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        干密度對(duì)重塑花崗巖殘積土土水特征曲線影響

        2019-01-19 07:15:54劉志達(dá)劉文輝
        山西建筑 2019年3期
        關(guān)鍵詞:土水殘積土吸力

        劉志達(dá) 劉文輝

        (1.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院,廣東 廣州 510640; 2.廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究院,廣東 廣州 510060)

        實(shí)際工程中大部分土體處于非飽和狀態(tài),巖土工程許多領(lǐng)域已考慮土的非飽和性質(zhì),土水特征曲線SWCC描述了土的體積含水率或飽和度與基質(zhì)吸力之間的關(guān)系,在非飽和土力學(xué)中起著重要的作用[1]。通過(guò)土水特征曲線可以研究非飽和土的強(qiáng)度特性、體變特性及滲透性等性質(zhì)[2,3]。

        非飽和土土水特征曲線的主要影響有土體類型、礦物成分、土體結(jié)構(gòu)、干密度、孔隙比及應(yīng)力歷史等。汪東林等[4]利用壓力板儀研究了擊實(shí)功、擊實(shí)含水率、干密度、應(yīng)力歷史和應(yīng)力狀態(tài)5個(gè)因素對(duì)非飽和重塑黏土土水特征曲線的影響。李保華等[5]利用壓力板儀考慮了土樣孔隙結(jié)構(gòu)、干密度及含水率對(duì)非飽和膨脹土土水特征曲線的影響。葉為寧等[6]通過(guò)滲析法和氣相法對(duì)上海地區(qū)軟土的土水特征曲線進(jìn)行試驗(yàn)研究,對(duì)其基本特性進(jìn)行分析。羅小艷等[7]采用貝葉斯理論分析花崗巖殘積土土水特征曲線擬合參數(shù)的不確定性,根據(jù)試驗(yàn)得到的土水特征曲線獲得Van Genuchten模型擬合參數(shù)的后驗(yàn)分布。湯連生等[8]采用滲析法得到花崗巖殘積土的土水特征曲線并對(duì)其進(jìn)行分析。

        目前對(duì)于花崗巖殘積土的非飽和力學(xué)性能研究較少。因此,本文針對(duì)深圳福田區(qū)某基坑底部的花崗巖殘積土,采用壓力膜儀法研究重塑花崗巖殘積土脫濕過(guò)程中的土水特征曲線,并分析不同干密度對(duì)花崗巖殘積土土水特征曲線的影響。

        1 土水特征曲線模型

        為了有效預(yù)測(cè)土水特征曲線,不同的學(xué)者提出了大量不同的土水特征曲線模型,但大多數(shù)僅僅適合于低吸力段和中吸力的范圍,本文選取較常用的Gardenr模型、Van Genuchten模型及Fredlund & Xing模型[9]。

        Gardenr模型:

        Van Genuchten模型:

        Fredlund & Xing模型:

        其中,θw為體積含水率;θr為殘余含水率;θs為飽和含水率;s為基質(zhì)吸力;a,q,n均為擬合參數(shù)。

        2 土水特征曲線試驗(yàn)研究

        2.1 試驗(yàn)土樣

        本次試驗(yàn)花崗巖殘積土土樣取值深圳市福田區(qū)某基坑底部,取樣深度為地下15 m,利用綜合分類法[10]考慮土樣顆粒級(jí)配和塑性指數(shù)可將土樣定名為黏土質(zhì)砂礫。土樣的基本物理力學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表1,顆分曲線見(jiàn)圖1。

        表1 土樣基本物理性質(zhì)指標(biāo)

        2.2 試驗(yàn)儀器與方案

        室內(nèi)土水特征曲線試驗(yàn)采用美國(guó)Soilmoisture公司生產(chǎn)的1500型15Bar壓力膜儀,該儀器能承受最大壓力為1 500 kPa。試樣采用重塑土樣,過(guò)2 mm篩。試樣采用22.6%初始含水率進(jìn)行配置,通過(guò)環(huán)刀制成試樣高為2 cm,試樣面積為30 cm2。為研究不同干密度對(duì)花崗巖殘積土土水特征曲線影響,制取干密度分別為1.45 g/cm3,1.64 g/cm3的試樣,具體試驗(yàn)方案見(jiàn)表2。

        在試驗(yàn)前將各試樣進(jìn)行抽真空飽和處理,取出飽和試樣進(jìn)行稱量后迅速放入壓力膜儀進(jìn)行土水特征曲線試驗(yàn),試驗(yàn)基質(zhì)吸力范圍為5 kPa~1 000 kPa,每級(jí)吸力下土樣在達(dá)到平衡狀態(tài)后重新稱取其質(zhì)量,通過(guò)試樣排水變化量計(jì)算出各級(jí)基質(zhì)吸力下的質(zhì)量含水率,最終可換算得到飽和度與基質(zhì)吸力關(guān)系曲線。

        表2 不同干密度土樣基本參數(shù)

        3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

        由室內(nèi)試驗(yàn)得到各土樣基質(zhì)吸力與飽和度關(guān)系如表3所示,采用Van Genuchten(VG)模型、Fredlund & Xing(FX)模型及Gardenr模型對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合對(duì)比,各模型的擬合參數(shù)見(jiàn)表4。土水特征曲線典型形態(tài)如圖2所示,室內(nèi)試驗(yàn)得到的土水特征曲線試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)及模型擬合曲線如圖3所示。

        表3 不同基質(zhì)吸力下土體飽和度測(cè)定試驗(yàn)結(jié)果

        表4 不同模型擬合參數(shù)表

        由圖2及圖3可知,在0 kPa~1 000 kPa范圍內(nèi),花崗巖殘積土脫濕曲線并非表現(xiàn)為典型的“S”型曲線模式,這是由于受試驗(yàn)設(shè)備限制,只得到花崗巖殘積土脫濕過(guò)程中過(guò)渡段范圍的土水特征曲線。不同干密度下的土水特征曲線形態(tài)一致,隨著基質(zhì)吸力的增大,土樣飽和度不斷降低,由平緩下降過(guò)渡到迅速下降。干密度對(duì)重塑花崗巖殘積土土水特征曲線有著顯著影響,且主要影響范圍為土水特征曲線的過(guò)渡段,在較高的基質(zhì)吸力下,不同干密度的土水特征曲線有相互聚攏的趨勢(shì)。

        干密度對(duì)花崗巖殘積土土水特征曲線影響的具體表現(xiàn)為:在同一基質(zhì)吸力下,土樣飽和度(持水性)隨干密度的增加而增大,即土樣的脫濕速率隨干密度增加而降低;在同一飽和度下,基質(zhì)吸力隨著干密度的增大而增大;試樣進(jìn)氣值也隨著干密度的增加而增大,試驗(yàn)得到試樣一和試樣二的進(jìn)氣值分別約為30 kPa,160 kPa。這主要是由于基質(zhì)吸力與土體孔隙結(jié)構(gòu)關(guān)系密切,干密度大的土樣其內(nèi)部孔隙較小較少,連通性較差,且較小的孔隙使空氣難以進(jìn)入土樣,只有在較大的基質(zhì)吸力下水分才能從小孔隙中排除,從而導(dǎo)致干密度越大其脫濕速率越小,進(jìn)氣值越大。

        根據(jù)表4及圖3可知Van Genuchten模型、Fredlund & Xing模型及Gardenr模型對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合得到的擬合優(yōu)度R2>0.98,均能較好的模擬花崗巖殘積土的土水特征曲線,所有模型擬合得到的殘余含水率都為0。

        4 結(jié)語(yǔ)

        本文對(duì)不同干密度下的重塑花崗巖殘積土進(jìn)行室內(nèi)壓力膜儀法試驗(yàn)并得到相關(guān)土水特征曲線,利用常用的3種土水特征曲線模型對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析,得出如下結(jié)論:

        1)不同干密度下的土水特征曲線形態(tài)一致,干密度對(duì)重塑花崗巖殘積土土水特征曲線有著顯著影響,且主要影響范圍為土水特征曲線的過(guò)渡段。干密度越大,由于其內(nèi)部孔隙越小,數(shù)量越少,孔隙連通性差,導(dǎo)致其持水性增強(qiáng)及進(jìn)氣值增大。相同飽和度下,干密度越大其基質(zhì)吸力越大,而較大的基質(zhì)吸力更利于土體穩(wěn)定,因此工程中需控制好土體干密度以維持建筑穩(wěn)定性。

        2)Van Genuchten模型、Fredlund & Xing模型及Gardenr模型均可較好模擬花崗巖殘積土土水特征曲線,且所有模型擬合得到的殘余含水率都為0。

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