陳賀欣, 陸 國(guó), 沈銀斌, 楊成斌, 王 杰

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.金科地產(chǎn)華東大區(qū)浙江公司,浙江 杭州 311200; 3.機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司 安徽分公司,安徽 合肥 230051)

近年來(lái),隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、城市規(guī)模擴(kuò)大,出現(xiàn)了越來(lái)越多的高層、超高層建筑,這對(duì)基礎(chǔ)承載力建設(shè)提出更高的要求。土的剪脹性在高層、超高層建筑的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和施工中是不可忽視的影響因素,預(yù)制樁施工中引起的顯著地表隆起和鄰近樁體傾斜與斷裂,均與土的剪脹性密切相關(guān)。

關(guān)于土體的剪脹性,相關(guān)研究成果較豐富。針對(duì)砂性土及粗粒土,文獻(xiàn)[1]通過(guò)分析主應(yīng)力方向?qū)ι巴良裘浶缘挠绊?提出含有主應(yīng)力方向的狀態(tài)參量,并建立相應(yīng)的剪脹方程;文獻(xiàn)[2]開(kāi)展不同固結(jié)方式、不同應(yīng)力路徑、不同圍壓下的三軸壓縮試驗(yàn),探究砂土在不同條件下的剪縮、剪脹變化規(guī)律及剪脹性變化趨勢(shì);文獻(xiàn)[3]通過(guò)實(shí)驗(yàn)探討圍壓、母巖性質(zhì)、密度及應(yīng)力路徑等因素對(duì)粗粒土剪脹性的影響;文獻(xiàn)[4]研究低圍壓至高圍壓范圍內(nèi),砂土相對(duì)密度和圍壓對(duì)土體強(qiáng)度和變形特性的影響。在黏性土方面,文獻(xiàn)[5] 針對(duì)超固結(jié)飽和黏性土,提出能夠反映不同超固結(jié)比(overconsolidation ratio,OCR)下土的變形、剪脹、孔隙水壓力變化特性和規(guī)律的本構(gòu)模型;文獻(xiàn)[6]研究OCR對(duì)海相沉積軟黏土熱固結(jié)特性的影響,擬合得到考慮OCR影響的熱固結(jié)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式;文獻(xiàn)[7]研究不同OCR及不同含砂量對(duì)重塑土體剪脹特性的影響;文獻(xiàn)[8] 研究不同OCR和應(yīng)力速率對(duì)膨脹土卸荷力學(xué)特性的影響。針對(duì)合肥硬黏土,文獻(xiàn)[9-10]分析不同OCR土體的抗剪強(qiáng)度、剪切指標(biāo)等規(guī)律。

上述剪脹性研究大多是針對(duì)砂土和粗顆粒土,對(duì)于硬黏土這種結(jié)構(gòu)性土的剪脹性研究較少,且針對(duì)不同OCR原狀土樣與重塑土樣的對(duì)比研究較少。合肥硬黏土在歷史上由于地質(zhì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的卸荷作用,土層的前期固結(jié)壓力大于現(xiàn)覆土層壓力,具有典型的超固結(jié)性。本文通過(guò)三軸剪脹試驗(yàn),分析合肥地區(qū)典型硬黏土的剪脹性與OCR的關(guān)系,并與重塑土進(jìn)行對(duì)比分析;通過(guò)制備不同OCR擾動(dòng)土樣,分析重塑對(duì)剪脹特性的影響。

1 試驗(yàn)內(nèi)容與方案

1.1 試樣制備

原狀土樣取自合肥肥西金田產(chǎn)業(yè)園區(qū)典型硬黏土地區(qū)。采用環(huán)刀切土取樣,并對(duì)采集的試樣開(kāi)展基本物理性質(zhì)實(shí)驗(yàn),得到原狀硬黏土基本物理力學(xué)性能參數(shù)取值,見(jiàn)表1所列。表1中,密度、干密度的單位為g/cm3。

表1 原狀硬黏土基本物理力學(xué)性能參數(shù)取值

重塑土采用分層擊實(shí)法制備,擊實(shí)桶內(nèi)徑與試樣直徑相同,擊錘直徑略小于桶內(nèi)徑。根據(jù)設(shè)計(jì)要求的干密度和含水率確定所需濕土質(zhì)量,分6層依次倒入擊實(shí)桶內(nèi),并分層擊實(shí),達(dá)到最大壓實(shí)效果;擊實(shí)結(jié)束后,將試樣兩端整平。為確保不同試樣的壓實(shí)性保持一致,要確保土的含水率、錘擊次數(shù)、篩選粒徑和分層厚度等保持一致,以取土深度12 m的基本物理性質(zhì)進(jìn)行控制。重塑土的基本物理性質(zhì)如下:含水率為24.6 %,干密度為1.61 g/cm3,孔隙比為0.707。

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用TSZ-1型應(yīng)變式三軸試驗(yàn)儀,試樣尺寸(直徑×高度)為39.1 mm×80.0 mm,共4組土樣,其中3組為原狀土樣(編號(hào)為1、2、3),1組為擾動(dòng)重塑土樣(編號(hào)為4)。原狀土樣每組分別包括取土深度為3、8、12 m的3個(gè)土樣。擾動(dòng)重塑土樣取土深度均為12 m,為保證重塑土與原狀土的對(duì)應(yīng)關(guān)系,在原狀土試樣試驗(yàn)后,用該原狀土制備重塑土樣,并盡量控制其基本物理性質(zhì)與原狀土一致,重塑土的壓實(shí)效果接近原狀土的密實(shí)度,以此與原狀土樣進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。重塑硬黏土試樣圖片如圖1所示。

本次試驗(yàn)為不固結(jié)不排水三軸剪切試驗(yàn),試樣采用抽氣飽和法,剪切速率為0.3 mm/min,圍壓為150 kPa。共4組試驗(yàn),其中1組為重塑土對(duì)比試驗(yàn)。

OCR是表達(dá)超固結(jié)性的一個(gè)重要參數(shù),研究合肥硬黏土OCR與剪脹性之間的關(guān)系,需要確定硬黏土的OCR(Roc),計(jì)算公式為:

Roc=pc/p0

(1)

其中:pc為土層前期固結(jié)壓力;p0為土層自重壓力。本文根據(jù)室內(nèi)固結(jié)試驗(yàn)的e-lgp曲線(e為孔隙比,p為土層壓力)確定pc值。試驗(yàn)方案見(jiàn)表2所列。

圖1 重塑硬黏土試樣圖片

表2 三軸剪切試驗(yàn)方案

為了進(jìn)一步分析初始結(jié)構(gòu)對(duì)合肥硬黏土剪脹性的影響,制備OCR分別為1、2、4、8的重塑硬黏土試樣,對(duì)應(yīng)pc/p0值分別為800/800、800/400、800/200、800/100。

重塑土制備與試驗(yàn)方法如下:將土樣加載到需要的較高荷載800 kPa,排水固結(jié),用于產(chǎn)生土的前期固結(jié)壓力,然后逐級(jí)降低圍壓,達(dá)到預(yù)定的剪切圍壓,制備OCR分別為1、2、4、8的土樣;試樣的每級(jí)荷載固結(jié)時(shí)間為2 d,等向固結(jié)完成后,對(duì)試樣開(kāi)始軸向剪切,剪切速率為0.002 mm/min。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 原狀土與重塑土對(duì)比分析

4組試樣體積剪脹率(體應(yīng)變)、偏應(yīng)力隨軸向應(yīng)變的變化曲線分別如圖2～圖5所示。

由圖2～圖4可知,隨著軸向應(yīng)變?cè)龃?體應(yīng)變、偏應(yīng)力在初始階段呈線性增長(zhǎng),最終趨于穩(wěn)定。從圖2可以看出,取土深度3 m的原狀土試樣OCR值為4.43～4.68,最大體積剪脹率(體應(yīng)變)為2.5%～3.0%,對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變趨于5%,偏應(yīng)力最終穩(wěn)定在270～280 kPa范圍。

圖2 第1組試樣體積剪脹率、偏應(yīng)力隨軸向應(yīng)變變化曲線

圖3 第2組試樣體積剪脹率、偏應(yīng)力隨軸向應(yīng)變變化曲線

圖4 第3組試樣體積剪脹率、偏應(yīng)力隨軸向應(yīng)變變化曲線

圖5 第4組試樣體積剪脹率、偏應(yīng)力隨軸向應(yīng)變變化曲線

從圖3可以看出,取土深度8 m的原狀土試樣OCR值為3.54～3.85,最大體積剪脹率(體應(yīng)變)為1.7%～1.8%,對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變趨于7%,偏應(yīng)力最終穩(wěn)定在250～270 kPa范圍。

從圖4可以看出,取土深度12 m原狀土試樣OCR值為2.70～2.88,最大體積剪脹率(體應(yīng)變)為1.1%～1.2%,對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變趨于8%,偏應(yīng)力最終穩(wěn)定在190～210 kPa范圍。

從圖5可以看出,第4組試樣為重塑土(以取土深度為12 m土樣的基本物理性質(zhì)進(jìn)行控制),擾動(dòng)試樣受偏應(yīng)力的作用,剪切初期先發(fā)生剪縮,后轉(zhuǎn)為剪脹,最大體積剪脹率(體應(yīng)變)為0.7%～0.8%,與同深度原狀土試樣相比,最大體積剪脹率降低33.3%～36.4%,偏應(yīng)力最終穩(wěn)定在200 kPa左右。由此可見(jiàn),擾動(dòng)土破壞了原狀土體的原始致密結(jié)構(gòu),剪脹效應(yīng)明顯降低。

通過(guò)對(duì)比取自不同深度的原狀土樣三軸試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),土樣的OCR越大,剪脹性越大,且有較強(qiáng)的相關(guān)性;OCR越小的土體,達(dá)到最大體積剪脹率時(shí)所對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變?cè)酱?反之則越小。

對(duì)原狀土樣最大體積剪脹率(體應(yīng)變)和OCR數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,結(jié)果如圖6所示。

由圖6擬合曲線得到體應(yīng)變?chǔ)舦與OCR的關(guān)系式為:

εv=0.37x2-1.81x+3.37

(2)

其中,x為OCR。根據(jù)(2)式可得,在一定范圍內(nèi),OCR與最大體積剪脹率(體應(yīng)變)呈拋物線關(guān)系曲線,擬合效果R2=0.99。這說(shuō)明在一定條件下,OCR與最大體積剪脹率具有較強(qiáng)的相關(guān)性。

圖6 原狀土最大體積剪脹率-OCR關(guān)系擬合曲線

2.2 不同OCR重塑土對(duì)比分析

為了進(jìn)一步分析初始結(jié)構(gòu)對(duì)剪脹性的影響,制備OCR分別為1、2、4、8的重塑硬黏土試樣,進(jìn)行對(duì)比分析,試驗(yàn)結(jié)果如圖7、圖8所示。

由圖8a可知:OCR為1的土樣只有剪縮現(xiàn)象,最大體應(yīng)變?yōu)?2.70%;OCR為2的土樣出現(xiàn)先剪縮后剪脹的現(xiàn)象,剪脹現(xiàn)象不明顯,最大體應(yīng)變?yōu)?.27%;OCR為4時(shí),土樣只有剪脹現(xiàn)象,最大體應(yīng)變?yōu)?.67%,OCR為8時(shí),土樣同樣只有剪脹現(xiàn)象,最大體應(yīng)變?yōu)?.30%。由此可見(jiàn),隨著OCR增大,最大體積剪脹率(體應(yīng)變)也不斷增大。

圖7 不同OCR重塑硬黏土破壞后的狀態(tài)圖片

圖8 不同OCR重塑土樣體積剪脹率、偏應(yīng)力隨軸向應(yīng)變的變化

由圖8b可知,OCR為1時(shí),土體偏應(yīng)力隨軸向應(yīng)變?cè)龃蠖粩嘣黾?最終趨近于200 kPa;OCR為2時(shí),土體偏應(yīng)力增大到200 kPa后又逐漸降低,最終趨于200 kPa;OCR為4時(shí),土體偏應(yīng)力增大到260 kPa左右,在軸向應(yīng)變8%左右開(kāi)始降低,而OCR為8時(shí),土體偏應(yīng)力增大到350 kPa左右開(kāi)始減小,最終都趨于200 kPa。由此可見(jiàn),OCR小于2的土體,只發(fā)生應(yīng)變硬化現(xiàn)象,而OCR大于2的土體,出現(xiàn)應(yīng)變軟化現(xiàn)象,由此推斷OCR為2是發(fā)生應(yīng)變硬、軟化轉(zhuǎn)變的臨界點(diǎn)。

對(duì)上述不同OCR重塑土樣的試驗(yàn)結(jié)果作線性相關(guān)性分析,發(fā)現(xiàn)OCR與最大體積剪脹率(體應(yīng)變)存在一定的線性相關(guān),如圖9所示。

圖9 不同OCR重塑土樣體積剪脹率-OCR關(guān)系曲線

擬合關(guān)系式為:

εv=1.34x-3.37

(3)

其中,x為OCR。擬合效果R2=0.97。

由(3)式可知,OCR與最大體積剪脹率表現(xiàn)出良好的相關(guān)性。將原狀土樣的OCR值代入(2)式得到原狀土的體積剪脹率,并與重塑土體積剪脹率相比較,發(fā)現(xiàn)重塑土樣的體積剪脹率降低5%～51%,并且OCR越大,重塑土的體積剪脹率降低程度越明顯,這是由于重塑過(guò)程中破壞了土顆粒原來(lái)的致密結(jié)構(gòu),增大了顆粒間的孔隙。

合肥地區(qū)硬黏土的OCR[11]為 1.70～7.50,平均值約為3.00,硬黏土地區(qū)施工地連墻或送樁時(shí),土體受到大范圍的剪切破壞,會(huì)產(chǎn)生顯著的體積膨脹,OCR越大的土體,產(chǎn)生的體積剪脹率就越大,給工程帶來(lái)很大影響,如樁體傾斜、地表隆起、基坑隆起等。

3 結(jié) 論

(1) 在一定范圍內(nèi),OCR越小的硬黏土,達(dá)到最大體積剪脹率(體應(yīng)變)時(shí)對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變?cè)酱?反之則越小。

(2) 同源同深度重塑土與原狀土相比,重塑土體的原結(jié)構(gòu)受到破壞,重塑土的最大體積剪脹率降低33.3%～36.4%。

(3) 對(duì)于合肥硬黏土,在一定范圍內(nèi),原狀土的OCR與最大體積剪脹率(體應(yīng)變)呈拋物線相關(guān)關(guān)系,且OCR越大,剪脹性越大。

(4) 重塑土OCR與最大體積剪脹率(體應(yīng)變)存在一定的線性相關(guān);與原狀土相比,重塑土樣的體積剪脹率降低5%～51%,且OCR越大,重塑土的體積剪脹率降低程度越大。