原状黄土高压固结试验研究

杨 帆 黄 泽 肖 丁 张沛然

(延安大学建筑工程学院，陕西 延安 716000)

原状黄土高压固结试验研究

杨 帆 黄 泽 肖 丁 张沛然

(延安大学建筑工程学院，陕西 延安 716000)

运用从延安新区工程建设现场取得的Q3原状黄土，开展了控制不同含水量的高压固结实验，得到了其压缩系数、压缩指数与压缩模量，并分析了Q3黄土的变形特性参数与上部垂直压力和含水率的关系，结果表明：压缩系数与压缩指数都随着含水量的增大而增大，当土体受到的垂直压力与含水率比较大时，压缩模量有先增大后减小的趋势。

Q3黄土,高压固结，压缩系数，压缩指数，压缩模量

1 概述

延安新城区建设是最近两年广受关注的重大工程。“削山填沟”“上山建城”基本都在深厚湿陷性黄土地基上进行。而比较典型的Q3黄土的变形特性对工程地基基础施工有极大的影响。早前，我国著名地质学家刘东生总结出Q3黄土特征为疏松，颗粒均匀，以粉砂为主，大孔隙显著[1]。由于这种特性对地基处理方面带来的负面影响，本文对从延安新区工程建设现场取得的Q3原状黄土开展室内高压固结试验，研究压缩性变化规律对土方工程处理过程中挖方区的有关工程实践具有现实意义。原状Q3黄土受结构性和欠压密度的影响其力学特性比较复杂。到目前为止，湿陷性黄土力学仍停留在经验与理论相结合的水平，不能更大程度满足工程建设的需要[2]。在实际工程方面还需要实地取土进行试验，再结合现有的理论公式进行分析，以得到的实验室数据来支持工程实际设计与施工。借鉴之前研究者在黄土特性方面的实验研究，总结出土体含水率对黄土变形影响较为显著。

本文从延安新城区建设的工程现场取得原状土样，在室内进行高压固结试验，侧重分析含水率可能对原状黄土压缩系数、压缩指数、压缩模量等的影响。

2 试验及结果分析

2.1 试验方法

在同一干密度下，制备不同含水率的原状Q3黄土。由于试验用土初始含水量很低，本实验进行含水量重新配置，配置最低含水率为15%，由于黄土浸水不可避免，再取配置含水率为17%，20%的原状黄土。为了对比高含水率下黄土压缩性的变化继而将含水率配置到22%。试验利用YCDG型三联高压固结仪，每级荷载以24 h为周期缓慢加载。并通过对透水石中含水量与土样含水量近似相等的调节来避免土样中水分的蒸发，以及土样吸水引起的含水量变化问题。

2.2 试验结果分析

取垂直压力在100 kPa～200 kPa内计算的压缩系数来反映土样的压缩性。从表1中数据来看，土样含水率较低时，压缩系数较低，土体表现出了较低的压缩性，此时土样具有较高的强度。垂直压力在400 kPa以内时，从图1中黄土的压缩曲线上明显看出，当含水率增大，整体上压缩系数呈增大趋势。这说明在含水量较大时，土体有较高的压缩性，这可能是由于黄土增湿时黄土结构性软化引起的。这种现象就如著名专家谢定义[2]所提出的水敏性问题，即天然低湿度下具有明显高强度和低压缩性的黄土，在一旦浸水甚至增湿时会发生强度大幅度骤降和变形大幅度突增的特性，会对基础工程带来不利影响。图1中含水率为15%～20%时孔隙比的变化并不是非常显著，但是明显含水率17%比15%的变化幅度要大，含水率增大到22%时，随着垂直压力的增大孔隙比变化显著，说明在高含水率下土体的压缩性是很大的，因此在地基处理方面应注意基坑、边坡的排水和阻水。西安理工大学邵俊生教授提出了对此类问题的解决新技术，其主导思想为：浅层阻水(Impedance)；浅层排水(Drainage)；浅层防水(Interdiction)；封闭截水(Truncation)；深层导水(Irdiltrmion)[4]。这些措施能够有效防止土体渗水引起强度降低而产生的工程事故。

求得各含水率下土样的压缩系数a1-2如表1所示。

表1 压缩系数a1-2

根据实验数据，可以整理出如图2所示的孔隙比与lgp的关系曲线以及计算出压缩指数的具体值。可以看出随着含水率的增大，压缩指数整体上呈增大趋势。在含水率较小时土体表现为低压缩性，如在含水率为15%时孔隙比的变化幅度并不大，而当含水率增加到17%时随着垂直压力的增大孔隙比的变化比15%时要明显。尤其在含水率增大到20%和22%时，曲线出现交替下降，这说明在含水率较高时垂直压力在400 kPa以内土样表现为较高的压缩性。这使得土体在浸水受压时沉降量有明显的增大。压缩指数如表2所示。

表2 压缩指数cc

不同含水量的压缩模量Es曲线。

由于压缩模量是在完全侧限条件下土的竖向附加应力与相应的竖向应变增量之比值。因此土的压缩模量越大，其压缩性越低。那么在地基处理时需要得到此地基土的压缩模量来设计上部结构，以及计算地基沉降。这里绘制了压缩模量与竖向压力的关系曲线来对上部结构设计提供依据(见图3)。下面主要研究含水率对压缩模量的影响。绘制含水率与压缩模量的关系曲线如图4所示。不同含水量压缩曲线见图5。

在压缩模量与含水率的关系曲线上，在一定垂直压力下，含水率增大压缩模量呈先减小后增大的趋势，在垂直压力在25 kPa～50 kPa时，压缩模量随含水率的变化幅度较大，说明在较小压力下含水率增大可以降低土体的压缩性。而当压力逐渐增大在100 kPa～800 kPa范围之内，随着含水率的增大压缩模量变化较平缓。在这种情况下土体含水率对土体压缩性的影响较小，当压力值增大到1 600 kPa时随含水率的增大压缩模量变化显著，含水

率低时，压缩性相对较低，含水率增大到17%～20%时，压缩系数急剧下降，土体压缩性快速增大。在含水率增大到22%时压缩模量回弹增大，压缩性降低。这一现象还需深入研究。对比压缩模量与垂直压力关系曲线，当垂直压力增大时压缩模量整体上呈增大趋势，土体的压缩性降低，沉降量变小。在含水率为20%时压缩模量增大幅度较小。再对比压缩曲线，垂直压力增大孔隙比减小，土体压缩性降低。这些现象表明在地基处理方面可采用预固结时土体压缩性降低来减小地基沉降量。就如牟晓东在处理延安土地基采用的挤密法，既能达到消除地基土的湿陷性，又能降低土层压缩性。另外还有强夯法等，都可以有效的降低土的压缩性，以达到加强地基强度，减小地基沉降量的目的。

3 结语

1)地基土含水率较低时，土样压缩系数和压缩指数一般较低，土体表现为压缩性不高强度较大。当含水率较高时土样压缩性明显增大。

2)土样含水率由低变高，其上部垂直压力小，压缩模量变化显著，先增大后减小再增大；土样上部垂直压力在100 kPa～800 kPa范围内，压缩模量变化不明显但也有先减小后增大的变化趋势。而当压力增大到1 600 kPa时，含水率的变化引起了土样压缩模量曲线振幅的增大。

3)综上，提出在地基处理方面的一些建设性意见。当地基土承受的上部荷载较大时，在设计和施工方面应充分考虑由此引起的地基土较大压缩量，预防由于地基土较大沉降导致的工程事故。同时，研究发现含水率对地基土的压缩性影响较大，在工程施工方面，应严格控制地基土的含水率，特别注意防止由于雨水等渗入导致地基土含水率增大，土体发生较大压缩。总之，应合理控制上部荷载和含水率对地基土的二元影响关系。

[1] 扈胜霞，周云东，陈正汉.非饱和原状黄土强度特性的试验研究[J].岩土力学，2005，26(4)：95.

[2] 谢定义.黄土力学特性与应用研究的过去，现在与未来[J].地下空间，1999(4)：49-53.

[3] 林 伟，段宏飞，薛晓辉.太湖湖积相黏土高压固结实验研究[J].铁道建筑，2010(7)：20.

[4] 陈开胜，沙爱民.压实黄土变形特性[J].岩土力学，2010，31(4)：111.

[5] 牟晓东.延安地区湿陷性黄土的特性及地基处理[J].地基基础工程，2006，9(1)：27-29.

[6] 谢定义.试论我国黄土力学研究中的若干新趋向[J].岩土工程学报，2001，23(1)：11

[7] 陶 虎.综合利用湿陷性黄土特性处理地基的技术研究[J].甘肃水利水电技术，2008，44(5)：88-89.

Research on high-pressure consolidation of undisturbed loess

YANG Fan HUANG Ze XIAO Ding ZHANG Pei-ran

(SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,Yan’anUniversity,Yan’an716000,China)

The paper adopts the Q3undisturbed loess from the construction site of Yan’an New Region project, undertakes the high-pressure consolidation tests by controlling different water contents, concludes its coefficient of compressibility, compression exponent, and modulus of compression, analyzes the relationship between the deformation feature parameter of Q3loess and upper vertical pressure and water contents, and proves by the result that coefficient of compressibility, compression exponent are enlarged with increasing water contents and the modulus of compression has the tendency of the reduction followed by the increase when having larger vertical pressure and water content of the soil body.

Q3loess, high-pressure consolidation, coefficient of compressibility, compression exponent, modulus of compression

1009-6825(2014)28-0079-02

2014-07-26

杨 帆(1993- )，男，在读本科生； 黄 泽(1991- )，男，在读本科生； 肖 丁(1991- )，男，在读本科生； 张沛然(1991- )，男，在读本科生

TU411

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