萬梁龍

（深圳市住宅工程管理站 深圳518000）

0 引言

透水性、穩(wěn)定性好的無黏性土是作為擋土墻后填料的理想材料，但砂土、碎石土等理想填料造價(jià)較高，在實(shí)際工程中常常就地取材，不可避免地會(huì)用黏性土作為擋墻后填料。

在填筑黏性土?xí)r，黏性土常常處于非飽和狀態(tài)。填筑完成后，填土?xí)蚪涤辍⒌叵滤簧叩纫蛩匾鸷试黾?。此時(shí)，黏性土中的蒙脫石、伊利石、高嶺石等黏土礦物會(huì)吸水膨脹［1］，引起作用在擋墻上的側(cè)壓力增加，威脅擋墻的安全［2-4］。此外，由于場(chǎng)地的限制，在回填土上時(shí)常會(huì)存在臨時(shí)甚至永久荷載的作用，也會(huì)造成擋墻上的側(cè)壓力增加。然而，目前關(guān)于黏土在不同荷載下增濕、增濕到不同程度的側(cè)壓力變化規(guī)律的研究并不多。國(guó)外常用改裝后的三軸儀進(jìn)行試驗(yàn)［4，5］，此方法對(duì)儀器設(shè)備、試驗(yàn)人員的要求較高，試驗(yàn)并不方便。國(guó)內(nèi)更多的是用飽和試樣進(jìn)行試驗(yàn)，常用K0固結(jié)儀（靜止土壓力系數(shù)儀）測(cè)量試樣在豎向荷載下的側(cè)壓力［6-8］。雖然K0固結(jié)儀操作簡(jiǎn)單、試驗(yàn)方便，但飽和狀態(tài)下的試樣并不能完全模擬實(shí)際情況。

為更好地模擬實(shí)際情況，本文采用K0固結(jié)儀對(duì)重塑黏土開展了試驗(yàn)，研究了非飽和重塑黏土在不同初始豎向荷載增濕、增濕到不同程度的側(cè)壓力變化規(guī)律，以及增濕后固結(jié)過程中的側(cè)壓力變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)方案與步驟

1.1 試驗(yàn)儀器

K0固結(jié)儀可測(cè)量試樣在側(cè)向約束狀態(tài)下的側(cè)壓力［6］，如圖1所示，主要由上環(huán)、中環(huán)、底座及橡膠圈等構(gòu)件組成。試樣在豎向荷載作用下產(chǎn)生的側(cè)壓力通過橡膠圈、壓力腔中的無氣水傳遞給壓力傳感器。K0固結(jié)儀常常與常規(guī)固結(jié)儀的杠桿加壓系統(tǒng)配合使用，用杠桿施加豎向荷載，同時(shí)，通過百分表可測(cè)得試樣的豎向變形。可從試樣頂部或底部注水使試樣增濕。與中環(huán)相連的滴定管中的水柱可對(duì)橡膠圈施加5～10 kPa的側(cè)壓力，使橡膠圈與試樣側(cè)壁貼合。

圖1 K0固結(jié)儀示意圖Fig.1 Schematic Graph of the K0 Consolidometer

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)所用黏土的顆分曲線如圖2 所示，基本物理參數(shù)如下：比重為2.71 g/cm3，液限為66.4%，塑限為23.2%，最優(yōu)含水率為16.7%，最大干密度為1 820 kg/m3。本文進(jìn)行試驗(yàn)的所有試樣的初始含水率為17%，接近最優(yōu)含水率16.7%，干密度均設(shè)置為1 500 kg/m3。

圖2 黏土的顆分曲線Fig.2 Grain Size Distribution Curves of the Cohesive Soil

為探究不同豎向荷載對(duì)側(cè)壓力的影響，分別對(duì)試樣施加12.5～200 kPa 的初始豎向荷載，如表1 所示。為探究不同增濕程度對(duì)側(cè)壓力的影響，設(shè)置0.4%～11.1%的增濕含水率（最終含水率與初始含水率之差），如表2所示，初始豎向荷載均為50 kPa。

表1 不同初始豎向荷載的影響Tab.1 Effect of Initial Vertical Load

表2 不同增濕程度的影響Tab.2 Effect of the Increased Water Content

1.3 試驗(yàn)步驟

將風(fēng)干黏土過2 mm 篩，加水配成含水率為17%（接近最優(yōu)含水率）的濕土，將濕土裝入自封袋并置于保濕缸72 h，使水分充分均勻。將濕土置于高40 mm、內(nèi)徑為61.8 mm的環(huán)刀中，擊實(shí)至20 mm高，然后將擊實(shí)后的試樣推入K0固結(jié)儀中，用塑料薄膜密封K0固結(jié)儀，減少水分散失［9］。

通過與中環(huán)相連的滴定管施加5 kPa 的初始側(cè)壓力；用杠桿加壓系統(tǒng)施加初始豎向荷載，使試樣在初始豎向荷載下壓縮24 h。變形穩(wěn)定后，揭開塑料薄膜，對(duì)表1中試樣，從試樣頂部加入充足的水使試樣增濕；對(duì)表2中試樣，從試樣頂部加入適量的水并再次用塑料薄膜密封K0固結(jié)儀。試樣增濕變形穩(wěn)定后，按12.5 kPa、25 kPa、50 kPa、100 kPa、200 kPa的加載方法分級(jí)加載，每級(jí)荷載保持24 h，然后施加下一級(jí)荷載。試驗(yàn)結(jié)束后，取出試樣，稱重并計(jì)算增濕含水率。

2 初始豎向荷載的影響

從表1中的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，初始豎向荷載越大，試樣充分增濕后表現(xiàn)出的側(cè)壓力越大。當(dāng)初始豎向荷載較小時(shí)，試樣增濕后表現(xiàn)出膨脹的趨勢(shì)（變形率為正），此時(shí)土壓力系數(shù)較大，甚至出現(xiàn)大于1的現(xiàn)象，隨著初設(shè)豎向荷載的增加，土壓力系數(shù)逐漸減小并趨于穩(wěn)定。

增濕完成后，對(duì)試樣進(jìn)行固結(jié)試驗(yàn)，豎向荷載與孔隙比的半對(duì)數(shù)關(guān)系如圖3 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，固結(jié)試驗(yàn)前施加的初始豎向荷載越大，試樣表現(xiàn)出的先期固結(jié)壓力越大，且先期固結(jié)壓力都大于初始豎向荷載。這一現(xiàn)象可能與荷載的時(shí)間效應(yīng)有關(guān)，在Mesri 等人［10］的試驗(yàn)中，當(dāng)正常固結(jié)狀態(tài)下黏土試樣的豎向荷載保持一段時(shí)間后，黏土試樣會(huì)處于超固結(jié)狀態(tài)。結(jié)合本文試驗(yàn)結(jié)果可知，初始豎向荷載大小及其作用時(shí)間都會(huì)對(duì)黏土的先期固結(jié)壓力產(chǎn)生影響。

圖3 初始豎向荷載對(duì)壓縮曲線的影響Fig.3 Effect of Initial Vertical Load on the Compression Curve

當(dāng)豎向荷載超過先期固結(jié)壓力后，所有試樣都表現(xiàn)出同一試樣的正常固結(jié)的狀態(tài)，即所有試樣的正常固結(jié)曲線重合，這一現(xiàn)象符合現(xiàn)有的固結(jié)理論［1］。

試樣在固結(jié)試驗(yàn)過程中的側(cè)壓力與豎向荷載的關(guān)系如圖4 所示，可以發(fā)現(xiàn)，隨著豎向荷載的增加，側(cè)壓力-豎向荷載曲線斜率逐漸增大至穩(wěn)定狀態(tài)。側(cè)壓力-豎向荷載曲線常常用正常固結(jié)段和超固結(jié)段兩段的形式表示［7］。從圖4可以發(fā)現(xiàn)，側(cè)壓力-豎向荷載曲線斜率逐漸增大并最終趨近于正常固結(jié)狀態(tài)下的斜率。雖然初始豎向荷載不同，先期固結(jié)壓力大小存在差異，但超固結(jié)段的側(cè)壓力-豎向荷載曲線近似平行，斜率差別不大，在正常固結(jié)段斜率也基本相同。

圖4 初始豎向荷載對(duì)側(cè)壓力-豎向荷載曲線的影響Fig.4 Effect of Initial Vertical Load on the Lateral Pressure-Vertical Load Curve

3 增濕含水率的影響

從表3 中的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，試樣增濕后的變形率隨增濕含水率的增大而單調(diào)增大，而側(cè)壓力隨增濕含水率的增加先增大而后減小。

增濕完成后，進(jìn)行加載固結(jié)試驗(yàn)，孔隙比-豎向荷載曲線如圖5 所示，側(cè)壓力-豎向荷載曲線如圖6 所示。由圖5 可知，當(dāng)增濕含水率較小時(shí)（不超過3.4%），試樣在250 kPa 的豎向荷載內(nèi)處于超固結(jié)狀態(tài)，壓縮模量較大，變形不明顯；此時(shí)側(cè)壓力-豎向荷載曲線近似線性，增濕含水率越小，孔隙比-豎向荷載曲線、側(cè)壓力-豎向荷載曲線的斜率越?。ㄒ妶D6）。當(dāng)增濕含水率較大時(shí)（≥6.1%），試樣在加載中出現(xiàn)了正常固結(jié)段，如圖5 所示，增濕含水率越大，測(cè)得的先期固結(jié)壓力越??；同時(shí)，側(cè)壓力-豎向荷載曲線不僅出現(xiàn)了超固結(jié)段，也出現(xiàn)了正常固結(jié)段（見圖6）。若將圖6中的曲線都用直線擬合，直線的斜率隨著含水率的增加從0.19 增加到0.46，根據(jù)彈性理論的公式和斜率，可容易的算出相應(yīng)的泊松比（從0.16增加到0.32）。

圖5 增濕含水率對(duì)壓縮曲線的影響Fig.5 EffectofIncreasedWaterContentontheCompressionCurve

圖6 增濕含水率對(duì)側(cè)壓力-豎向荷載曲線的影響Fig.6 Effect of Increased Water Content on the Lateral Pressure-Vertical Load Curve

雖然增濕含水率較低時(shí)的試樣在豎向荷載增加時(shí)側(cè)壓力增加并不顯著，但由于其增濕后產(chǎn)生的側(cè)壓力較大，在后續(xù)固結(jié)試驗(yàn)中仍表現(xiàn)出較大的側(cè)壓力。由此可見，若不考慮黏土增濕過程中產(chǎn)生的側(cè)壓力，而僅考慮豎向荷載引起的側(cè)壓力，會(huì)低估作用在擋墻上的側(cè)向荷載。

4 結(jié)論

本文用K0固結(jié)儀測(cè)量了重塑黏土從非飽和狀態(tài)下增濕后的側(cè)壓力，以及增濕穩(wěn)定后固結(jié)過程中的側(cè)壓力，探究了初始豎向荷載和增濕含水率對(duì)側(cè)壓力的影響。得到的結(jié)論和建議如下：

⑴ 當(dāng)初始豎向荷載較小時(shí)，重塑黏土?xí)蛎洠憩F(xiàn)出較大的側(cè)壓力，甚至出現(xiàn)土壓力系數(shù)大于1的現(xiàn)象。主動(dòng)土壓力或靜止土壓力理論會(huì)低估黏土擋墻上部的側(cè)壓力。

⑵ 較小的增濕含水率也會(huì)使黏土側(cè)壓力明顯增加，用飽和狀態(tài)的側(cè)壓力來估算黏土非飽和狀態(tài)的側(cè)壓力偏于危險(xiǎn)。

⑶ 不管初始豎向荷載為多大，充分吸水后的重塑黏土在正常固結(jié)狀態(tài)下的側(cè)壓力-豎向荷載曲線斜率基本相同，超固結(jié)狀態(tài)下的側(cè)壓力-豎向荷載曲線斜率也比較接近。

⑷ 增濕含水率越大，側(cè)壓力在固結(jié)過程中隨豎向荷載的增加而增大的程度越明顯。