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(gè)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(shí)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(shí)際工程設(shè)計(jì)和計(jì)算中出現(xiàn)較大偏差，甚至是錯(cuò)誤。此外，外界環(huán)境的變化常常會(huì)引起土體的飽和度發(fā)生改變，進(jìn)而對土體的工

2、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(shí)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(jì)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(shí)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(shí)，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(shí)不清，非飽和土路基的沉降特性對路基的長期穩(wěn)定性和線路的施工時(shí)間起著決定性作

3、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(jì)算理論,很難確定非飽和土沉降變形與時(shí)間的關(guān)系。但有一個(gè)共識(shí)：非飽和土地基加載后,地基大部分沉降可在較短時(shí)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(bào)告中有“結(jié)合現(xiàn)場觀測和室內(nèi)大型離心模型試驗(yàn)，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(gè)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方法加固效果的研究”的研究報(bào)告中有“填筑完成時(shí)，

4、中等壓縮性土層沉降完成比例約為50％，預(yù)壓9個(gè)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(shí)間在最初加荷階段穩(wěn)定所需時(shí)間較短，一般80％～90％的沉降量發(fā)生在施工期’’。研究實(shí)驗(yàn)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(yàn)中重點(diǎn)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(yùn)動(dòng)規(guī)律。但要將土中水和孔隙氣分離開非常困難，因此非飽和土試驗(yàn)對試驗(yàn)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

5、度緩慢，導(dǎo)致非飽和土的試驗(yàn)時(shí)間相對較長。試驗(yàn)土樣取自膠濟(jì)高鐵客運(yùn)專線試驗(yàn)工點(diǎn)，基本物理力學(xué)參數(shù)見表試驗(yàn)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(yàn)。試驗(yàn)方法采用24h加荷標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)法，試驗(yàn)過程嚴(yán)格按照《鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTJ057--2004)、《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB／T50123--1999)進(jìn)行。(2)采用GDS非飽和三軸試驗(yàn)儀進(jìn)行K0固結(jié)試驗(yàn)。試樣由原狀土切削而成，試驗(yàn)尺寸D×H=50mm×100mill。試驗(yàn)前對陶土板底座進(jìn)行反壓飽和，并且徹底排除試驗(yàn)管路中的空氣。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(yàn)中同步施加圍

6、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(yàn)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(yàn)。將土樣控制在?；|(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(shí)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(shí)間不少于24小時(shí)。OA段土體含水量較高，土中孔隙充滿水，土顆粒接觸點(diǎn)的水膜是連續(xù)的，基質(zhì)吸力隨含水量的變化顯著。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。

7、BC段土的含水量較低，土中孔隙氣連通，水量的微小變化會(huì)引起基質(zhì)吸力的劇烈增加。圖中A、B兩點(diǎn)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(yàn)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)與水土特征曲線對應(yīng)起來，將非飽和粉質(zhì)粘土