粉質(zhì)粘土路基固結(jié)變形等問題.pptVIP

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，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)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1015，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9095”結(jié)論。 “深圳地區(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)(GBT50123-1999)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DH=50mm100mill。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。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10kPah。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?；|(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0.01 mmh，排水量2 h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236，殘余含水量約1187。,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)與水土特征曲線對應(yīng)起來，將非飽和粉質(zhì)粘土按照氣相形態(tài)分為3種類型： (1)氣相完全連通(飽和度 85)。 學(xué)者包承綱等提出水土特征曲線的進(jìn)氣值與氣相完全封閉和氣相內(nèi)部連通的分界點相對應(yīng)，殘余含水量與氣相內(nèi)部連通和氣相完全連通的分界點對應(yīng)。由此可以得出非飽和粉質(zhì)粘土水土特征曲線的變化規(guī)律： 當(dāng)含水量高于236( =828)時，土體對應(yīng)于氣相完全封閉；當(dāng)含水量低于1187( =529)時，土中氣體已經(jīng)完全連通；含水量介于兩值之間時，水氣轉(zhuǎn)換幅度大，性質(zhì)變化劇烈。,粉質(zhì)粘土固結(jié)壓縮特性,（1）瞬時沉降 非飽和土受外荷載作用產(chǎn)生的沉降主要是由瞬時沉降和固結(jié)沉降兩部分組成。其中瞬時沉降是由剪應(yīng)力引起的，加荷初期孔隙水和孔隙氣來不及排出，土體的體積沒有變化。此時，瞬時沉降可按照以下彈性力學(xué)公式近似計算： 式中： 為形狀系數(shù)； 為土的泊松比; E為土層的變形模量; B為荷載板直徑或?qū)挾? p為荷載板壓力。從上式可以看出，土泊松比越小，瞬時沉降越大。通過k0固結(jié)試驗得到不同含水量的非飽和土泊松比。,圖2是側(cè)向變形為零時，軸向應(yīng)力隨圍壓的變化曲線。從圖中可以看出，由于試驗過程中初始圍壓的存在，造成軸向應(yīng)力在很短的時間內(nèi)變化較快；但是隨著圍壓的逐漸增大，軸向應(yīng)力與圍壓呈現(xiàn)出線性增長趨勢。圖3為兩種不同含水量的非飽和粉質(zhì)粘土側(cè)壓力系數(shù)和泊松比隨圍壓的變化關(guān)系。圖中側(cè)壓力系數(shù)隨著圍壓的增加逐漸穩(wěn)定，最終穩(wěn)定值即為側(cè)壓力系數(shù)。,（2）固結(jié)沉降,由孔隙水和孔隙氣消散引起的沉降變形稱為固結(jié)沉降。圖4是兩種不同飽和度的土樣在第一級荷載作用下的軸向應(yīng)變一時間關(guān)系曲線。從圖中可以看出土樣的最終變形量基本相同，這是由于最終變形量僅與土骨架的壓縮模量有關(guān)。,試驗中將孔隙水和孔隙氣開始消散作為固結(jié)沉降的時間起點，從表3中可以看出，此類粉質(zhì)粘土的固結(jié)沉降占到最終沉降量的90以上。通過對兩種飽和度土樣所測得的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，飽和度越高的非飽和土瞬時沉降越小，固結(jié)沉降反而越大。,（3）初始飽和度對固結(jié)的影響,非飽和粉質(zhì)粘土固結(jié)時間與初始飽和度的關(guān)系曲線(初始荷載25kPa)如圖5所示。 圖5表明：在低飽和土的范圍內(nèi)，隨著初始飽和度的不斷增加，固結(jié)時間逐漸延長。這是因為土體的初始飽和度越大，孔隙中的氣體越少，而土的透水性遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于透氣性，造成固結(jié)過程更加緩慢。在高飽和土的范圍內(nèi)，由于飽和度的變化會影響孔隙流體的體變模量和土骨架模量的可比性，此時，隨著飽和度的增加，孔隙水已經(jīng)完全連通并且可以傳遞水壓力，高飽和土體的固結(jié)時間開始減小，并逐漸趨近于飽和土的固結(jié)時間。,（4）體變規(guī)律,圖7是不同飽和度下土樣的體積變化曲線，土樣受自身的結(jié)構(gòu)性和飽和度影響產(chǎn)生的體積變化各不相同，變形量與固結(jié)時間無關(guān)。但是，飽和度的高低決定了固結(jié)過程的快慢?？傮w而言，隨著飽和度的增加，固結(jié)速度減慢，固結(jié)過程需要的時間不斷增加。,從表4中可以看出，飽和度低的土體排出的氣相體積占到土體積的614，土體積變化以氣相體積變化為主；飽和度高的土體排出的液相體積占到土體積的858，體積變化以液相體積變化為主。 在原狀土固結(jié)過程中，土體飽和度較低時，土中大孔隙基本與大氣連通，當(dāng)受到外荷載作用時，孔隙氣的消散幾乎在瞬間完成，而孔隙水始終處于張力狀態(tài)，排出體外的速度非常緩慢甚至不可能排出體外，但是可能發(fā)生內(nèi)部的水分遷移，宏觀上表現(xiàn)為土結(jié)構(gòu)變化以氣相體積變化為主。正是由于孔隙氣消散速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于孔隙水的消散速度，導(dǎo)致土體固結(jié)時間相對較短；但是土體飽和度較高時，孔隙氣已經(jīng)形成完全封閉的氣泡，只有少量孔隙氣隨水流移動，孔隙氣不能在短時間內(nèi)完全排出，此時土體積變化主要是孔隙水引起的，土體固結(jié)所需時間相應(yīng)延長。,結(jié)論,(1) 通過對非飽和粉質(zhì)粘土水土特征曲線的分析可以看出，當(dāng)含水量高于236(飽和度為828)時，土體對應(yīng)于氣相完全封閉，土體的進(jìn)氣值約25kPa；當(dāng)含水量低于1187(飽和度為529)時，土體中氣體已經(jīng)完全連通。 (2) 非飽和土的沉降主要分為瞬時沉降和固結(jié)沉降。由于水氣混合物的壓縮性，導(dǎo)致高飽和土的瞬時沉降量比低飽和土的瞬時沉降量小，分別占總沉降的3.7和9.4。非飽和土固結(jié)沉降主要受孔隙水結(jié)構(gòu)形式的影響，高飽和土的固結(jié)沉降量較低飽和土反而大，分別占總沉降的96.3和90.6。 (3) 非飽和土的瞬時沉降量比飽和土的瞬時沉降量大，但是土體的最終沉降量相同，因為土體的最終沉降僅與土骨架的壓縮模量有關(guān)。,(4) 非飽和土固結(jié)過程所需要的時間受初始飽和度