扈勝霞，張　棟，楊　瑞，姚志華

(1.北京航空航天大學 交通科學與工程學院， 北京 100191； 2.延安大學 建筑工程學院， 陜西 延安 716000；3.延安大學 物電學院， 陜西 延安 716000； 4.空軍工程大學 機場建筑工程系， 陜西 西安 710038)

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非飽和重塑黃土固結特性試驗研究

扈勝霞1，2，張棟3，楊瑞2，姚志華4

(1.北京航空航天大學 交通科學與工程學院， 北京 100191； 2.延安大學 建筑工程學院， 陜西 延安 716000；3.延安大學 物電學院， 陜西 延安 716000； 4.空軍工程大學 機場建筑工程系， 陜西 西安 710038)

以延安新區(qū)工程建設中填方區(qū)的重塑黃土為研究對象，以準確計算填方區(qū)黃土地基的沉降為主要目標，以工程實際中填方區(qū)黃土的巖土工程設計參數(shù)為參照，室內制取了Q3重塑黃土固結樣。開展了4組控制吸力的非飽和土固結試驗，得到了非飽和重塑黃土的壓縮曲線，分析了吸力對重塑黃土固結特性的影響。研究表明：初始狀態(tài)相同的重塑黃土土樣，壓縮系數(shù)隨吸力的增大而減?。环秋柡椭厮茳S土試樣的壓縮指數(shù)除了受豎向壓力影響外，也受吸力作用的影響,壓縮指數(shù)隨著吸力的增大而減小；在2 MPa的豎向應力下，重塑黃土土樣總的豎向應變較小，最大的豎向應變?yōu)?.7%。

重塑黃土；基質吸力；壓縮系數(shù)；壓縮指數(shù)；豎向應變

隨著我國十二五規(guī)劃綱要中 “在中西部有條件的地區(qū)培育壯大若干城市群”的提出，新城市建設在西部地區(qū)迅速發(fā)展。延安新區(qū)建設是延安市平山造地、上山建城，拓展城市發(fā)展空間，實施“中疏外擴”城市發(fā)展戰(zhàn)略的重大舉措[1]。對于延安新區(qū)建設工程來說，填筑體基本都是重塑非飽和的黃土。為了準確計算填方區(qū)黃土地基的沉降，有必要用現(xiàn)代非飽和土力學的理論和試驗方法對重塑黃土的壓縮固結特性進行研究。

非飽和土和飽和土的本質區(qū)別在于吸力，非飽和土力學的發(fā)展是圍繞吸力這一基本概念而開展的。隨著Fredlund《非飽和土力學》[2]專著的出版及大量的研究工作，確立了吸力是控制非飽和土的強度、變形和滲流過程的一個關鍵因素的概念[3]。許多專家學者基于吸力的概念，研究了非飽和土的特性，取得了大量成果[4-10]。對延安新區(qū)工程建設中填方區(qū)重塑黃土來說，基于非飽和土理論開展的試驗研究在文獻中還不多見。

本文采用非飽和固結試驗儀對延安新區(qū)Q3黃土參照延安新區(qū)實際工程建設中非飽和黃土填土的壓實控制參數(shù)，制得了重塑非飽和黃土樣。開展了控制吸力分別為100 kPa、200 kPa、300 kPa和500 kPa的重塑非飽和土固結試驗，分析了吸力對重塑黃土固結特性的影響。

1　試驗土樣與試驗方法

1.1試驗土樣

1.2試驗儀器

本文所用試驗儀器為FGJ—ZO型非飽和土固結儀。該儀器由壓縮部件、容器和容器罩子部件、加荷部件、臺架部件和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)五部分部件所組成。該非飽和土儀器具有如下特點：(1) 高進氣值陶土板：非飽和土固結儀壓力室座底部裝有高進氣值陶土板[11]，進氣值為500kPa，以量測和控制吸力；(2) 容器和容器罩部件：起密封作用及用來傳遞荷重力；(3) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：該儀器設有三個數(shù)據(jù)采集通道，由土工試驗數(shù)據(jù)微機采集系統(tǒng)統(tǒng)一進行試驗數(shù)據(jù)采集；(4) 高精度氣壓調壓閥和閥門：可根據(jù)試驗的需要而對試樣施加氣壓和對陶土板進行沖水排氣；(5) 排水量測裝置：采用內徑4mm的尼龍管量測排水體積。

1.3試驗方法

本文做了分別控制吸力為100kPa、200kPa、300kPa和500kPa豎向應力逐級增大的重塑黃土的非飽和土固結試驗。具體試驗方法是：將用重塑土制樣器制的黃土固結樣裝入非飽和土固結儀，對吸力控制為100kPa的第一組非飽和土固結樣，先加100kPa的吸力和相應的用于平衡氣壓力的砝碼，確保數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集軟件的各窗口數(shù)據(jù)顯示正常后，再加12.5kPa的豎向壓力直至穩(wěn)定。一般非飽和土的試驗歷時比較長，在一級豎向壓力下需時2d以上。以此類推，逐級加豎向壓力25kPa、50kPa、100kPa、200kPa、400kPa、800kPa、1.6MPa直至2.0MPa。在試驗過程中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)會自動記錄試樣高度變化等。吸力控制為200kPa、300kPa和500kPa的重塑黃土的非飽和土固結試驗的方法與上述類似。

2　試驗結果分析

2.1e-p曲線

非飽和重塑黃土的固結壓縮特性研究并在其基礎上的沉降量計算是填方區(qū)工程建設中十分關注的問題。土體的壓縮特性可從孔隙比、豎向應變與豎向壓力的變化關系來研究。文獻[12]開展了在最優(yōu)含水率情況下控制壓實度分別為70%、80%、85%和90%的一維高壓固結試驗，通過繪制e-p和e-lgp曲線分析了延安新區(qū)壓實黃土的壓縮變形特性，得出了壓實黃土在側限條件下的應力-應變關系可以用Gunary模型擬合，壓實黃土壓實度越高，總變形量越小等結論。本文開展了控制吸力的非飽和土固結試驗，得到了不同吸力作用下重塑黃土的e-p曲線，結果如圖1所示。從圖1可見，e-p曲線總的趨勢是隨著豎向壓力p的增大，孔隙比e越來越小。但對于初始干密度、壓實度和孔隙比都相同的重塑黃土試樣來說，控制吸力越大，在2MPa的豎向壓力下，孔隙比的變化量Δe就越小。目前，基于土體壓縮變形特性和e-p曲線而建立的分層總和法仍是各種地基規(guī)范推薦的沉降量計算的基本方法[13-15]。由本次試驗數(shù)據(jù)計算得：吸力100kPa時壓縮系數(shù)a1-2為0.151MPa-1；吸力300kPa時壓縮系數(shù)a1-2為0.135MPa-1；吸力500kPa時，壓縮系數(shù)a1-2為0.095MPa-1。說明初始狀態(tài)相同的重塑黃土土樣，吸力越大，壓縮系數(shù)越小。填方區(qū)壓實黃土是一種典型的非飽和土，隨季節(jié)變換，土體的含水率和吸力都在變化。用目前各種地基規(guī)范推薦的基于土體壓縮變形特性和e-p曲線計算壓縮系數(shù)基礎上的沉降量計算方法不能反映填方區(qū)重塑非飽和黃土真實的沉降變形影響因素，需考慮吸力的影響。

圖1e-p曲線

2.2e-lgp曲線

不同吸力作用下非飽和重塑黃土的e-lgp曲線如圖2所示。從圖2可見，重塑壓實黃土的e-lgp曲線沒有明顯的拐點，但也不是一條直線，說明壓縮指數(shù)Cc=Δe/Δlgp不是一個常數(shù)，而是隨著豎向壓力的增加而減小。在圖2中，吸力為500 kPa的土樣e-lgp曲線在最上面，吸力為300 kPa、200 kPa和100 kPa土樣e-lgp曲線依次在下。其中吸力100 kPa和200 kPa的e-lgp曲線有交叉現(xiàn)象。說明非飽和重塑黃土的壓縮指數(shù)除了受豎向壓力影響外，也隨著吸力的增大而減小。

圖2e-lgp曲線

2.3應力-應變曲線

圖3　豎向應力-豎向應變曲線

圖4吸力-豎向應變曲線

3　結　語

延安新區(qū)工程建設中的填方區(qū)多為非飽和的重塑Q3黃土，填方區(qū)的沉降和固結變形特性是實際工程和理論上都關注的問題。本文基于非飽和土試驗和理論，參照工程實際的巖土工程設計參數(shù)，開展了重塑Q3黃土控制吸力和豎向應力的非飽和土固結試驗，分析了吸力對重塑黃土固結特性的影響，得到如下結論：

(1) 初始狀態(tài)相同的重塑黃土土樣，吸力越大，壓縮系數(shù)越小。基于e-p曲線計算壓縮系數(shù)基礎上的沉降量計算方法不能反映填方區(qū)重塑非飽和黃土真實的沉降變形影響因素，需考慮吸力的影響。

(2) 重塑非飽和黃土的壓縮指數(shù)Cc=Δe/Δlgp不是一個常數(shù)，而是隨著豎向壓力的增加而減小。重塑非飽和黃土的壓縮指數(shù)除了受豎向壓力影響外，也隨著吸力的增大而減小。

(3) 參照了實際巖土工程設計參數(shù)的重塑黃土土樣在2 MPa的豎向應力下，總的豎向應變比較小，不到1%。豎向應力和吸力都能夠引起重塑非飽和黃土的豎向應變，但二者的作用機理不同，作用效果具有非線性。

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Experimental Study on Consolidation Characters of Unsaturated and Disturbed Loess

HU Shengxia1,2, ZHANG Dong3, YANG Rui2, YAO Zhihua4

(1.SchoolofTransportationScienceandEngineering,BeihangUniversity,Beijing100191,China; 2.ArchitecturalandCivilEngineeringInstitute,Yan'anUniversity,Yan'an,Shaanxi716000,China；3.CollegeofPhysicsandElectronicInformation,YananUniversity,Yan'an,Shaanxi716000,China；4.DepartmentofAirdromeConstructionEngineering,AirForceEngineeringUniversity,Xi’an,Shaanxi710038,China)

Taking disturbed loess of filled project in Yan’an new district engineering construction as the research object, this research calculated the accurate settlement of loess foundation in filled area, based on the geotechnical engineering design parameters of filled project loess, indoor Q3 disturbed loess samples were made for consolidation test. Four groups of unsaturated consolidation tests with different controlling matric suction were carried out． Compressive curve of the unsaturated and undisturbed loess sample were obtained. The influence of matric suction to consolidation characteristics of disturbed loess was analyzed. The results show that: For same initial state disturbed loess soil samples, compressibility coefficient reduces when the matric suction increases; Compression index of unsaturated and disturbed loess sample was influenced not only by vertical pressure but also by matric suction. Compressibility index reduces when the matric suction increases; The total vertical strain of disturbed loess sample which control parameters referred to the actual geotechnical engineering design plan was small under the 2 MPa vertical stress. The biggest vertical strain was 0.7%.

disturbed loess; matric suction; compressibility coefficient; compressibility index； vertical strain

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.04.011

2016-03-12

2016-04-07

國家自然科學基金項目(51309199,51509257)；國家科技支撐計劃項目(2013BAJ06B00)；陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計劃項目(2014KTDZ03-01)

扈勝霞(1974—)，女，甘肅臨夏人，講師，主要從事軟弱土地基處理方面的教學及科研工作。 E-mail:sxhu06@163.com。

TU447

A

1672—1144(2016)04—0055—04