(福建省交通建設(shè)工程試驗檢測有限公司,福州 350001)
高液限土固結(jié)特性分析
■馬菊英
(福建省交通建設(shè)工程試驗檢測有限公司,福州 350001)
本文對不同壓實的飽和土樣及不同含水率的非飽和土樣進(jìn)行固結(jié)試驗,分析得出高液限土的固結(jié)特性:壓實度越大,壓縮系數(shù)越小,壓縮模量越大。壓縮指數(shù)都隨壓實度的增大而減小,但回彈指數(shù)隨壓實度的增大變化很小,總體趨勢為略微增大。含水率越大,壓縮系數(shù)增大。壓縮指數(shù)和回彈指數(shù)都隨含水率的增大而增大,但回彈指數(shù)增大的幅度小于壓縮指數(shù)。
高液限土 壓縮系數(shù) 壓縮模量 壓縮指數(shù) 回彈指數(shù)
高液限土天然含水率大,液限高,塑性指數(shù)大,水穩(wěn)定性差,土顆粒微觀勢能嚴(yán)重不平衡,極易受自然降水、地下水或地表水影響,甚至強(qiáng)烈從大氣中吸收水分,吸水后的路基發(fā)生膨脹,密度減小,強(qiáng)度急劇下降,在行車荷載和土自重作用下,發(fā)生不均勻沉降、開裂、橫向位移等病害。正是這種極差的水穩(wěn)定性,《公路路基設(shè)計規(guī)范》(JTG D30-2004)規(guī)定高液限土屬特殊土質(zhì),不得直接用于路基填筑為此,這些土能否降低標(biāo)準(zhǔn)利用呢?它有什么樣的固結(jié)特性?
本文采用WG-2A型側(cè)限壓縮儀(見圖1)對不同壓實的飽和土樣及不同含水率的非飽和土樣進(jìn)行固結(jié)試驗,試圖分析高液限土的固結(jié)特性。土樣來自寧德京臺高速公路 K78+700、K79+550,均為高液限土。試樣面積30cm2,高度2.0cm。豎向壓縮歷時大于24h,豎向壓力分別為50、100、200、400、800kPa,加載到400kPa時分級卸載至100kPa,然后再加荷至400kPa,之后施加最后一級800kPa荷載。采用飽和試樣研究壓實度對固結(jié)特性的影響,試樣的控制干密度對應(yīng)85%、90%、93%三個壓實度要求。另外,采用4個不同含水率的試樣進(jìn)行固結(jié)試樣研究含水率對固結(jié)特性的影響。
根據(jù)不同壓實度要求,對兩種土料進(jìn)行固結(jié)試驗,試樣 K78+700、K79+550的最大干密度分為 1.536g/cm3、1.395g/cm3,干密度對應(yīng)85%、90%、93%三個壓實度。
2.1 不同壓實度土樣的壓縮量隨時間的變化
圖1 WG-2A型壓縮儀
以K78+700為例,不同豎向壓力作用下K78+700斷面三種壓實度試樣的豎向變形量隨時間的變化過程見圖2。由圖可知,每級荷載作用下豎向變形都隨時間逐漸增大,但增量逐漸減小,最終變形趨于穩(wěn)定。加荷瞬時的變形較大,約占總變形量的70%~80%。各級壓力作用下,壓實度越大,豎向變形量都越小。
不同豎向壓力作用下K78+700斷面三種壓實度試樣的豎向變形量隨時間對數(shù)的變化曲線見圖3。由圖可知,每級荷載作用下豎向變形隨時間對數(shù)的變化接近直線,曲線大致呈斜率先緩、然后略微變陡,最后又變緩。各級壓力作用下,不同壓實度的曲線大致平行。
試驗結(jié)果表明K79+550土樣存在類似的規(guī)律。
2.2 不同壓實度土樣的壓縮曲線及參數(shù)
K78+700和K79+550兩個斷面三種壓實度試樣的壓縮、回彈和再壓縮曲線見圖4。由圖可知,隨著荷載的增大,孔隙比逐漸減小,e~p曲線的斜率逐漸減小,最終趨于平緩。卸載和再壓縮曲線的斜率小于原始壓縮曲線的斜率。各級壓力作用下,壓實度越大,e~p曲線的斜率越緩,孔隙比的變化量越小,豎向變形量也越小。
圖2 K78+700斷面三種壓實度試樣的豎向變形量隨時間的變化過程
圖3 K78+700斷面三種壓實度試樣的豎向變形量隨時間對數(shù)的變化曲線
圖4 兩個斷面三種壓實度試樣的壓縮曲線
通過各級壓力下不同壓實度試樣的孔隙比、壓縮系數(shù)和壓縮模量,可知隨著荷載的增大,孔隙比逐漸減小,壓縮系數(shù)也逐漸減小,壓縮模量逐漸增大。相同壓力作用下,壓實度越大,壓縮系數(shù)越小,壓縮模量越大。
壓縮系數(shù)av1-2隨壓實度的變化曲線見圖5。由圖可知,壓縮系數(shù)av1-2隨壓實度的增大呈非線性減小,曲線的斜率逐漸減小,說明隨著干密度增大,壓縮系數(shù)減小的幅度越來越小。K79+550斷面土樣的壓縮系數(shù)低于K78+ 700斷面土樣的壓縮系數(shù),不過兩個斷面土樣的壓縮性隨壓實度變化的規(guī)律相同。
圖5 壓縮系數(shù)av1-2隨壓實度的變化曲線
K78+700和K79+550兩個斷面三種壓實度試樣的壓縮、回彈和再壓縮e~lgp曲線見圖6。由圖可知,隨著荷載的增大,孔隙比逐漸減小。e~lgp曲線近似為直線。卸載和再壓縮曲線的斜率小于原始壓縮曲線的斜率。壓實度越大,e~lgp曲線的斜率越緩,孔隙比的變化量越小,總豎向變形也越小。
圖6 兩個斷面三種壓實度試樣的e~lg p曲線
由圖6中各曲線直線段的斜率可求得土樣的壓縮指數(shù),由回彈和再壓縮滯回圈首尾兩點的連線可求得回彈指數(shù)。壓縮指數(shù)和回彈指數(shù)隨壓實度的變化曲線見圖7。由表和圖可知,兩個斷面土樣的壓縮指數(shù)都隨壓實度的增大而減小,但回彈指數(shù)隨壓實度的增大變化很小,總體趨勢為略微增大。各壓實度情況下,斷面K78+700土樣的壓縮指數(shù)都大于斷面K79+550土樣的壓縮指數(shù);但斷面K78+700土樣的回彈指數(shù)稍小于斷面K79+550土樣的回彈指數(shù)值。
圖7 壓縮指數(shù)和回彈指數(shù)隨壓實度的變化曲線
采用K78+700斷面的土樣進(jìn)行不同含水率非飽和試樣的固結(jié)試驗,壓實度采用90%。采用天然土晾曬的方法,依次降低含水率,在32.0%、28.3%、25.8%、23.6%四個不同含水率下進(jìn)行三軸試驗。
3.1 不同含水率土樣的壓縮量隨時間的變化
不同豎向壓力作用下K78+700斷面四種含水率試樣的豎向變形量隨時間的變化見圖8。由圖可知,每級荷載作用下豎向變形都隨時間逐漸增大,但增量逐漸減小,最終變形趨于穩(wěn)定。加荷瞬時的變形較大,約占總變形量的70%~80%。各級壓力作用下,含水率越大,豎向變形量都越大。
不同豎向壓力作用下K78+700斷面三種壓實度試樣的豎向變形量隨時間對數(shù)的變化曲線見圖9。由圖可知,每級荷載作用下豎向變形隨時間對數(shù)的變化接近直線,曲線大致呈斜率先較緩、然后略微變陡,最后又變緩的規(guī)律,但首段未出現(xiàn)明顯的拋物線段。各級壓力作用下,不同含水率試樣的曲線大致平行。
圖8 K78+700斷面四種含水率試樣的豎向變形隨時間的變化
圖9 K78+700斷面四種含水率試樣的豎向變形量隨時間對數(shù)的變化曲線
3.2 不同含水率土樣的壓縮曲線及參數(shù)
K78+700斷面四種含水率試樣的壓縮、回彈和再壓縮曲線見圖10。由圖可知,隨著荷載的增大,孔隙比逐漸減小,e~p曲線的斜率逐漸減小,最終趨于平緩。卸載和再壓縮曲線的斜率小于原始壓縮曲線的斜率。各級壓力作用下,含水率越大,e~p曲線的斜率越陡,孔隙比的變化量越大,豎向變形量也越大。
圖10 K78+700斷面四種含水率試樣的壓縮曲線
由各級壓力下不同含水率試樣的孔隙比、壓縮系數(shù)和壓縮模量可知,隨著荷載的增大,孔隙比逐漸減小,壓縮系數(shù)也逐漸減小,壓縮模量逐漸增大。相同壓力作用下,含水率越大,壓縮系數(shù)越大,壓縮模量越小。
壓縮系數(shù)av1-2隨含水率的變化曲線見圖11。由圖可知,壓縮系數(shù)av1-2隨含水率的增大呈非線性增大,當(dāng)含水率低于26%時,曲線的斜率很小;當(dāng)含水率大于26%時,壓縮系數(shù)隨含水率的增大呈線性增大。說明隨著含水率增大,壓縮系數(shù)增大的幅度變大。
圖11 壓縮系數(shù)av1-2隨含水率的變化曲線
K78+700斷面四種含水率試樣的壓縮、回彈和再壓縮e~lgp曲線見圖12。由圖可知,隨著荷載的增大,孔隙比逐漸減小。e~lgp曲線近似為直線。卸載和再壓縮曲線的斜率小于原始壓縮曲線的斜率。含水率越大,e~lgp曲線的斜率越陡,孔隙比的變化量越大,總豎向變形也越大。
圖12 78+700斷面四種含水率試樣的e~lg p曲線
由圖12中各曲線直線段的斜率可求得土樣的壓縮指數(shù),由回彈和再壓縮滯回圈首尾兩點的連線可求得回彈指數(shù)。壓縮指數(shù)和回彈指數(shù)隨含水率的變化曲線見圖13。由圖可知,不同含水率土樣的壓縮指數(shù)和回彈指數(shù)都隨含水率的增大而增大,但回彈指數(shù)增大的幅度小于壓縮指數(shù)。
圖13 壓縮指數(shù)和回彈指數(shù)隨含水率的變化曲線
固結(jié)試驗及回彈試驗結(jié)果表明,壓實度越大,壓縮系數(shù)越小,壓縮模量越大。壓縮指數(shù)都隨壓實度的增大而減小,但回彈指數(shù)隨壓實度的增大變化很小,總體趨勢為略微增大。含水率越大,壓縮系數(shù)增大。壓縮指數(shù)和回彈指數(shù)都隨含水率的增大而增大,但回彈指數(shù)增大的幅度小于壓縮指數(shù)。
[1]交通部公路科學(xué)研究院.JTG E40-2007,公路土工試驗規(guī)程[S].北京:人民交通出版社,2007.
[2]中華人民共和國水利部.GB/T 50123-1999,土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國計劃出版社,1999.