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較高，在實際工程中常常就地取材，不可避免地會用黏性土作為擋墻后填料。

在填筑黏性土時，黏性土常常處于非飽和狀態(tài)。填筑完成后，填土會因降雨、地下水位升高等因素引起含水率增加。此時，黏性土中的蒙脫石、伊利石、高嶺石等黏土礦物會吸水膨脹［1］，引起作用在擋墻上的側壓力增加，威脅擋墻的安全［2-4］。此外，由于場地的限制，在回填土上時常會存在臨時甚至永久荷載的作用，也會造成擋墻上的側壓力增加。然而，目前關于黏土在不同荷載下增濕、增濕到不同程度的側壓力變化規(guī)律的研究并不多。國外常用改裝后的三軸儀進行試驗［4，5］，此方法對儀器設備、試驗人員的要求較高，試驗并不方便。國內更多的是用飽和試樣進行試驗，常用K0固結儀（靜止土壓力系數儀）測量試樣在豎向荷載下的側壓力［6-8］。雖然K0固結儀操作簡單、試驗方便，但飽和狀態(tài)下的試樣并不能完全模擬實際情況。

為更好地模擬實際情況，本文采用K0固結儀對重塑黏土開展了試驗，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壓力變化規(guī)律，以及增濕后固結過程中的側壓力變化規(guī)律。

1 試驗方案與步驟

1.1 試驗儀器

K0固結儀可測量試樣在側向約束狀態(tài)下的側壓力［6］，如圖1所示，主要由上環(huán)、中環(huán)、底座及橡膠圈等構件組成。試樣在豎向荷載作用下產生的側壓力通過橡膠圈、壓力腔中的無氣水傳遞給壓力傳感器。K0固結儀常常與常規(guī)固結儀的杠桿加壓系統(tǒng)配合使用，用杠桿施加豎向荷載，同時，通過百分表可測得試樣的豎向變形?？蓮脑嚇禹敳炕虻撞孔⑺乖嚇釉鰸瘛Ｅc中環(huán)相連的滴定管中的水柱可對橡膠圈施加5～10 kPa的側壓力，使橡膠圈與試樣側壁貼合。

圖1 K0固結儀示意圖Fig.1 Schematic Graph of the K0 Consolidometer

1.2 試驗方案

試驗所用黏土的顆分曲線如圖2 所示，基本物理參數如下：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。本文進行試驗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側壓力的影響，分別對試樣施加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側壓力的影響，設置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 試驗步驟

將風干黏土過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、內徑為61.8 mm的環(huán)刀中，擊實至20 mm高，然后將擊實后的試樣推入K0固結儀中，用塑料薄膜密封K0固結儀，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，對表1中試樣，從試樣頂部加入充足的水使試樣增濕；對表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的加載方法分級加載，每級荷載保持24 h，然后施加下一級荷載。試驗結束后，取出試樣，稱重并計算增濕含水率。

2 初始豎向荷載的影響

從表1中的結果可以發(fā)現，初始豎向荷載越大，試樣充分增濕后表現出的側壓力越大。當初始豎向荷載較小時，試樣增濕后表現出膨脹的趨勢（變形率為正），此時土壓力系數較大，甚至出現大于1的現象，隨著初設豎向荷載的增加，土壓力系數逐漸減小并趨于穩(wěn)定。

增濕完成后，對試樣進行固結試驗，豎向荷載與孔隙比的半對數關系如圖3 所示?？梢园l(fā)現，固結試驗前施加的初始豎向荷載越大，試樣表現出的先期固結壓力越大，且先期固結壓力都大于初始豎向荷載。這一現象可能與荷載的時間效應有關，在Mesri 等人［10］的試驗中，當正常固結狀態(tài)下黏土試樣的豎向荷載保持一段時間后，黏土試樣會處于超固結狀態(tài)。結合本文試驗結果可知，初始豎向荷載大小及其作用時間都會對黏土的先期固結壓力產生影響。

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

當豎向荷載超過先期固結壓力后，所有試樣都表現出同一試樣的正常固結的狀態(tài)，即所有試樣的正常固結曲線重合，這一現象符合現有的固結理論［1］。

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

圖4 初始豎向荷載對側壓力-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 中的結果可以發(fā)現，試樣增濕后的變形率隨增濕含水率的增大而單調增大，而側壓力隨增濕含水率的增加先增大而后減小。

增濕完成后，進行加載固結試驗，孔隙比-豎向荷載曲線如圖5 所示，側壓力-豎向荷載曲線如圖6 所示。由圖5 可知，當增濕含水率較小時（不超過3.4%），試樣在250 kPa 的豎向荷載內處于超固結狀態(tài)，壓縮模量較大，變形不明顯；此時側壓力-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、側壓力-豎向荷載曲線的斜率越?。ㄒ妶D6）。當增濕含水率較大時（≥6.1%），試樣在加載中出現了正常固結段，如圖5 所示，增濕含水率越大，測得的先期固結壓力越??；同時，側壓力-豎向荷載曲線不僅出現了超固結段，也出現了正常固結段（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，根據彈性理論的公式和斜率，可容易的算出相應的泊松比（從0.16增加到0.32）。

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

圖6 增濕含水率對側壓力-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的試樣在豎向荷載增加時側壓力增加并不顯著，但由于其增濕后產生的側壓力較大，在后續(xù)固結試驗中仍表現出較大的側壓力。由此可見，若不考慮黏土增濕過程中產生的側壓力，而僅考慮豎向荷載引起的側壓力，會低估作用在擋墻上的側向荷載。

4 結論

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

⑴ 當初始豎向荷載較小時，重塑黏土會吸水膨脹，表現出較大的側壓力，甚至出現土壓力系數大于1的現象。主動土壓力或靜止土壓力理論會低估黏土擋墻上部的側壓力。

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

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狀態(tài)下的側壓力-豎向荷載曲線斜率基本相同，超固結狀態(tài)下的側壓力-豎向荷載曲線斜率也比較接近。

⑷ 增濕含水率越大，側壓力在固結過程中隨豎向荷載的增加而增大的程度越明顯。