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        地下水位升降對(duì)粉煤灰地基強(qiáng)度影響研究

        2018-08-18 05:46:16唐曉虎
        城市道橋與防洪 2018年8期

        唐曉虎

        (青島市團(tuán)島污水處理廠,山東 青島266000)

        0 引言

        粉煤灰所形成的地基類似于粉土地基。對(duì)于這種地基一般需要解決淺層沉降和地基承載力兩大問題。地基加固方法有靜力排水固結(jié)法、動(dòng)力固結(jié)、動(dòng)力排水固結(jié)法和復(fù)合地基方法。當(dāng)粉煤灰地基加固完成,經(jīng)檢測(cè)達(dá)到設(shè)計(jì)要求后,由于地下水位的變動(dòng),會(huì)對(duì)粉煤灰地基的承載力產(chǎn)生較大的影響。現(xiàn)結(jié)合青島某工程,通過理論試驗(yàn)研究地下水位變化對(duì)粉煤灰地基強(qiáng)度影響。

        1 粉煤灰土水特征曲線

        為了評(píng)價(jià)地下水位升降對(duì)粉煤灰地基強(qiáng)度的影響,需要測(cè)定粉煤灰的持水特性。在非飽和土力學(xué)中,土的持水特性(或保水特性)用土水特征曲線來表示,如圖1所示。橫向坐標(biāo)為基質(zhì)吸力s=ua-uw,ua是孔隙氣壓,uw是孔隙水壓。對(duì)于降水引起土體中的吸力的情況,孔隙氣壓ua一般等于大氣壓,可設(shè)為零,而土體中孔隙水壓為負(fù)值,吸力是孔隙水壓的負(fù)值,即為正值。土水特征曲線的縱坐標(biāo)一般用含水量,也可以是飽和度或體積含水量。對(duì)于降低地下水位時(shí),隨著水位下降,土體從飽和狀態(tài)變成非飽和狀態(tài),其含水量與吸力關(guān)系用圖1中的脫濕曲線表示。即如測(cè)得粉煤灰的土水特征曲線,根據(jù)地下水位值(即負(fù)孔隙水壓),可以從圖1中的脫濕曲線查得土體的相應(yīng)的含水量。圖中吸濕曲線是從較干的土樣增加含水量時(shí),土體的含水量與吸力之間應(yīng)該滿足的關(guān)系。圖中空氣進(jìn)氣值是指有飽和狀態(tài)開始進(jìn)入非飽和狀態(tài)所需加的吸力值。

        圖1 土水特征曲線圖

        2 試驗(yàn)研究

        為了研究工程場地粉煤灰的持水特性,利用圖2所示土水特征曲線(SWCC)儀,進(jìn)行粉煤灰土水特性試驗(yàn)。具體試驗(yàn)方法如下:在該試驗(yàn)過程中,試樣通過排水管與外界相連,所以試樣中的孔隙水壓力為零(即uw=0 kPa),孔隙氣壓為施加于壓力室的氣壓。在孔隙水壓等于大氣壓條件下,對(duì)試樣施加不同的孔隙氣壓ua,量測(cè)在試驗(yàn)過程中試樣中的排水量,求得試樣的含水量。每級(jí)吸力s=ua-uw作用下至排水量穩(wěn)定后,記錄排水量,再加下一級(jí)吸力(氣壓)。在粉煤灰的持水特性試驗(yàn)時(shí),每級(jí)吸力下,需要3~5 d,其排水才能穩(wěn)定。

        圖2 土水特征曲線(SWCC)儀之實(shí)景

        圖3 和圖4分別表示了用圖2所示的試驗(yàn)儀測(cè)得的粉煤灰的土水特征曲線。為了模擬地下水位上升時(shí),粉煤灰的含水量或飽和度變化,首先對(duì)飽和粉煤灰施加30 kPa的吸力(即地下水位下降3 m時(shí)粉煤灰的含水狀態(tài)),然后分步降低吸力,量測(cè)粉煤灰試樣的含水量。從圖3、圖4可知,地下水位以上3 m的粉煤灰的含水量和飽和度分別約為39%和60%;2 m處的含水量和飽和度分別約為42%和63%;1 m處的含水量和飽和度分別約為53%和81%;0.5 m處的含水量和飽和度分別約為56%和85%。由上述粉煤灰的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知,距地下水位1 m以上的粉煤灰處于非飽和狀態(tài),其強(qiáng)度的計(jì)算需要用非飽和土強(qiáng)度理論。

        圖3 粉煤灰的土水特征曲線圖(用含水量w與吸力s表示)

        圖4 粉煤灰的土水特征曲線圖(用飽和度Sr與吸力s表示)

        3 非飽和粉煤灰的強(qiáng)度

        非飽和土的孔隙中含有空氣和水,因此,它的強(qiáng)度特性要比飽和土復(fù)雜。由于水、氣界面呈彎液面,孔隙氣壓力ua和孔隙水壓力uw是不相等的,并且ua>uw,兩者的差值等于吸力。當(dāng)ua為大氣壓力時(shí),uw為負(fù)值。在不排氣、不排水條件下,ua和uw都隨外力的變化而變化。下面介紹有關(guān)非飽和土強(qiáng)度研究成果。

        為了考慮ua和uw對(duì)非飽和土變形和強(qiáng)度特性的影響,Bishop(1959)引進(jìn)了等效孔隙壓力的概念,試圖把適用于飽和土的有效應(yīng)力原理直接引伸到非飽和土中。假定非飽和土的有效應(yīng)力為:

        因此,非飽和土的抗剪強(qiáng)度可寫為:

        式中:σ是總應(yīng)力;c'是有效凝聚力;φ'是飽和土的內(nèi)摩擦角;X是由試驗(yàn)測(cè)定的參數(shù),主要取決于飽和度。最近的研究表明,X可近似用飽和度Sr來代替,因此公式(2)可寫成:

        由上式可知,當(dāng)凈應(yīng)力(σ-ua),吸力(s)和飽和度(Sr)已知時(shí),非飽和土的強(qiáng)度可計(jì)算。對(duì)地下水位升降對(duì)粉煤灰地基強(qiáng)度的影響問題,在已測(cè)得土水特征曲線條件下可用式(3)的右邊公式進(jìn)行計(jì)算,即:

        由于非飽和粉煤灰地基的透氣性較大,一般淺層地基中孔隙氣壓可假定為大氣壓,即ua=0 kPa,因此,地下水位下降引起的非飽和粉煤灰地基強(qiáng)度的增量:

        根據(jù)圖3的粉煤灰的土水特征曲線和式(5),可計(jì)算出地下水位下降引起的青島粉煤灰地基強(qiáng)度的增加,如表1所列,按φ=34°計(jì)算。

        如果地下水位已降至3 m,此時(shí)進(jìn)行地基強(qiáng)度的檢測(cè),后來,因地下水位上升,導(dǎo)致地基強(qiáng)度的降低,需要進(jìn)行評(píng)估。表2表示了青島粉煤灰地基的地下水位已降至3 m后,隨著地下水位上升,地基強(qiáng)度的降低量的計(jì)算結(jié)果。

        表1 地下水位下降引起的粉煤灰強(qiáng)度增加一覽表

        表2 從地下水位3 m起地下水位上升引起的青島粉煤灰的強(qiáng)度下降結(jié)果一覽表

        表3表示了青島粉煤灰地基的地下水位已降至2 m后,隨著地下水位上升,地基強(qiáng)度的降低量的計(jì)算結(jié)果。

        表3 從地下水位2 m起地下水位上升引起的青島粉煤灰的強(qiáng)度下降結(jié)果一覽表

        4 結(jié)論

        以工程實(shí)例為背景,通過理論及試驗(yàn)研究地下水位變化對(duì)粉煤灰地基強(qiáng)度影響,得出如下結(jié)論。

        (1)通過土水特征曲線及非飽和土強(qiáng)度理論研究,地下水位變化對(duì)粉煤灰地基強(qiáng)度有較大的影響。

        (2)地下水位上升會(huì)導(dǎo)致粉煤灰地基承載力降低,地下水位下降會(huì)導(dǎo)致粉煤灰地基承載力提高,在粉煤灰場地設(shè)計(jì)施工中需要加以考慮。

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