基于压缩试验的花岗岩残积粘性土变形指标确定

于月娥 程小勇

(1.广东技术师范学院天河学院,广东广州 510540;2.广东省水利电力规划勘测设计研究院,广东广州 510170)

花岗岩残积土在我国南部、东部分布广泛[1～3](见图1),而且厚度较大,在闽粤沿海地区厚度一般为20～35 m[4],厦门地区最厚达70 m。因此,花岗岩残积土是南方沿海地区基本建设中遇到的主要土体之一。近年来,随着城市化进程的加快,花岗岩残积土地基、边坡等工程问题大量涌现,桩基失效和边坡失稳等工程事故时有发生。因此,从工程的实际需要出发,开展花岗岩残积土的工程特性及工程问题研究,无疑是一个重要而急迫的研究课题。

工程土体的变形是其重要力学性质之一[5～6],花岗岩残积土作为南方工程中比较常见的土体之一,它的变形特性是计算路堑、路堤、地基变形、土坝、隧道和斜坡稳定性,以及支挡建筑物的设计计算的重要参数。

本文以重塑花岗岩残积粘性土[7](以下简称“残积土”)为研究对象,通过压缩试验[8]测定试样在侧限与轴向排水条件下的变形和压力,得到孔隙比(e0)、变形指标(压缩系数av、压缩模量Es)与饱和度的关系,从而确定变形指标与孔隙比、饱和度的关系式。

图1 中国花岗岩风化壳分布示意[9]

1 室内压缩试验方法及试验方案

在天然状态下,花岗岩残积土的平均孔隙比一般比较大,表明压缩的体积较大。工程实践表明,残积土是一种南方常见的工程土体,通常使用常规试验手段进行研究。

按土工试验方法标准(SL237-015-1999)进行室内固结试验,测定土的压缩系数(av)、压缩模量(Es)。试验按5级依次加载,各级荷载分别为50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa,每级荷载历时为 1 h,读数需历时24 h。

残积土的单向压缩试验是在一定固结压力作用下,测定花岗岩残积土变形与时间的关系,使残积土试样分别在 100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa 的荷载作用下,记录随时间变化试样的高度变化值。

试验仪器为WG-1型三联固结仪,固结仪的压缩容器示意如图2所示。试验制备尺寸为:直径61.8 mm,高度20 mm。残积土取自广州市燕塘,均为重塑扰动土样。

图2 固结仪的压缩容器示意

试样初始孔隙比(e0)由式(1)得出

式中,Gs为土粒比重,ρw为水的密度/(g/cm3),ρ0为试样初始密度/(g/cm3),w0为试样初始含水率/%。

各级压力下固结稳定后的孔隙比(ei)按式(2)计算

式中,ei为某级压力下的孔隙比,Δhi为某级压力下试样高度变化(cm),h0为试样初始高度(cm)。

某一级压力范围内的压缩系数av按式(3)计算

式中,pi为某一压力值/kPa。

某一压力范围内的压缩模量(Es)按式(4)计算

由以上计算公式可知,只要已知初始条件p0=0时试样高度(H0)和初始孔隙比(e0),就可以计算每级荷载作用下的孔隙比(ei),由(pi,ei)可以绘出e-p曲线或者e-lg p曲线。

2 残积土孔隙比、变形指标与饱和度的关系

本试验以不同饱和度(Sr)的残积土为研究对象,进行室内固结试验。试样在各级压力下的高度变化值如表1所示,表2为各组试样孔隙比,压缩系数与压缩模量如表3所示。

表1 各组试样不同压力下高度变化值

表2 各组试样不同压力下的孔隙比

表3 残积土压缩试验结果

根据试验数据整理,可以得到不同饱和度状态下的残积土e-p曲线,如图3所示。

图3 残积土不同饱和度的e-p曲线

对比不同饱和度状态下的残积土的压缩指标可以发现,在保持侧限的试验条件下,随着含水量的增大,残积土中的粘土矿物及氧化物被水溶解,土样随之软化,强度降低,压缩性增大(如图4、图5所示)。含水量19.19%土样的压缩模量为6.43 MPa,而含水量30.49%的残积土样的压缩模量为3.77 MPa,两者相比较可以发现,后者的压缩模量比前者降低了41.37%。可见,随着含水量的增加,残积土被软化的效应越显著,压缩性增大,工程特性明显降低。

图4 残积土压缩系数a0.1-0.2与含水量关系

为了进一步深入研究孔隙比e与压力p及饱和度Sr的关系,从图6观察分析可知,一定垂直压力作用下,残积土的孔隙比(e)与饱和度(Sr)具有很好的线性关系,故采用直线来拟合各点。绘制在同一压力下,孔隙比(e)与饱和度(Sr)的关系曲线,如图7所示。不同垂直压力作用下,残积土的孔隙比与饱和度的拟合公式见表4。通过回归分析,可得到一定垂直压力作用下,残积土孔隙比(e)与饱和度(Sr)的关系方程

式中,e为孔隙比,Sr为土体饱和度/%,p为压力/kPa,m为与土体性质类型相关的常数,与压力 p无关,n(p)为饱和度Sr=100时与压力有关的孔隙比。

图5 残积土压缩模量E s0.1-0.2与含水量关系

图6 不同压力下孔隙比e与饱和度S r

表4 不同压力下残积土孔隙比与饱和度拟合关系式

本试验中m,n(p)的取值如表5所示。

表5 m,n(p)的取值

综上分析可得:残积土的压缩指标(av,Es)与饱和度Sr之间存在较好的线性关系,随饱和度的增加,压缩指标随之呈现有规律的变化。在一定垂直压力作用下,残积土的孔隙比(e)与饱和度(Sr)呈线性相关。依据饱和土现有的理论,对于一定区域内的残积土,可以很容易确定饱和残积土的e-p曲线,故n(p)可以通过室内试验测定。

通过以上研究分析可知,m为常数,只要在饱和度Sr=100%的残积土e-p曲线已知的条件下,利用式(5)可以很容易确定该区域内不同饱和度残积土孔隙比e与饱和度Sr的关系。式(5)的得出是在常规试验研究的基础上,探索不同饱和度状态下残积土压缩性的一次尝试,同时对简化单向分层总和法地基沉降量计算,以及相关工程设计和安全监测有着重要的实际意义。

3 残积土压缩系数(a v)和压缩模量(E s)的确定

将式(5)代入压缩系数与压缩模量的表达式,得到在一定垂直压力作用下,残积土压缩系数和压缩模量与饱和度的关系式(6)及式(7)

图7 不同压力下孔隙比e与饱和度拟合关系曲线S r

式中,e0为试样的初始孔隙比,Sri、Sri+1分别为与孔隙比相对应的饱和度,n(pi)、n(pi+1)分别为试样Sr=100时与压力有关的孔隙比。

式(6)和(7)可以看出,只要利用压缩试验测得饱和状态下花岗岩粘性土的e-p曲线,就可以得出不同饱和度(含水量)状态下,残积土的的压缩系数和压缩模量,减少了室内试验的工作量。

4 结论

残积土的孔隙比(e)与饱和度(Sr)具有很好的线性关系;随着含水量的增加,残积土被软化的效应越显著,压缩性增大,工程特性明显降低。

利用压缩试验确定残积土变形指标(压缩系数av和压缩模量Es)的方法,能够很好的反应残积土的天然状态,减小室内试验工作量,有效提高残积土变形指标确定的效率。

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