的主要土體之一。近年來,隨著城市化進程的加快,花崗巖殘積土地基、邊坡等工程問題大量涌現,樁基失效和邊坡失穩等工程事故時有發生。因此,從工程的實際需要出發,開展花崗巖殘積土的工程特性及工程問題研究,無疑是一個重要而急迫的研究課題。

工程土體的變形是其重要力學性質之一[5～6],花崗巖殘積土作為南方工程中比較常見的土體之一,它的變形特性是計算路塹、路堤、地基變形、土壩、隧道和斜坡穩定性,以及支擋建筑物的設計計算的重要參數。

本文以重塑花崗巖殘積粘性土[7](以下簡稱“殘積土”)為研究對象,通過壓縮試驗[8]測定試樣在側限與軸向排水條件下的變形和壓力,得到孔隙比(e0)、變形指標(壓縮系數av、壓縮模量Es)與飽和度的關系,從而確定變形指標與孔隙比、飽和度的關系式。

圖1 中國花崗巖風化殼分布示意[9]

1 室內壓縮試驗方法及試驗方案

在天然狀態下,花崗巖殘積土的平均孔隙比一般比較大,表明壓縮的體積較大。工程實踐表明,殘積土是一種南方常見的工程土體,通常使用常規試驗手段進行研究。

按土工試驗方法標準(SL237-015-1999)進行室內固結試驗,測定土的壓縮系數(av)、壓縮模量(Es)。試驗按5級依次加載,各級荷載分別為50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa,每級荷載歷時為 1 h,讀數需歷時24 h。

殘積土的單向壓縮試驗是在一定固結壓力作用下,測定花崗巖殘積土變形與時間的關系,使殘積土試樣分別在 100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa 的荷載作用下,記錄隨時間變化試樣的高度變化值。

試驗儀器為WG-1型三聯固結儀,固結儀的壓縮容器示意如圖2所示。試驗制備尺寸為:直徑61.8 mm,高度20 mm。殘積土取自廣州市燕塘,均為重塑擾動土樣。

圖2 固結儀的壓縮容器示意

試樣初始孔隙比(e0)由式(1)得出

式中,Gs為土粒比重,ρw為水的密度/(g/cm3),ρ0為試樣初始密度/(g/cm3),w0為試樣初始含水率/%。

各級壓力下固結穩定后的孔隙比(ei)按式(2)計算

式中,ei為某級壓力下的孔隙比,Δhi為某級壓力下試樣高度變化(cm),h0為試樣初始高度(cm)。

某一級壓力范圍內的壓縮系數av按式(3)計算

式中,pi為某一壓力值/kPa。

某一壓力范圍內的壓縮模量(Es)按式(4)計算

由以上計算公式可知,只要已知初始條件p0=0時試樣高度(H0)和初始孔隙比(e0),就可以計算每級荷載作用下的孔隙比(ei),由(pi,ei)可以繪出e-p曲線或者e-lg p曲線。

2 殘積土孔隙比、變形指標與飽和度的關系

本試驗以不同飽和度(Sr)的殘積土為研究對象,進行室內固結試驗。試樣在各級壓力下的高度變化值如表1所示,表2為各組試樣孔隙比,壓縮系數與壓縮模量如表3所示。

表1 各組試樣不同壓力下高度變化值

表2 各組試樣不同壓力下的孔隙比

表3 殘積土壓縮試驗結果

根據試驗數據整理,可以得到不同飽和度狀態下的殘積土e-p曲線,如圖3所示。

圖3 殘積土不同飽和度的e-p曲線

對比不同飽和度狀態下的殘積土的壓縮指標可以發現,在保持側限的試驗條件下,隨著含水量的增大,殘積土中的粘土礦物及氧化物被水溶解,土樣隨之軟化,強度降低,壓縮性增大(如圖4、圖5所示)。含水量19.19%土樣的壓縮模量為6.43 MPa,而含水量30.49%的殘積土樣的壓縮模量為3.77 MPa,兩者相比較可以發現,后者的壓縮模量比前者降低了41.37%?？梢?隨著含水量的增加,殘積土被軟化的效應越顯著,壓縮性增大,工程特性明顯降低。

圖4 殘積土壓縮系數a0.1-0.2與含水量關系

為了進一步深入研究孔隙比e與壓力p及飽和度Sr的關系,從圖6觀察分析可知,一定垂直壓力作用下,殘積土的孔隙比(e)與飽和度(Sr)具有很好的線性關系,故采用直線來擬合各點。繪制在同一壓力下,孔隙比(e)與飽和度(Sr)的關系曲線,如圖7所示。不同垂直壓力作用下,殘積土的孔隙比與飽和度的擬合公式見表4。通過回歸分析,可得到一定垂直壓力作用下,殘積土孔隙比(e)與飽和度(Sr)的關系方程

式中,e為孔隙比,Sr為土體飽和度/%,p為壓力/kPa,m為與土體性質類型相關的常數,與壓力 p無關,n(p)為飽和度Sr=100時與壓力有關的孔隙比。

圖5 殘積土壓縮模量E s0.1-0.2與含水量關系

圖6 不同壓力下孔隙比e與飽和度S r

表4 不同壓力下殘積土孔隙比與飽和度擬合關系式

本試驗中m,n(p)的取值如表5所示。

表5 m,n(p)的取值

綜上分析可得:殘積土的壓縮指標(av,Es)與飽和度Sr之間存在較好的線性關系,隨飽和度的增加,壓縮指標隨之呈現有規律的變化。在一定垂直壓力作用下,殘積土的孔隙比(e)與飽和度(Sr)呈線性相關。依據飽和土現有的理論,對于一定區域內的殘積土,可以很容易確定飽和殘積土的e-p曲線,故n(p)可以通過室內試驗測定。

通過以上研究分析可知,m為常數,只要在飽和度Sr=100%的殘積土e-p曲線已知的條件下,利用式(5)可以很容易確定該區域內不同飽和度殘積土孔隙比e與飽和度Sr的關系。式(5)的得出是在常規試驗研究的基礎上,探索不同飽和度狀態下殘積土壓縮性的一次嘗試,同時對簡化單向分層總和法地基沉降量計算,以及相關工程設計和安全監測有著重要的實際意義。

3 殘積土壓縮系數(a v)和壓縮模量(E s)的確定

將式(5)代入壓縮系數與壓縮模量的表達式,得到在一定垂直壓力作用下,殘積土壓縮系數和壓縮模量與飽和度的關系式(6)及式(7)

圖7 不同壓力下孔隙比e與飽和度擬合關系曲線S r

式中,e0為試樣的初始孔隙比,Sri、Sri+1分別為與孔隙比相對應的飽和度,n(pi)、n(pi+1)分別為試樣Sr=100時與壓力有關的孔隙比。

式(6)和(7)可以看出,只要利用壓縮試驗測得飽和狀態下花崗巖粘性土的e-p曲線,就可以得出不同飽和度(含水量)狀態下,殘積土的的壓縮系數和壓縮模量,減少了室內試驗的工作量。

4 結論

殘積土的孔隙比(e)與飽和度(Sr)具有很好的線性關系;隨著含水量的增加,殘積土被軟化的效應越顯著,壓縮性增大,工程特性明顯降低。

利用壓縮試驗確定殘積土變形指標(壓縮系數av和壓縮模量Es)的方法,能夠很好的反應殘積土的天然狀態,減小室內試驗工作量,有效提高殘積土變形指標確定的效率。

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