原狀黃土高壓固結試驗研究

楊 帆 黃 澤 肖 丁 張沛然

(延安大學建筑工程學院，陜西 延安 716000)

原狀黃土高壓固結試驗研究

楊 帆 黃 澤 肖 丁 張沛然

(延安大學建筑工程學院，陜西 延安 716000)

運用從延安新區工程建設現場取得的Q3原狀黃土，開展了控制不同含水量的高壓固結實驗，得到了其壓縮系數、壓縮指數與壓縮模量，并分析了Q3黃土的變形特性參數與上部垂直壓力和含水率的關系，結果表明：壓縮系數與壓縮指數都隨著含水量的增大而增大，當土體受到的垂直壓力與含水率比較大時，壓縮模量有先增大后減小的趨勢。

Q3黃土,高壓固結，壓縮系數，壓縮指數，壓縮模量

1 概述

延安新城區建設是最近兩年廣受關注的重大工程?！跋魃教顪稀薄吧仙浇ǔ恰被径荚谏詈駶裣菪渣S土地基上進行。而比較典型的Q3黃土的變形特性對工程地基基礎施工有極大的影響。早前，我國著名地質學家劉東生總結出Q3黃土特征為疏松，顆粒均勻，以粉砂為主，大孔隙顯著[1]。由于這種特性對地基處理方面帶來的負面影響，本文對從延安新區工程建設現場取得的Q3原狀黃土開展室內高壓固結試驗，研究壓縮性變化規律對土方工程處理過程中挖方區的有關工程實踐具有現實意義。原狀Q3黃土受結構性和欠壓密度的影響其力學特性比較復雜。到目前為止，濕陷性黃土力學仍停留在經驗與理論相結合的水平，不能更大程度滿足工程建設的需要[2]。在實際工程方面還需要實地取土進行試驗，再結合現有的理論公式進行分析，以得到的實驗室數據來支持工程實際設計與施工。借鑒之前研究者在黃土特性方面的實驗研究，總結出土體含水率對黃土變形影響較為顯著。

本文從延安新城區建設的工程現場取得原狀土樣，在室內進行高壓固結試驗，側重分析含水率可能對原狀黃土壓縮系數、壓縮指數、壓縮模量等的影響。

2 試驗及結果分析

2.1 試驗方法

在同一干密度下，制備不同含水率的原狀Q3黃土。由于試驗用土初始含水量很低，本實驗進行含水量重新配置，配置最低含水率為15%，由于黃土浸水不可避免，再取配置含水率為17%，20%的原狀黃土。為了對比高含水率下黃土壓縮性的變化繼而將含水率配置到22%。試驗利用YCDG型三聯高壓固結儀，每級荷載以24 h為周期緩慢加載。并通過對透水石中含水量與土樣含水量近似相等的調節來避免土樣中水分的蒸發，以及土樣吸水引起的含水量變化問題。

2.2 試驗結果分析

取垂直壓力在100 kPa～200 kPa內計算的壓縮系數來反映土樣的壓縮性。從表1中數據來看，土樣含水率較低時，壓縮系數較低，土體表現出了較低的壓縮性，此時土樣具有較高的強度。垂直壓力在400 kPa以內時，從圖1中黃土的壓縮曲線上明顯看出，當含水率增大，整體上壓縮系數呈增大趨勢。這說明在含水量較大時，土體有較高的壓縮性，這可能是由于黃土增濕時黃土結構性軟化引起的。這種現象就如著名專家謝定義[2]所提出的水敏性問題，即天然低濕度下具有明顯高強度和低壓縮性的黃土，在一旦浸水甚至增濕時會發生強度大幅度驟降和變形大幅度突增的特性，會對基礎工程帶來不利影響。圖1中含水率為15%～20%時孔隙比的變化并不是非常顯著，但是明顯含水率17%比15%的變化幅度要大，含水率增大到22%時，隨著垂直壓力的增大孔隙比變化顯著，說明在高含水率下土體的壓縮性是很大的，因此在地基處理方面應注意基坑、邊坡的排水和阻水。西安理工大學邵俊生教授提出了對此類問題的解決新技術，其主導思想為：淺層阻水(Impedance)；淺層排水(Drainage)；淺層防水(Interdiction)；封閉截水(Truncation)；深層導水(Irdiltrmion)[4]。這些措施能夠有效防止土體滲水引起強度降低而產生的工程事故。

求得各含水率下土樣的壓縮系數a1-2如表1所示。

表1 壓縮系數a1-2

根據實驗數據，可以整理出如圖2所示的孔隙比與lgp的關系曲線以及計算出壓縮指數的具體值?？梢钥闯鲭S著含水率的增大，壓縮指數整體上呈增大趨勢。在含水率較小時土體表現為低壓縮性，如在含水率為15%時孔隙比的變化幅度并不大，而當含水率增加到17%時隨著垂直壓力的增大孔隙比的變化比15%時要明顯。尤其在含水率增大到20%和22%時，曲線出現交替下降，這說明在含水率較高時垂直壓力在400 kPa以內土樣表現為較高的壓縮性。這使得土體在浸水受壓時沉降量有明顯的增大。壓縮指數如表2所示。

表2 壓縮指數cc

不同含水量的壓縮模量Es曲線。

由于壓縮模量是在完全側限條件下土的豎向附加應力與相應的豎向應變增量之比值。因此土的壓縮模量越大，其壓縮性越低。那么在地基處理時需要得到此地基土的壓縮模量來設計上部結構，以及計算地基沉降。這里繪制了壓縮模量與豎向壓力的關系曲線來對上部結構設計提供依據(見圖3)。下面主要研究含水率對壓縮模量的影響。繪制含水率與壓縮模量的關系曲線如圖4所示。不同含水量壓縮曲線見圖5。

在壓縮模量與含水率的關系曲線上，在一定垂直壓力下，含水率增大壓縮模量呈先減小后增大的趨勢，在垂直壓力在25 kPa～50 kPa時，壓縮模量隨含水率的變化幅度較大，說明在較小壓力下含水率增大可以降低土體的壓縮性。而當壓力逐漸增大在100 kPa～800 kPa范圍之內，隨著含水率的增大壓縮模量變化較平緩。在這種情況下土體含水率對土體壓縮性的影響較小，當壓力值增大到1 600 kPa時隨含水率的增大壓縮模量變化顯著，含水

率低時，壓縮性相對較低，含水率增大到17%～20%時，壓縮系數急劇下降，土體壓縮性快速增大。在含水率增大到22%時壓縮模量回彈增大，壓縮性降低。這一現象還需深入研究。對比壓縮模量與垂直壓力關系曲線，當垂直壓力增大時壓縮模量整體上呈增大趨勢，土體的壓縮性降低，沉降量變小。在含水率為20%時壓縮模量增大幅度較小。再對比壓縮曲線，垂直壓力增大孔隙比減小，土體壓縮性降低。這些現象表明在地基處理方面可采用預固結時土體壓縮性降低來減小地基沉降量。就如牟曉東在處理延安土地基采用的擠密法，既能達到消除地基土的濕陷性，又能降低土層壓縮性。另外還有強夯法等，都可以有效的降低土的壓縮性，以達到加強地基強度，減小地基沉降量的目的。

3 結語

1)地基土含水率較低時，土樣壓縮系數和壓縮指數一般較低，土體表現為壓縮性不高強度較大。當含水率較高時土樣壓縮性明顯增大。

2)土樣含水率由低變高，其上部垂直壓力小，壓縮模量變化顯著，先增大后減小再增大；土樣上部垂直壓力在100 kPa～800 kPa范圍內，壓縮模量變化不明顯但也有先減小后增大的變化趨勢。而當壓力增大到1 600 kPa時，含水率的變化引起了土樣壓縮模量曲線振幅的增大。

3)綜上，提出在地基處理方面的一些建設性意見。當地基土承受的上部荷載較大時，在設計和施工方面應充分考慮由此引起的地基土較大壓縮量，預防由于地基土較大沉降導致的工程事故。同時，研究發現含水率對地基土的壓縮性影響較大，在工程施工方面，應嚴格控制地基土的含水率，特別注意防止由于雨水等滲入導致地基土含水率增大，土體發生較大壓縮。總之，應合理控制上部荷載和含水率對地基土的二元影響關系。

[1] 扈勝霞，周云東，陳正漢.非飽和原狀黃土強度特性的試驗研究[J].巖土力學，2005，26(4)：95.

[2] 謝定義.黃土力學特性與應用研究的過去，現在與未來[J].地下空間，1999(4)：49-53.

[3] 林 偉，段宏飛，薛曉輝.太湖湖積相黏土高壓固結實驗研究[J].鐵道建筑，2010(7)：20.

[4] 陳開勝，沙愛民.壓實黃土變形特性[J].巖土力學，2010，31(4)：111.

[5] 牟曉東.延安地區濕陷性黃土的特性及地基處理[J].地基基礎工程，2006，9(1)：27-29.

[6] 謝定義.試論我國黃土力學研究中的若干新趨向[J].巖土工程學報，2001，23(1)：11

[7] 陶 虎.綜合利用濕陷性黃土特性處理地基的技術研究[J].甘肅水利水電技術，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

楊 帆(1993- )，男，在讀本科生； 黃 澤(1991- )，男，在讀本科生； 肖 丁(1991- )，男，在讀本科生； 張沛然(1991- )，男，在讀本科生

TU411

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