粉質(zhì)粘土路基固結(jié)變形等問題

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1、粉質(zhì)粘土路基沉降變形等問題研究——學(xué)習(xí)筆記建筑與土木工程祁曉翔2012.11.03土力學(xué)中包含飽和土和非飽和土兩個主要研究對象。地球表面廣泛分布的低含水率湖泊沉積物以及工程中的壓實土都屬于非飽和土范疇。非飽和土除了土顆粒、孔隙水、孔隙氣三相外，還存在第四相——收縮膜。通常將作用于收縮膜上的孔隙氣壓力和孔隙水壓力的差值，稱為基質(zhì)吸力。與飽和土不同的是，非飽和土的孔隙水壓力相對于孔隙氣壓力而言是負(fù)值。由于非飽和土內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，這類土的性狀難以用經(jīng)典土力學(xué)來解釋，從而引起實際工程設(shè)計和計算中出現(xiàn)較大偏差，甚至是錯誤。此外，外界環(huán)境的變化常常會引起土體的飽和度發(fā)生改變

2、，進(jìn)而對土體的工程力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生直接影響，因此深入研究非飽和土的固結(jié)壓縮特性和變形機(jī)理顯得尤為重要，對非飽和土在工程實際中的應(yīng)用具有重要意義。目前，軟土路基的沉降機(jī)理已經(jīng)有較為完善的理論基礎(chǔ)，但對于非飽和土路基沉降方面的研究還不多見。高速路尤其是高速鐵路對路基的穩(wěn)定性和沉降變形控制提出了很高的要求。這在高速鐵路路基設(shè)計研究中主要體現(xiàn)在，一方面，最終沉降量和最終沉降完成時間的分析和預(yù)測；另一方面，沉降變形過程中非飽和土的物理力學(xué)性質(zhì)的變化。同時，由于引起非飽和土地基沉降的因素較多，加之對非飽和土的物理力學(xué)性質(zhì)和沉降機(jī)理認(rèn)識不清，非飽和土路基的沉降特性對路基的長期穩(wěn)

3、定性和線路的施工時間起著決定性作用，因此有必要對非飽和粉土和粉質(zhì)粘土的固結(jié)沉降特性進(jìn)行研究。非飽和土沉降特性研究已取得的一些成果根據(jù)武廣高鐵、鄭西高鐵咨詢，目前國內(nèi)外均無較為成熟的非飽和土沉降計算理論,很難確定非飽和土沉降變形與時間的關(guān)系。但有一個共識：非飽和土地基加載后,地基大部分沉降可在較短時間完成。根據(jù)“九寨黃龍機(jī)場高填方體復(fù)雜地基處理及填筑體施工關(guān)鍵技術(shù)問題研究”的研究報告中有“結(jié)合現(xiàn)場觀測和室內(nèi)大型離心模型試驗，得出了非飽和土工后變形僅占總變形量的10～15％，且這部分變形能在5個月內(nèi)完成80％的重要結(jié)論。鐵四院在“軟土地基沉降估算方法及不同地基處理

4、方法加固效果的研究”的研究報告中有“填筑完成時，中等壓縮性土層沉降完成比例約為50％，預(yù)壓9個月后，完成比例約為90～95％”結(jié)論?！吧钲诘貐^(qū)花崗巖殘積土工程特性的研究”認(rèn)為：“殘積土的固結(jié)系數(shù)相當(dāng)于粉土一級，在工程中常具有較快的固結(jié)速度，變形穩(wěn)定時間在最初加荷階段穩(wěn)定所需時間較短，一般80％～90％的沉降量發(fā)生在施工期’’。研究實驗概述對非飽和土而言，飽和度高低決定其內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征和孔隙介質(zhì)類型，直接影響土體的固結(jié)壓縮特性及變形機(jī)理。試驗中重點考慮不同飽和度下土體的變形規(guī)律，尤其是非飽和土固結(jié)過程中的水氣運動規(guī)律。但要將土中水和孔隙氣分離開非常困難，因此非飽和

5、土試驗對試驗儀器和操作過程的精度要求很高，由于粘性土的固結(jié)滲流速度緩慢，導(dǎo)致非飽和土的試驗時間相對較長。試驗土樣取自膠濟(jì)高鐵客運專線試驗工點，基本物理力學(xué)參數(shù)見表試驗分3部分完成：(1)采用WG-IA三聯(lián)固結(jié)儀進(jìn)行常規(guī)固結(jié)試驗。試驗方法采用24h加荷標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)法，試驗過程嚴(yán)格按照《鐵路工程土工試驗規(guī)程》(JTJ057--2004)、《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB／T50123--1999)進(jìn)行。(2)采用GDS非飽和三軸試驗儀進(jìn)行K0固結(jié)試驗。試樣由原狀土切削而成，試驗尺寸D×H=50mm×100mill。試驗前對陶土板底座進(jìn)行反壓飽和，并且徹底排除試驗管路中的空氣

6、。為避免出現(xiàn)氣蝕現(xiàn)象，采用軸平移技術(shù)量測非飽和土的初始基質(zhì)吸力。試驗中同步施加圍壓和氣壓力，并始終保持圍壓高于氣壓5kPa，以模擬試樣的無壓狀態(tài)。試驗過程中圍壓的加載速率控制在10kPa／h。以防止試樣發(fā)生過大的側(cè)向變形導(dǎo)致軸向傳感器來不及調(diào)整。(3)進(jìn)行控制基質(zhì)吸力的非飽和粉質(zhì)粘土固結(jié)試驗。將土樣控制在常基質(zhì)吸力下，改變凈圍壓。按照相同的固結(jié)比進(jìn)行分級加載以模擬現(xiàn)場實際的應(yīng)力狀態(tài)。固結(jié)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)：軸向變形量不超過0.01mm／h，排水量2h不超過，每級荷載固結(jié)時間不少于24小時。OA段土體含水量較高，土中孔隙充滿水，土顆粒接觸點的水膜是連續(xù)的，基質(zhì)吸力隨含水量

7、的變化顯著。AB段基質(zhì)吸力隨含水量的變化幅度較OA段小，該階段是土體由水封閉向氣封閉轉(zhuǎn)化的過程。BC段土的含水量較低，土中孔隙氣連通，水量的微小變化會引起基質(zhì)吸力的劇烈增加。圖中A、B兩點分別對應(yīng)土體的進(jìn)氣值和殘余含水量，非飽和粉質(zhì)粘土的進(jìn)氣值約為25kPa，含水量23．6％，殘余含水量約11．87％。粉質(zhì)粘土水土特性通常將基質(zhì)吸力和含水量的關(guān)系曲線稱為水土特征曲線。水土特征曲線從一定程度上反映非飽和土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，決定其工程力學(xué)性質(zhì)。但目前水土特征曲線只能用試驗的方法確定。圖1是非飽和粉質(zhì)粘土水土特征曲線，按含水量由高到低的順序可分為3段：根據(jù)圖1把氣相形態(tài)與

8、水土特征曲線對應(yīng)起來，將非飽和粉質(zhì)粘土