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        黃土濕陷系數(shù)與浸水對(duì)其力學(xué)性質(zhì)的影響之間的關(guān)系初探

        2011-04-23 10:27:30郅軍超
        山西水利科技 2011年1期
        關(guān)鍵詞:陷性土樣抗剪

        郅軍超

        (山西水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,山西太原030024)

        黃土是第四紀(jì)時(shí)期形成的一種特殊堆積物。在我國(guó),第四系黃土主要分布在甘肅的隴東、隴西,陜西的關(guān)中、陜北,山西的晉西、晉北,河南地區(qū),河北北部、西部,山東西部和寧夏—陜西區(qū)、河西走廊、內(nèi)蒙中部—遼西、新疆—青海邊緣等地區(qū)。由于地質(zhì)條件和巖土特征的不同,黃土的結(jié)構(gòu)性和物理力學(xué)性質(zhì)也具有比較明顯的地域性規(guī)律[1]。本文主要通過(guò)分析萬(wàn)家寨引黃工程北干線工程區(qū)濕陷性黃土的物理力學(xué)指標(biāo)和濕陷性系數(shù),初步探討其相關(guān)性。

        濕陷系數(shù)是黃土濕陷變形特征的重要指標(biāo)之一,大量的試驗(yàn)結(jié)果和黃土的濕陷變形特征表明,土工參數(shù)間常常包含一定的相關(guān)性。但由于黃土的組成復(fù)雜,種類繁多,試驗(yàn)結(jié)果的離散性很大,再者,在土工試驗(yàn)過(guò)程中難以消除試驗(yàn)誤差,試圖從土的工程性質(zhì)方面對(duì)土的力學(xué)性質(zhì)的變化和浸水濕陷系數(shù)之間做嚴(yán)格的理論分析較困難,只能借助試驗(yàn)數(shù)據(jù),探求分析兩者之間的相互關(guān)系,歸納其數(shù)理關(guān)系。對(duì)評(píng)估濕陷性黃土對(duì)工程建設(shè)的危害性會(huì)有新的認(rèn)識(shí),尤其是對(duì)可能出現(xiàn)濕陷的水利工程場(chǎng)地及建筑物地基的處理有較好的參考價(jià)值。

        1 黃土物理力學(xué)性質(zhì)

        原狀濕陷性黃土具有較強(qiáng)的初始特性,屬于典型的非飽和土,低干密度、低含水率、高孔隙率、強(qiáng)度高,同時(shí)具有較強(qiáng)的抗剪強(qiáng)度,但受水浸濕后,尤其達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí),極具濕陷性,強(qiáng)度和抗剪性能銳減[2]。本文分析工程區(qū)黃土位于山西晉北地區(qū),該區(qū)域黃土為淡黃色,疏松多孔,無(wú)層理,顆粒均勻。由試驗(yàn)成果知其含水率為3.1%~18.5%;天然密度為1.33~1.57 g/cm3;干密度為 1.25~1.56 g/cm3;孔隙比為 0.725~1.152;塑性指數(shù)7.9~12.3,巖性定名為低液限粉土;天然狀態(tài)壓縮系數(shù)(av1-2)為 0.04~1.53 MPa-1,壓縮模量(Es1-2)為 1.41~50.85 MPa,多具低~中等壓縮性,部分土層具高壓縮性;飽和狀態(tài)下壓縮系數(shù)(av1-2)為 0.1~1.17 MPa-1,壓縮模量(Es1-2)為1.61~17.02 MPa,具中等~高壓縮性。飽和快剪凝聚力(c)2.5~40.7 kPa,內(nèi)摩擦角(φ)14.3°~27.2°;滲透系數(shù) 0.143×10-4~4.01×10-4cm/s,具弱透水性。

        2 試驗(yàn)指標(biāo)的選取

        黃土的濕陷量與其所受壓力大小有關(guān)。所以《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》(GBJ25-90)規(guī)定:黃土的濕陷性,按室內(nèi)壓縮試驗(yàn)在一定壓力值P(試驗(yàn)中P值取200 kPa)下測(cè)定的濕陷系數(shù)δs判定。

        土的抗剪強(qiáng)度是土體中某一受剪面上抵抗破壞時(shí)的最大剪應(yīng)力。本文分析根據(jù)庫(kù)侖定律,土的抗剪強(qiáng)度可表達(dá)為:τf=C+σtgφ(試驗(yàn)中 σ 值取 200 kPa)為了更好地反映土樣的實(shí)際情況,選擇三軸壓縮試驗(yàn)來(lái)研究剪切的力學(xué)指標(biāo)。

        3 濕陷性黃土的浸水試驗(yàn)結(jié)果

        3.1 試驗(yàn)方法

        土樣為引黃工程北干線耿莊水庫(kù)工程區(qū)豎井原狀土樣,巖性為第四系上更新統(tǒng)洪積低液限粉土。首先,測(cè)得土樣在200 kPa壓力下的濕陷系數(shù)δs;然后在天然狀態(tài)下和浸水后,分別測(cè)得土樣不固結(jié)不排水剪切(UU)試驗(yàn)中凝聚力和內(nèi)摩擦角的變化。

        3.2 試驗(yàn)結(jié)果

        利用土的抗剪強(qiáng)度表達(dá)式,計(jì)算得到天然狀態(tài)下土的抗剪強(qiáng)度τUU和浸水后土的抗剪強(qiáng)度τUU飽,濕陷性黃土的浸水試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

        表1 濕陷性黃土的浸水試驗(yàn)結(jié)果表

        取其浸水后土樣的抗剪強(qiáng)度變化值為Δτ(即Δτ=τUU-τUU飽),對(duì)各豎井土樣試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行整理,得到濕陷系數(shù)與抗剪強(qiáng)度變化的關(guān)系表見(jiàn)表2。

        表2 濕陷系數(shù)與抗剪強(qiáng)度變化的關(guān)系表

        以濕陷系數(shù)δs為橫座標(biāo),以抗剪強(qiáng)度變化Δτ為縱座標(biāo),作圖并采用簡(jiǎn)單線性回歸法進(jìn)行線性擬合得到關(guān)系曲線,為了轉(zhuǎn)化為線性回歸,線性方程參數(shù)a、b采用試算求解,逐步尋求相關(guān)性最好、系數(shù)最合理的一組,見(jiàn)圖1。

        圖1 抗剪強(qiáng)度隨濕陷系數(shù)的變化關(guān)系

        根據(jù)圖1,得到抗剪強(qiáng)度隨濕陷系數(shù)的變化關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式:

        3.3 經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的比較

        利用先前得到的經(jīng)驗(yàn)公式,計(jì)算得到浸水前后抗剪強(qiáng)度的變化,從表3中可以看到,表3統(tǒng)計(jì)了10個(gè)點(diǎn)處的浸水后計(jì)算Δτ的變化值,與實(shí)測(cè)值相比,計(jì)算得到的值與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值的最大誤差約12%。

        表3 抗前強(qiáng)度變化計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比結(jié)果表

        3.4 經(jīng)驗(yàn)公式的實(shí)踐意義

        從表1及表2可以看出,天然狀態(tài)下,濕陷性黃土的抗剪強(qiáng)度為92.68~156.30 kPa,平均值為117.91 kPa;浸水后,其抗剪強(qiáng)度為16.38~75.54 kPa,平均值為38.39 kPa。浸水使?jié)裣菪渣S土抗剪強(qiáng)度變化54.9~109.7 kPa,其抗剪強(qiáng)度有較大的變化,嚴(yán)重影響土體的穩(wěn)定性。

        利用經(jīng)驗(yàn)公式,可估算出浸水后土體抗剪強(qiáng)度的變化,初步掌握其抗剪強(qiáng)度變化,充分考慮工程建筑物的安全性,可有效地避免由浸水引起土體穩(wěn)定性降低而造成的事故。

        4 結(jié)論

        (1)浸水會(huì)改變濕陷性黃土的力學(xué)性質(zhì),而其機(jī)理與濕陷性機(jī)理的相似性,使研究它們之關(guān)的聯(lián)系成為了可能。

        (2)通過(guò)實(shí)驗(yàn),我們得到抗剪強(qiáng)度隨濕陷系數(shù)的變化關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式,計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果較為近似。但該試驗(yàn)數(shù)據(jù)僅是一工程區(qū)域內(nèi)收到所取土樣的試驗(yàn)分析結(jié)果,公式的應(yīng)用還有一定的局限性。

        (3)浸水后,濕陷性黃土的力學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生較大的變化,研究這種變化,對(duì)于在力學(xué)指標(biāo)不足的情況下重新評(píng)估濕陷性黃土對(duì)工程建設(shè)的危害,尤其是水利工程將有著一定意義,同時(shí)可為工程設(shè)計(jì)提供一定參考。

        [1]胡燕妮,米海珍.蘭州大厚度黃土濕陷系數(shù)的影響因素[J].蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào),2009,35(1).

        [2]朱元青,陳正漢.原狀Q3黃土在加載和濕陷過(guò)程中細(xì)觀結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)演化的CT-三軸試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2009,31(8).

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