(福建省交通建設(shè)工程試驗(yàn)檢測(cè)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(yàn)檢測(cè)有限公司,福州 350001)
本文對(duì)不同壓實(shí)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(yàn),分析得出高液限土的固結(jié)特性:壓實(shí)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(shí)度的增大而減小,但回彈指數(shù)隨壓實(shí)度的增大變化很小,總體趨勢(shì)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(shì)能?chē)?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(chē)荷載和土自重作用下,發(fā)生不均勻沉降、開(kāi)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(jì)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(jiàn)圖1)對(duì)不同壓實(shí)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(yàn),試圖分析高液限土的固結(jié)特性。土樣來(lái)自寧德京臺(tái)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(shí)大于24h,豎向壓力分別為50、100、200、400、800kPa,加載到400kPa時(shí)分級(jí)卸載至100kPa,然后再加荷至400kPa,之后施加最后一級(jí)800kPa荷載。采用飽和試樣研究壓實(shí)度對(duì)固結(jié)特性的影響,試樣的控制干密度對(duì)應(yīng)85%、90%、93%三個(gè)壓實(shí)度要求。另外,采用4個(gè)不同含水率的試樣進(jìn)行固結(jié)試樣研究含水率對(duì)固結(jié)特性的影響。
根據(jù)不同壓實(shí)度要求,對(duì)兩種土料進(jìn)行固結(jié)試驗(yàn),試樣 K78+700、K79+550的最大干密度分為 1.536g/cm3、1.395g/cm3,干密度對(duì)應(yīng)85%、90%、93%三個(gè)壓實(shí)度。
2.1 不同壓實(shí)度土樣的壓縮量隨時(shí)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(shí)度試樣的豎向變形量隨時(shí)間的變化過(guò)程見(jiàn)圖2。由圖可知,每級(jí)荷載作用下豎向變形都隨時(shí)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(shí)的變形較大,約占總變形量的70%~80%。各級(jí)壓力作用下,壓實(shí)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(shí)度試樣的豎向變形量隨時(shí)間對(duì)數(shù)的變化曲線見(jiàn)圖3。由圖可知,每級(jí)荷載作用下豎向變形隨時(shí)間對(duì)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(jí)壓力作用下,不同壓實(shí)度的曲線大致平行。
試驗(yàn)結(jié)果表明K79+550土樣存在類(lèi)似的規(guī)律。
2.2 不同壓實(shí)度土樣的壓縮曲線及參數(shù)
K78+700和K79+550兩個(gè)斷面三種壓實(shí)度試樣的壓縮、回彈和再壓縮曲線見(jiàn)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?jí)嚎s曲線的斜率。各級(jí)壓力作用下,壓實(shí)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(shí)度試樣的豎向變形量隨時(shí)間的變化過(guò)程
圖3 K78+700斷面三種壓實(shí)度試樣的豎向變形量隨時(shí)間對(duì)數(shù)的變化曲線
圖4 兩個(gè)斷面三種壓實(shí)度試樣的壓縮曲線
通過(guò)各級(jí)壓力下不同壓實(shí)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(shí)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(shí)度的變化曲線見(jiàn)圖5。由圖可知,壓縮系數(shù)av1-2隨壓實(shí)度的增大呈非線性減小,曲線的斜率逐漸減小,說(shuō)明隨著干密度增大,壓縮系數(shù)減小的幅度越來(lái)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(guò)兩個(gè)斷面土樣的壓縮性隨壓實(shí)度變化的規(guī)律相同。
圖5 壓縮系數(shù)av1-2隨壓實(shí)度的變化曲線
K78+700和K79+550兩個(gè)斷面三種壓實(shí)度試樣的壓縮、回彈和再壓縮e~lgp曲線見(jiàn)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?jí)嚎s曲線的斜率。壓實(shí)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(gè)斷面三種壓實(shí)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(diǎn)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(shí)度的變化曲線見(jiàn)圖7。由表和圖可知,兩個(gè)斷面土樣的壓縮指數(shù)都隨壓實(shí)度的增大而減小,但回彈指數(shù)隨壓實(shí)度的增大變化很小,總體趨勢(shì)為略微增大。各壓實(shí)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(shí)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(yàn),壓實(shí)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(gè)不同含水率下進(jìn)行三軸試驗(yàn)。
3.1 不同含水率土樣的壓縮量隨時(shí)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(shí)間的變化見(jiàn)圖8。由圖可知,每級(jí)荷載作用下豎向變形都隨時(shí)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(shí)的變形較大,約占總變形量的70%~80%。各級(jí)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(shí)度試樣的豎向變形量隨時(shí)間對(duì)數(shù)的變化曲線見(jiàn)圖9。由圖可知,每級(jí)荷載作用下豎向變形隨時(shí)間對(duì)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(jí)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(shí)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(shí)間對(duì)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(jiàn)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?jí)嚎s曲線的斜率。各級(jí)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(jí)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(jiàn)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(shí),曲線的斜率很??;當(dāng)含水率大于26%時(shí),壓縮系數(shù)隨含水率的增大呈線性增大。說(shuō)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(jiàn)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?jí)嚎s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(diǎn)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(jiàn)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(yàn)及回彈試驗(yàn)結(jié)果表明,壓實(shí)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(shí)度的增大而減小,但回彈指數(shù)隨壓實(shí)度的增大變化很小,總體趨勢(shì)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(yàn)規(guī)程[S].北京:人民交通出版社,2007.
[2]中華人民共和國(guó)水利部.GB/T 50123-1999,土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,1999.