原狀黃土高壓固結(jié)試驗(yàn)研究

楊 帆 黃 澤 肖 丁 張沛然

(延安大學(xué)建筑工程學(xué)院，陜西 延安 716000)

原狀黃土高壓固結(jié)試驗(yàn)研究

楊 帆 黃 澤 肖 丁 張沛然

(延安大學(xué)建筑工程學(xué)院，陜西 延安 716000)

運(yùn)用從延安新區(qū)工程建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)取得的Q3原狀黃土，開展了控制不同含水量的高壓固結(jié)實(shí)驗(yàn)，得到了其壓縮系數(shù)、壓縮指數(shù)與壓縮模量，并分析了Q3黃土的變形特性參數(shù)與上部垂直壓力和含水率的關(guān)系，結(jié)果表明：壓縮系數(shù)與壓縮指數(shù)都隨著含水量的增大而增大，當(dāng)土體受到的垂直壓力與含水率比較大時(shí)，壓縮模量有先增大后減小的趨勢(shì)。

Q3黃土,高壓固結(jié)，壓縮系數(shù)，壓縮指數(shù)，壓縮模量

1 概述

延安新城區(qū)建設(shè)是最近兩年廣受關(guān)注的重大工程。“削山填溝”“上山建城”基本都在深厚濕陷性黃土地基上進(jìn)行。而比較典型的Q3黃土的變形特性對(duì)工程地基基礎(chǔ)施工有極大的影響。早前，我國(guó)著名地質(zhì)學(xué)家劉東生總結(jié)出Q3黃土特征為疏松，顆粒均勻，以粉砂為主，大孔隙顯著[1]。由于這種特性對(duì)地基處理方面帶來的負(fù)面影響，本文對(duì)從延安新區(qū)工程建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)取得的Q3原狀黃土開展室內(nèi)高壓固結(jié)試驗(yàn)，研究壓縮性變化規(guī)律對(duì)土方工程處理過程中挖方區(qū)的有關(guān)工程實(shí)踐具有現(xiàn)實(shí)意義。原狀Q3黃土受結(jié)構(gòu)性和欠壓密度的影響其力學(xué)特性比較復(fù)雜。到目前為止，濕陷性黃土力學(xué)仍停留在經(jīng)驗(yàn)與理論相結(jié)合的水平，不能更大程度滿足工程建設(shè)的需要[2]。在實(shí)際工程方面還需要實(shí)地取土進(jìn)行試驗(yàn)，再結(jié)合現(xiàn)有的理論公式進(jìn)行分析，以得到的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)來支持工程實(shí)際設(shè)計(jì)與施工。借鑒之前研究者在黃土特性方面的實(shí)驗(yàn)研究，總結(jié)出土體含水率對(duì)黃土變形影響較為顯著。

本文從延安新城區(qū)建設(shè)的工程現(xiàn)場(chǎng)取得原狀土樣，在室內(nèi)進(jìn)行高壓固結(jié)試驗(yàn)，側(cè)重分析含水率可能對(duì)原狀黃土壓縮系數(shù)、壓縮指數(shù)、壓縮模量等的影響。

2 試驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)方法

在同一干密度下，制備不同含水率的原狀Q3黃土。由于試驗(yàn)用土初始含水量很低，本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行含水量重新配置，配置最低含水率為15%，由于黃土浸水不可避免，再取配置含水率為17%，20%的原狀黃土。為了對(duì)比高含水率下黃土壓縮性的變化繼而將含水率配置到22%。試驗(yàn)利用YCDG型三聯(lián)高壓固結(jié)儀，每級(jí)荷載以24 h為周期緩慢加載。并通過對(duì)透水石中含水量與土樣含水量近似相等的調(diào)節(jié)來避免土樣中水分的蒸發(fā)，以及土樣吸水引起的含水量變化問題。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

取垂直壓力在100 kPa～200 kPa內(nèi)計(jì)算的壓縮系數(shù)來反映土樣的壓縮性。從表1中數(shù)據(jù)來看，土樣含水率較低時(shí)，壓縮系數(shù)較低，土體表現(xiàn)出了較低的壓縮性，此時(shí)土樣具有較高的強(qiáng)度。垂直壓力在400 kPa以內(nèi)時(shí)，從圖1中黃土的壓縮曲線上明顯看出，當(dāng)含水率增大，整體上壓縮系數(shù)呈增大趨勢(shì)。這說明在含水量較大時(shí)，土體有較高的壓縮性，這可能是由于黃土增濕時(shí)黃土結(jié)構(gòu)性軟化引起的。這種現(xiàn)象就如著名專家謝定義[2]所提出的水敏性問題，即天然低濕度下具有明顯高強(qiáng)度和低壓縮性的黃土，在一旦浸水甚至增濕時(shí)會(huì)發(fā)生強(qiáng)度大幅度驟降和變形大幅度突增的特性，會(huì)對(duì)基礎(chǔ)工程帶來不利影響。圖1中含水率為15%～20%時(shí)孔隙比的變化并不是非常顯著，但是明顯含水率17%比15%的變化幅度要大，含水率增大到22%時(shí)，隨著垂直壓力的增大孔隙比變化顯著，說明在高含水率下土體的壓縮性是很大的，因此在地基處理方面應(yīng)注意基坑、邊坡的排水和阻水。西安理工大學(xué)邵俊生教授提出了對(duì)此類問題的解決新技術(shù)，其主導(dǎo)思想為：淺層阻水(Impedance)；淺層排水(Drainage)；淺層防水(Interdiction)；封閉截水(Truncation)；深層導(dǎo)水(Irdiltrmion)[4]。這些措施能夠有效防止土體滲水引起強(qiáng)度降低而產(chǎn)生的工程事故。

求得各含水率下土樣的壓縮系數(shù)a1-2如表1所示。

表1 壓縮系數(shù)a1-2

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以整理出如圖2所示的孔隙比與lgp的關(guān)系曲線以及計(jì)算出壓縮指數(shù)的具體值?？梢钥闯鲭S著含水率的增大，壓縮指數(shù)整體上呈增大趨勢(shì)。在含水率較小時(shí)土體表現(xiàn)為低壓縮性，如在含水率為15%時(shí)孔隙比的變化幅度并不大，而當(dāng)含水率增加到17%時(shí)隨著垂直壓力的增大孔隙比的變化比15%時(shí)要明顯。尤其在含水率增大到20%和22%時(shí)，曲線出現(xiàn)交替下降，這說明在含水率較高時(shí)垂直壓力在400 kPa以內(nèi)土樣表現(xiàn)為較高的壓縮性。這使得土體在浸水受壓時(shí)沉降量有明顯的增大。壓縮指數(shù)如表2所示。

表2 壓縮指數(shù)cc

不同含水量的壓縮模量Es曲線。

由于壓縮模量是在完全側(cè)限條件下土的豎向附加應(yīng)力與相應(yīng)的豎向應(yīng)變?cè)隽恐戎?。因此土的壓縮模量越大，其壓縮性越低。那么在地基處理時(shí)需要得到此地基土的壓縮模量來設(shè)計(jì)上部結(jié)構(gòu)，以及計(jì)算地基沉降。這里繪制了壓縮模量與豎向壓力的關(guān)系曲線來對(duì)上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)(見圖3)。下面主要研究含水率對(duì)壓縮模量的影響。繪制含水率與壓縮模量的關(guān)系曲線如圖4所示。不同含水量壓縮曲線見圖5。

在壓縮模量與含水率的關(guān)系曲線上，在一定垂直壓力下，含水率增大壓縮模量呈先減小后增大的趨勢(shì)，在垂直壓力在25 kPa～50 kPa時(shí)，壓縮模量隨含水率的變化幅度較大，說明在較小壓力下含水率增大可以降低土體的壓縮性。而當(dāng)壓力逐漸增大在100 kPa～800 kPa范圍之內(nèi)，隨著含水率的增大壓縮模量變化較平緩。在這種情況下土體含水率對(duì)土體壓縮性的影響較小，當(dāng)壓力值增大到1 600 kPa時(shí)隨含水率的增大壓縮模量變化顯著，含水

率低時(shí)，壓縮性相對(duì)較低，含水率增大到17%～20%時(shí)，壓縮系數(shù)急劇下降，土體壓縮性快速增大。在含水率增大到22%時(shí)壓縮模量回彈增大，壓縮性降低。這一現(xiàn)象還需深入研究。對(duì)比壓縮模量與垂直壓力關(guān)系曲線，當(dāng)垂直壓力增大時(shí)壓縮模量整體上呈增大趨勢(shì)，土體的壓縮性降低，沉降量變小。在含水率為20%時(shí)壓縮模量增大幅度較小。再對(duì)比壓縮曲線，垂直壓力增大孔隙比減小，土體壓縮性降低。這些現(xiàn)象表明在地基處理方面可采用預(yù)固結(jié)時(shí)土體壓縮性降低來減小地基沉降量。就如牟曉東在處理延安土地基采用的擠密法，既能達(dá)到消除地基土的濕陷性，又能降低土層壓縮性。另外還有強(qiáng)夯法等，都可以有效的降低土的壓縮性，以達(dá)到加強(qiáng)地基強(qiáng)度，減小地基沉降量的目的。

3 結(jié)語

1)地基土含水率較低時(shí)，土樣壓縮系數(shù)和壓縮指數(shù)一般較低，土體表現(xiàn)為壓縮性不高強(qiáng)度較大。當(dāng)含水率較高時(shí)土樣壓縮性明顯增大。

2)土樣含水率由低變高，其上部垂直壓力小，壓縮模量變化顯著，先增大后減小再增大；土樣上部垂直壓力在100 kPa～800 kPa范圍內(nèi)，壓縮模量變化不明顯但也有先減小后增大的變化趨勢(shì)。而當(dāng)壓力增大到1 600 kPa時(shí)，含水率的變化引起了土樣壓縮模量曲線振幅的增大。

3)綜上，提出在地基處理方面的一些建設(shè)性意見。當(dāng)?shù)鼗脸惺艿纳喜亢奢d較大時(shí)，在設(shè)計(jì)和施工方面應(yīng)充分考慮由此引起的地基土較大壓縮量，預(yù)防由于地基土較大沉降導(dǎo)致的工程事故。同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)含水率對(duì)地基土的壓縮性影響較大，在工程施工方面，應(yīng)嚴(yán)格控制地基土的含水率，特別注意防止由于雨水等滲入導(dǎo)致地基土含水率增大，土體發(fā)生較大壓縮。總之，應(yīng)合理控制上部荷載和含水率對(duì)地基土的二元影響關(guān)系。

[1] 扈勝霞，周云東，陳正漢.非飽和原狀黃土強(qiáng)度特性的試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，2005，26(4)：95.

[2] 謝定義.黃土力學(xué)特性與應(yīng)用研究的過去，現(xiàn)在與未來[J].地下空間，1999(4)：49-53.

[3] 林 偉，段宏飛，薛曉輝.太湖湖積相黏土高壓固結(jié)實(shí)驗(yàn)研究[J].鐵道建筑，2010(7)：20.

[4] 陳開勝，沙愛民.壓實(shí)黃土變形特性[J].巖土力學(xué)，2010，31(4)：111.

[5] 牟曉東.延安地區(qū)濕陷性黃土的特性及地基處理[J].地基基礎(chǔ)工程，2006，9(1)：27-29.

[6] 謝定義.試論我國(guó)黃土力學(xué)研究中的若干新趨向[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2001，23(1)：11

[7] 陶 虎.綜合利用濕陷性黃土特性處理地基的技術(shù)研究[J].甘肅水利水電技術(shù)，2008，44(5)：88-89.

Research on high-pressure consolidation of undisturbed loess

YANG Fan HUANG Ze XIAO Ding ZHANG Pei-ran

(SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,Yan’anUniversity,Yan’an716000,China)

The paper adopts the Q3undisturbed loess from the construction site of Yan’an New Region project, undertakes the high-pressure consolidation tests by controlling different water contents, concludes its coefficient of compressibility, compression exponent, and modulus of compression, analyzes the relationship between the deformation feature parameter of Q3loess and upper vertical pressure and water contents, and proves by the result that coefficient of compressibility, compression exponent are enlarged with increasing water contents and the modulus of compression has the tendency of the reduction followed by the increase when having larger vertical pressure and water content of the soil body.

Q3loess, high-pressure consolidation, coefficient of compressibility, compression exponent, modulus of compression

1009-6825(2014)28-0079-02

2014-07-26

楊 帆(1993- )，男，在讀本科生； 黃 澤(1991- )，男，在讀本科生； 肖 丁(1991- )，男，在讀本科生； 張沛然(1991- )，男，在讀本科生

TU411

A