基于靜三軸試驗條件下砂類土臨界孔隙比的研究

劉永高/鐵道第三勘察設計院集團有限公司

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基于靜三軸試驗條件下砂類土臨界孔隙比的研究

劉永高/鐵道第三勘察設計院集團有限公司

【摘要】石家莊正定新區位于滹沱河北岸，其地層中廣泛分布松散狀態下的砂類土，該砂類土的物理力學特征關系到正定新區未來建筑物安全的重要問題。本文將利用三軸試驗對該區域內的砂類土進行實驗分析，在此基礎上得出砂類土相應的臨界孔隙比，對今后的工程建設提供一定的指導意見。

【關鍵詞】正定新區；砂類土；三軸試驗；臨界孔隙比

1.前言

依據土力學基本原理與工程實踐表明，松散狀態砂土受剪切時體積會變小，也就是孔隙比減小，密度相應增大。而密實狀態的砂土受剪切時發生剪脹現象，及孔隙比增大，密度減小。因此在密實與松散狀態之間，有某個孔隙比，當砂土受到剪切時體積保持不變，這個狀態下孔隙比稱臨界孔隙比ecr。

測定砂土臨界孔隙比的試驗方法，現在還沒有相關的規范要求，現階段的試驗研究是在不斷摸索中進行，因此本試驗是在借鑒有關資料與文獻的基礎上，通過設計新的試驗方案進行操作，最終確定其臨界孔隙比ecr。

2.試驗原理

臨界孔隙比ecr可以通過三軸固結排水剪（CD）試驗來測定。試樣在不同密度時，在相同固結壓力σ3下，進行排水剪切試驗，試樣剪破時的體積變化量為Δ V，Δ V最大時對應的孔隙比為該固結壓力σ3下的臨界孔隙比ecr。

飽和砂類土在剪切過程中的排水量等于砂土孔隙體積的減少量。而土體體積的變化反映了孔隙比的變化。因此，通過記錄排水量的數值，計算相應孔隙比的大小。

土樣加水飽和后對應的孔隙比為試驗前的孔隙比，隨后施加一定的圍壓使其初步固結，此時孔隙比定義為固結孔隙比，接著在一定的圍壓下，施加軸向應力逐漸使其壓縮，同時觀察排水管的水位，水位上升，表示土樣正在剪縮；當水位穩定不再上漲，可以說明此時砂土體積無變化。繼續施加軸向應力，則水位開始下降，這一過程說明土樣開始剪脹。水位穩定在最大時對應的孔隙比即為砂土的臨界孔隙比。

3.孔隙比計算公式

3.1試驗前孔隙比計算

試中 m—土樣質量

v—土樣體積

ds—土樣比重

ρ—土樣密度

e—試驗前孔隙比

3.2固結后的孔隙比計算

試中 Vs—土粒體積

Vv—孔隙體積

e1—固結后的孔隙比

3.3臨界孔隙比計算

試中 Δ V—施加軸向壓力后所排出水的體積ecr—臨界孔隙比

4.數據分析

土性編號含水率　比重　圍壓（kpa）固結圍壓（kpa）固結孔隙比e1臨界孔隙比ecr平均值Δ V （cm3）100　 0.81　 0.74 100 0.74細砂L-4　0.034　 2.78 4.0 150　 0.79　 0.74　2.7 200　 0.75　 0.74　0.4 100　 0.81　 0.69 200 0.69 6.3 150　 0.79　 0.69　4.9 200　 0.75　 0.69　3.0

土性編號含水率　比重　圍壓（kpa）固結圍壓（kpa）固結孔隙比e1臨界孔隙比ecr平均值Δ V （cm3）100　 0.81　 0.78 100 0.78細砂L-2　0.021　 2.77 1.4 150　 0.80　 0.78　1.1 200　 0.79　 0.77　1.0 100　 0.81　 0.73 200 0.72 4.3 150　 0.80　 0.72　4.1 200　 0.79　 0.72　3.7 100　 0.83　 0.81 100 0.80中砂L-6　0.033　 2.77 1.2 150　 0.82　 0.80　1.0 200　 0.81　 0.80　0.5 100　 0.83　 0.79 200 0.78 2.4 150　 0.82　 0.78　1.7 200　 0.81　 0.78　1.2 100　 0.84　 0.82 100 0.82中砂L-5 0.034 2.77 1.0 150　 0.83　 0.82　0.8 200　 0.82　 0.81　0.7 100　 0.84　 0.81 200 0.80 1.9 150　 0.83　 0.80　1.7 200　 0.82　 0.79　1.5 100　 0.86　 0.84 100 0.84中砂L-3　0.032　 2.78 1.0 150　 0.85　 0.84　0.9 200　 0.84　 0.83　0.7 2.1 150　 0.85　 0.82　1.9 200　 0.84　 0.81　1.8 100　 0.86　 0.82 200 0.82

通過數據對比分析，可以得出：

（1）相同的砂土，隨著圍壓的增大，臨界孔隙比相應減小。這表示埋深越大，臨界孔隙比越小。

（2）相同的砂土，初始密度不同，在相同圍壓的條件下臨界孔隙比相同。這表示在現場實際條件下，同一種砂土在埋深一樣的情況下，臨界孔隙比相同。

（3）不同的砂土，在圍壓相同時，顆粒粒徑越大，臨界孔隙比越大。這表示埋深相同的情況下，隨著砂土粒徑的 大，臨界孔隙比相應增大，這說明越粗的砂越不易液化。

（4）本區域的建筑物在地基處理時，結合工程安全性與試驗過程中所產生的誤差，應將本區松散砂土的天然孔隙比經過處理，使其低于0.7為適。

5.結論

通過靜三軸試驗，對正定新區廣泛分布的砂類土其臨界孔隙比進行研究，分析出該區域內的砂類土臨界孔隙比，通過這一孔隙比可以為砂土液化的臨界狀態提供一定參考，也可以為將來地基抗液化處理提供一定的指導。本區松散砂土的天然孔隙比經過地基處理后，建議使其低于0.7為適。

參考文獻：

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