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        壓實(shí)弱膨脹土的膨脹變形特征及計(jì)算模式研究

        2016-10-10 06:59:53邊加敏
        長江科學(xué)院院報 2016年9期
        關(guān)鍵詞:土樣含水率壓實(shí)

        邊加敏

        (1.南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇省道路交通節(jié)能減排技術(shù)研發(fā)中心,南京 211188;2.河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210098)

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        壓實(shí)弱膨脹土的膨脹變形特征及計(jì)算模式研究

        邊加敏1,2

        (1.南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇省道路交通節(jié)能減排技術(shù)研發(fā)中心,南京211188;2.河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京210098)

        膨脹性是壓實(shí)弱膨脹土的典型特征,同時是造成膨脹土構(gòu)筑物破壞的最重要的原因之一,合理地預(yù)估壓實(shí)弱膨脹土在特定條件下的變形量對于減小構(gòu)筑物的破壞具有十分重要的作用。因此,建立壓實(shí)弱膨脹土的膨脹變形計(jì)算模式不僅顯得十分重要而且也十分必要?;诖?,在對壓實(shí)弱膨脹土線膨脹率的相關(guān)影響因素進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,以高淳胥河某邊坡弱膨脹土為研究對象,進(jìn)行了不同初始狀態(tài)下的膨脹土膨脹變形試驗(yàn),研究了增濕比、壓實(shí)度及上覆壓力等對膨脹土線膨脹率的影響,建立了考慮增濕比、壓實(shí)度及上覆壓力的壓實(shí)弱膨脹土線膨脹率變化模型,并采用其他學(xué)者的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對該模型進(jìn)行了成果驗(yàn)證,驗(yàn)證結(jié)果表明該模型可以較好地擬合壓實(shí)弱膨脹土的膨脹變形量。

        非飽和土;壓實(shí)度;弱膨脹土;變形; 線膨脹率

        1 研究背景

        膨脹性是弱膨脹土的基本特征,是造成路基破壞最重要的原因之一,研究弱膨脹土的膨脹特征是研究弱膨脹土路基破壞的基礎(chǔ)與核心。

        目前對于弱膨脹土膨脹變形的研究取得了較多進(jìn)展,李獻(xiàn)民等[1]研究了含水率及干密度對膨脹變形的影響,黃斌等[2]研究了K0應(yīng)力狀態(tài)弱膨脹土膨脹模型試驗(yàn),張福海等[3]通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行“歸一”化處理,提出了土樣線膨脹率的計(jì)算模型,并將其應(yīng)用于路基膨脹量的計(jì)算中,張愛軍等[4]通過對陜西安康壓實(shí)弱膨脹土變形的研究,提出了容勢含水比的定義,并建立了基于容勢含水比的膨脹變形計(jì)算模型。

        可以看出,對于弱膨脹土變形量的計(jì)算出現(xiàn)了以下特征:①研究從開始的一維線性模型發(fā)展到三維非線性模型;②從僅考慮單個影響膨脹量的典型因素發(fā)展到綜合考慮多因素的耦合效應(yīng)。當(dāng)前考慮多因素的耦合效應(yīng)的研究方法使得弱膨脹土膨脹量的計(jì)算具有較高的精度,更能準(zhǔn)確地反映弱膨脹土的膨脹變形性能,但實(shí)際工程中許多因素難以控制,且三維非線性模型的試驗(yàn)設(shè)備較復(fù)雜,很難將三維非線性模型應(yīng)用于實(shí)際工程中,因此,對于采用綜合考慮含水率、干密度及上覆壓力的一維模型更容易得到工程單位的推廣應(yīng)用。本文擬通過K0狀態(tài)下的線膨脹率試驗(yàn),采用一維模型研究壓實(shí)弱膨脹土的膨脹變形模型。

        2 膨脹變形的機(jī)理

        弱膨脹土膨脹特性的形成主要是由土體內(nèi)部的礦物成分不同所致,特別是與黏粒的礦物成分密切相關(guān),黏土顆粒部分的結(jié)構(gòu)單元包括簡單顆粒、集聚體和孔隙,可以將弱膨脹土的膨脹變形分為晶格間的擴(kuò)張與顆粒(集聚體)間擴(kuò)張2部分。

        2.1晶格的擴(kuò)張

        弱膨脹土主要由蒙脫石、伊利石及高嶺石等礦物組成,蒙脫石的水穩(wěn)定性差、親水性強(qiáng),由于晶格構(gòu)造是以弱鍵結(jié)合并具有同晶置換的特性,導(dǎo)致晶格間骨架的活動性較強(qiáng),水分子可以不定量地進(jìn)入晶格,同時同晶置換的特性使得晶層間帶有負(fù)電,增大了其吸水能力,在2種因素的綜合作用下,水分大量進(jìn)入晶格中,使得土體產(chǎn)生了膨脹變形。弱膨脹土晶格間膨脹是膨脹變形的主要部分。

        2.2顆粒間的擴(kuò)張

        雙電層中的水分子在電場引力的作用下,被吸附在土顆粒周圍,形成水化膜,當(dāng)含水率增大時,水化膜的厚度不斷增大,導(dǎo)致土體發(fā)生膨脹變形。

        集聚體間的脹縮變形存在于一般黏性土中,尤其是吸力勢,更具普遍性,雙電層及吸力勢均對弱膨脹土的變形起作用,但一般起次要作用。

        由土樣的膨脹機(jī)理可以看出,當(dāng)?shù)攘康乃诌M(jìn)入土體后,由于產(chǎn)生膨脹變形的機(jī)理不同,所產(chǎn)生的膨脹量也不相同,對于含水率與膨脹量的關(guān)系,目前研究所得出的結(jié)論還不一致,文獻(xiàn)[5]的研究表明含水率與線膨脹率呈直線關(guān)系,而楊和平[6]的研究則認(rèn)為當(dāng)含水率大于土體的脹限時,增加含水量對土體變形的影響不大,從變形機(jī)理上分析,楊和平的試驗(yàn)結(jié)論更符合弱膨脹土的變形機(jī)理。

        3 試驗(yàn)方法及方案

        3.1土樣的試驗(yàn)參數(shù)

        試驗(yàn)用土取自蕪申線東壩段胥河南岸工地,采用挖坑取土的方法取得大塊原狀土樣,取土深度約為1m,土樣取回后,敲碎后制成重塑土樣,取一部分土進(jìn)行含水率、干密度、比重等基本物理性質(zhì)試驗(yàn)。試驗(yàn)方法主要以《土工試驗(yàn)規(guī)程》(JIGE40—2007)為準(zhǔn)。土樣的基本物理性質(zhì)見表1,試驗(yàn)用高淳胥河邊坡弱膨脹土的顆粒級配見圖1。

        表1 土樣的基本物理性質(zhì)Table 1 Physical properties of swelling soil

        圖1 顆粒級配Fig.1 Particle size distribution

        3.2試驗(yàn)方案

        將土樣取回后置入105 ℃的烘箱烘干8h以上,用木錘敲碎并過2mm篩,根據(jù)要求配置成16.5%的含水率,按照98%,96%,90%三種壓實(shí)度壓制不同干密度的試樣,試驗(yàn)前一天將透水石與試樣一同放在塑料袋中密封24h,使透水石與土樣的含水率一致。

        0kPa下不同增濕幅度的無荷膨脹率采用如下方法進(jìn)行:將土樣按照無荷膨脹試驗(yàn)規(guī)程要求裝入無荷膨脹儀中,稱量儀器總質(zhì)量,并記錄百分表初始讀數(shù),按照15%含水率增量向土樣中加入水,待膨脹穩(wěn)定后讀取百分表讀數(shù),將儀器用吹風(fēng)機(jī)吹干表面水分后稱取質(zhì)量,通過儀器兩次質(zhì)量的差值計(jì)算土樣含水率的變化,繼續(xù)按相同的方法測定土樣的增濕量及膨脹量,當(dāng)加水后的膨脹穩(wěn)定變形值<0.1%/h時停止試驗(yàn)。

        50kPa下不同增濕量的線膨脹率試驗(yàn)在YZ-Ⅱ型固結(jié)儀中進(jìn)行,試驗(yàn)方法與無荷線膨脹率類似,不同處為試驗(yàn)時稱取固結(jié)儀上部質(zhì)量,并計(jì)算土樣的含水率變化。

        李振等[7]對不同初始干密度及含水率的弱膨脹土進(jìn)行了分級浸水和一次浸水膨脹變形試驗(yàn),同時測定了試樣在浸水前后不同上覆壓力下的變形過程。試驗(yàn)結(jié)果表明不同的浸水路徑對弱膨脹土最終變形量影響不大,最終膨脹量基本一致,這表明了經(jīng)過多次加水后土樣的膨脹量與一次加至某含水率后的變形量一致,表明可以采用分級加水的方式對最終變形量進(jìn)行測定。

        4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

        4.1考慮含水率與壓實(shí)度的膨脹模型的建立

        從膨脹變形的機(jī)理可以看出,含水率對土體膨脹變形的影響不僅表現(xiàn)在初始含水率的大小上,同時也表現(xiàn)在含水率增量方面。為了反映含水率增量對膨脹變形的影響,采用增濕比表征含水率變化對弱膨脹土線膨脹率的影響,并定義增濕比如式(1)。

        (1)

        式中:Riw為增濕比;w 為過程含水率(%);wi為初始含水率(%);wsat為某干密度及上覆壓力下的飽和含水率(%)。

        圖2為0kPa和50kPa下增濕比與線膨脹率的關(guān)系。

        由圖2可以看出,在相同增濕比下,壓實(shí)度越大土體的線膨脹率越大,壓實(shí)度越小,土體的線膨脹率越小。而在相同的壓實(shí)度下,土樣的線膨脹率隨著增濕比的增大而增大,將線膨脹率與增濕比采用線性關(guān)系進(jìn)行擬合,考慮到無荷狀態(tài)下,增濕比為0時土體的線膨脹率為0,將無荷狀態(tài)下的弱膨脹土線膨脹率與增濕比的關(guān)系擬合成正比關(guān)系??芍?,土樣的線膨脹率與增濕比呈線性關(guān)系,即兩者的關(guān)系可以采用式(2)計(jì)算。

        εz=aRiw+b。

        (2)

        式中:εz為線膨脹率(%);Riw為增濕比;a,b為相關(guān)系數(shù)。

        當(dāng)弱膨脹土土樣的上覆壓力為0kPa時b值為0。分析圖2擬合公式可知,系數(shù)a隨著壓實(shí)度的增大而增大,將0kPa和50kPa的系數(shù)a與壓實(shí)度的關(guān)系擬合如圖3(a)。

        (a)0kPa

        (b)50kPa

        圖2增濕比與線膨脹率的關(guān)系

        Fig.2Relationshipbetweenhumidificationratioandlinearexpansiveratio

        (a)系數(shù)a

        由圖3(a)可以看出系數(shù)a與壓實(shí)度呈線性關(guān)系,圖3(b)為系數(shù)b與壓實(shí)度的關(guān)系圖,由于在0kPa的上覆壓實(shí)下,3種壓實(shí)度的系數(shù)b為0,此處僅擬合50kPa壓力作用下的系數(shù)b與壓實(shí)度的關(guān)系,可以看出,系數(shù)b與壓實(shí)度也可以采用線性關(guān)系表達(dá),即系數(shù)a,b可以采用式(3)表達(dá)。

        (3)

        式中:a1,a2,b1,b2為系數(shù);K為壓實(shí)度。

        將式(1)、式(3)代入式(2)可得考慮壓實(shí)度及增濕比的線膨脹率計(jì)算模型為

        (4)

        4.2上覆壓力與線膨脹率的關(guān)系

        針對線膨脹率與上覆壓力的關(guān)系,李獻(xiàn)民[1]、劉特洪[8]、GyselM[9]、徐永福等[10]、胡瑾[11]均對此進(jìn)行了研究,并提出了上覆壓力與線膨脹率的關(guān)系模型,但這些計(jì)算模型均存在一定的問題。

        劉特洪、胡瑾、GyselM的計(jì)算模型不能模擬無荷膨脹量,李獻(xiàn)民、徐永福的計(jì)算模型不能模擬荷載較大時弱膨脹土壓縮的情況。

        鑒于此,結(jié)合以上學(xué)者計(jì)算式的優(yōu)缺點(diǎn),并對上覆荷載進(jìn)行無量綱化處理,并采用式(5)對弱膨脹土的線膨脹率與上覆荷載的關(guān)系進(jìn)行擬合。

        (5)

        式中:a3,b3為擬合參數(shù);P為上覆壓力;P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力;εz為線膨脹率。

        采用此計(jì)算式對文獻(xiàn)[12]的干密度為1.60g/cm3不同試驗(yàn)方法的高淳胥河重塑弱膨脹土土樣試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,擬合結(jié)果見表2。

        表2 各種方法的線膨脹率表達(dá)式系數(shù)及相關(guān)系數(shù)Table 2 Coefficients of formulas of linear swelling ratioand coefficients of correlation

        可以看出式(5)可以較好地擬合上覆壓力與線膨脹率之間的關(guān)系。在進(jìn)行線膨脹率計(jì)算時,借用文獻(xiàn)[4]的處理方法,將式(4)與式(5)相乘得到弱膨脹土樣在過程含水率、壓實(shí)度及上覆壓力狀態(tài)下的計(jì)算式(6),即

        (6)

        4.3計(jì)算模式的驗(yàn)證

        為了驗(yàn)證以上計(jì)算模式的正確性,用式(4)對文獻(xiàn)[13]所給出10kPa壓力下的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了擬合,得到如式(7)的計(jì)算式,即εz=(30.84K-44.43)Riw+0.806 6K-3.27。

        (7)

        用上式模型計(jì)算得到的膨脹量與實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較見圖4。

        圖4 干密度為1.51 g/cm3的試驗(yàn)值與計(jì)算值比較Fig.4 Comparison between calculated value and test valuein the presence of dry density of 1.51 g/cm3

        圖中實(shí)線為計(jì)算數(shù)值曲線,可以看出,試驗(yàn)值與計(jì)算值數(shù)據(jù)符合得很好,對于干密度為1.51g/cm3的土樣,最大誤差為1.14%,最小誤差為0.16%。表明式(6)能很好地擬合弱膨脹土土樣的線膨脹率,證明了本文的計(jì)算模式的正確性。

        5 結(jié) 論

        根據(jù)本文的研究,可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:

        (1)在對弱膨脹土變形機(jī)理進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,得出含水率對膨脹變形的影響,不僅表現(xiàn)在初始含水率上,還表現(xiàn)在含水率的增量上,鑒于此,提出了土樣增濕比的定義。

        (2)通過對增濕比、上覆壓力及壓實(shí)度等與膨脹變形關(guān)系的試驗(yàn)研究,建立了考慮增濕比、壓實(shí)度及上覆壓力的膨脹變形計(jì)算模型。通過該模型可以計(jì)算出任意過程含水率的線膨脹率,采用前人的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對膨脹變形模型進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)論顯示試驗(yàn)值與模型值吻合較好。

        (3)本文基于K0狀態(tài)下建立的一維膨脹模型,由于試驗(yàn)設(shè)備簡單,可以廣泛地應(yīng)用于工程中,對工程建設(shè)中弱膨脹土的膨脹變形量的估算具有一定的工程意義。

        [1]李獻(xiàn)民,王永和,楊果林,等.擊實(shí)膨脹土工程變形特性的試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué),2003,24(5):826-830.

        [2]黃斌,何曉民,譚凡.K0應(yīng)力狀態(tài)膨脹土膨脹模型試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué),2011,33(增1):442-447.

        [3]張福海,王保田,劉漢龍.壓實(shí)膨脹土路基的膨脹變形規(guī)律研究[J].巖土力學(xué),2010,31(1):206-210.

        [4]張愛軍,哈岸英,駱亞生.壓實(shí)膨脹土的膨脹變形規(guī)律與計(jì)算模式[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2005,24(7):1236-1421.

        [5]范臻輝,王永和,肖宏彬.南寧膨脹土膨脹變形規(guī)律的試驗(yàn)與應(yīng)用研究[J].鐵道學(xué)報,2007,29(1):86-89.

        [6]楊和平.公路膨脹土工程[M].北京:人民交通出版社,2009.

        [7]李振,邢義川.側(cè)限條件下膨脹土增濕變形計(jì)算模式研究[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2011,39(5):215-222.

        [8]劉特洪.工程建設(shè)中的膨脹土問題[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1997.

        [9]GYSELM.DesignMethodsforStructureinSwellingRock[J].RockMechanicsandRockEngineering,1987,20(4):219-242.

        [10]徐永福,史春樂.寧夏膨脹土的膨脹變形規(guī)律[J].巖土工程學(xué)報,1997,19(3):95-98.

        [11]胡瑾.膨脹土膨脹特性試驗(yàn)研究[D].南京:河海大學(xué),2012.

        [12]邊加敏.加載方式對膨脹土有荷膨脹量測定影響[J].公路,2013,(5):156-160.

        [13]徐永福,龔友平.寧夏膨脹土膨脹變形特征的試驗(yàn)研究[J].水利學(xué)報,1997,(9):27-30.

        (編輯:趙衛(wèi)兵)

        Swelling Deformation Characteristic and Calculation Model ofCompacted Weak Swelling Soil

        BIAN Jia-min1,2

        (1.JiangsuResearchCenterofEnergySavingandEmissionReductionTechnologyofTrafficEngineering,NanjingVocationalInstitutionofTransportTechnology,Nanjing211188,China;2.KeyLaboratoryofGeomechanicsandEmbankmentEngineeringofMinistryofEducation,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

        Swellingisthetypicalcharacteristicofweakswellingsoil,andisthemostimportantcauseofthedamageofswellingsoilstructures.Itisofgreatimportancetoestimatethedeformationofswellingsoilinsomespecificconditions,anditisnotonlyimportantbutalsonecessarytoestablishthecalculationmodelforweakswellingsoil.

        unsaturatedsoil;degreeofcompaction;weakswellingsoil;deformation;linearswellingratio

        2015-07-22;

        2015-09-07

        邊加敏(1979-),男,江蘇南京人,副教授,博士,主要從事非飽和土的教學(xué)與科研工作,(電話)15951670241(電子信箱)bianjiamin1114@aliyun.com。

        10.11988/ckyyb.20150613

        2016,33(09):107-110,137

        TU443

        A

        1001-5485(2016)09-0107-04

        Inviewofthis,onthebasisofanalyzingtheinfluencefactorsoflinearswellingratio,wecarriedoutswellingdeformationtestsonweakswellingsoiloftheslopeofXuheriverindifferentinitialstatus.Wealsostudiedtheinfluencesofhumidificationratio,degreeofcompactionandoverburdenpressureonthelinearswellingratio,andestablishedthecalculationmodelforlinearswellingratioinconsiderationofhumidificationratio,degreeofcompactionandoverburdenpressure.Finallyweusedthetestdataofotherscholarstoverifythecalculationmodel,andtheverificationresultsshowedthatthecalculationmodelcouldwellfittheswellingdeformationofcompactedweakswellingsoil.

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