不同含水率下非飽和黃土K0固結(jié)特性試驗

1、不同含水率下非飽和黃土 K0 固結(jié)特性試驗1672-1683(2012)02-0120-04?Analysis on the ?K0 Consolidation Tests of Unsaturated Loess under Different Moisture Contents?ZHAO Li-ya?1, JU Xing-hua?2,LIU Bao-jian?1， LITing-bin?3?(.Highway School,Chang ' an University,Xi ' an 710064,China;2.Shaanxi Railway Institute,Weina

2、n 714000,China;?3.Xi ' an Municipal Engineering Design & ResearchInstitute Co.Ltd,Xi ' an 710064,China)?:In this paper,the ?K0 consolidation tests with constant load are carried out for the unsaturated original loess under different moisture contents,and the effects of the moisture conte

3、nt on the secant modulus,the stress-strain,and the coefficient of lateral pressure are analyzed.The results show that the secant modulus decreases as the load is applied and becomes stabilized eventually when other conditions are the same.When the secant modulus reaches a steady value,it shows a lin

4、early decreasing trend with the increasing of the moisturecontent.The greater the moisture content,the faster the growth rate of the static coefficient of lateral pressure ?K0.?K0 is tending towards stability whenthe soil structure is completely destroyed.Finally,the values of ?K0 under different mo

5、isture contents becomestabilized with small differences in the stabilized ?K0 values.This paper also proposes the deformation model of the ?K0 consolidation process with continuous load considering the moisture content,which provides references for the study of deformation characteristics during the

6、 ?K0 consolidation process and the subsidence of the embankment in loess region.?黃土是我國西北地區(qū)的主要區(qū)域性土質(zhì)， 具有特殊的結(jié)構(gòu)性 和對水特殊的敏感性 1-3 ?，因地下水位的變化、降水入滲或 生活生產(chǎn)用水排泄不當?shù)仍蛞鸬暮首兓c建筑物傳遞 的荷載相耦合，必然造成黃土強度降低、變形增大，影響建筑物 的正常使用 4-8 ?。公路路堤荷載可視為無限長均布荷載，當 路基可壓縮性土層的厚度較薄， 路堤寬度較大時， 路堤沉降控制 點處土體的應力和變形接近于側(cè)限狀態(tài)，即 ?K0 狀態(tài)，但是在實 際工程中進行公路路

7、堤沉降計算時多是按照常規(guī)固結(jié)試驗的結(jié) 果進行的； 公路路堤荷載在施工中是分級連續(xù)施加的， 這點與常 規(guī)固結(jié)試驗也有異。 漢密爾頓與克勞福提出的連續(xù)加荷壓縮試驗 方法 9-10 ?，既與工程實際相吻合又大大減少了工作量，縮 短了試驗時間。 基于上述原因， 有必要對不同含水率下的非飽和 原狀黃土在連續(xù)加荷情況下的變形特性進行研究， 本文對甘肅某 工程非飽和原狀黃土進行了不同含水率下的恒荷重速率（ CRL 法）？K0固結(jié)試驗，對非飽和黃土的割線模量、應力應變特性及 靜止側(cè)壓力系數(shù)隨含水率變化的規(guī)律進行了分析。 ?1 試驗方案 ？1.1 試驗用土性質(zhì)及制備方法 ？試驗用土為隴西 Q?3黃土，通過室內(nèi)試

8、驗11 ?測得基本 物性指標為：？w?L?=28.3% ?w?P?=19% ?I?P=9.3，不均勻系數(shù)C?u=11,曲率系數(shù)C?c?=2.27，為級配良好的粉土?？刂仆?組試樣干密度差值不超過 0.03 g/cm?3 ，通過風干法和水膜轉(zhuǎn)移 法控制含水率？w?分別為8% 13% 18% ?1.2 試驗方案 ?試驗在GDS靜三軸試驗系統(tǒng)中進行，采用恒荷重速率 ？K?0 固結(jié)試驗模塊。應力水平為 （T ?rc?=200 kPa。其加載機制為： 首先加載側(cè)壓， 利用安裝在試樣中間高度處的徑向霍爾效應傳感 器量測中斷面處的徑向變形，見圖 1，并將變形值反饋到計算機 控制系統(tǒng)，以此來調(diào)節(jié)軸向加載系統(tǒng)

9、施加軸壓，實現(xiàn)？K0固結(jié)條件，側(cè)壓施加速率為 10 kPa /h2 試驗結(jié)果分析 ?在整個加載階段，孔壓變化幅度很小，在± 5 kPa 之內(nèi)，且 不同含水率下孔壓相差不大，即加載過程中沒有產(chǎn)生超靜水壓 力，總應力等于有效應力。 ?2.1 含水率與應力 - 應變關(guān)系分析 ?土是一種復雜的工程材料，其應力 - 應變關(guān)系受含水率、干 密度及應力路徑等諸多因素影響，目前尚沒有一種應力 - 應變關(guān) 系可以用來描述各種不同類型的土在復雜加荷條件下的性狀。 非 飽和原狀黃土應力 - 應變關(guān)系體現(xiàn)了水和力對于原生結(jié)構(gòu)強度的 破壞和破壞后次生結(jié)構(gòu)強度的生成各種不同作用的綜合性狀。 ?連續(xù)加載階段不同含

10、水率下的應力 - 應變 關(guān)系圖見圖 2。?由圖2可知，？K?0試驗所得（T ?1 e ?1關(guān)系曲線并不符 合常規(guī)的雙曲線擬合函數(shù)，有必要對本文的恒荷重K0加載方式所得的應力 - 應變關(guān)系進行討論。初始階段軸向應力持續(xù)增大而 軸向應變變化很小； 之后隨著軸向應力的增大而迅速增長， 含水 率越大，增長幅度越大，至側(cè)壓力達到設定值，加載階段完成了 大部分的軸向變形。 ?2.2 含水率與割線模量關(guān)系分析 ?2.2.1 割線模量分析 ? 魏汝龍12?、劉保健13?等通過大量試驗資料的分析， 提出并驗證了割線模量法，割線模量用？Esoi?表示。在K?0狀態(tài)下，任意t時刻軸向應力（T?1對應的軸向應變?yōu)?#

11、163; ?1(t)?= ?h/H?O，貝U害V線模量為 Esoi?=(T ?1/ £ 12.2.2 加載階段含水率與割線模量關(guān)系的分析 ?繪制連續(xù)加載階段，應力水平為 ？彷rc=200 kPa的不同含水 率下的?Esoi?(T ?1、Esoi? £ ?1?關(guān)系曲線，見圖 3、圖4。?由圖 3 可知：害線模量隨軸向應力的增大而逐漸減小， 取后 半段的直線進行延長與曲線相交，交點對應的軸向應力記 作？彷?m定義為界限荷載，(T ?m=A+Bw其中A、B為擬合方程 系數(shù)，是試驗常數(shù)，A=347.67, B=-11。對于任一含水率，當軸 向應力(T ?1?m?寸，土的結(jié)構(gòu)已基本上

12、全部破壞，土性已接近重塑土，土顆粒的滑移及重新排列成為產(chǎn)生軸向變形的主要原 因，害線模量隨著軸向應力的增大而減小的幅度逐漸變緩， 最終 趨于穩(wěn)定，達到穩(wěn)定值寸的害線模量隨著含水率的增大而減小， 呈線性關(guān)系；含水率越小，原生結(jié)構(gòu)保持的較好，土的結(jié)構(gòu)強度 越高，初始的害線模量值越大，抵抗變形能力越強，害線模量隨 應力增大而減小的曲線越陡， 說明土的剛性損失越大； 含水率較 高寸，黃土的結(jié)構(gòu)已經(jīng)部分或完全被破壞，結(jié)構(gòu)壓硬性較大，害 線模量值較小。 ?由圖 4 可知：不同含水率的土樣， 其害線模量隨軸向應變變 化的曲線基本平行；整體變化趨勢與圖 3相同，含水率越大，同 一個應變下所對應的害線模量值越小

13、。 ?2.2.3 穩(wěn)壓階段含水率與害線模量關(guān)系的分析穩(wěn)壓階段，不同含水率下的軸向應力基本上保持不變或略有 下降， ?Esoi 基本上與加載階段最后的穩(wěn)定值一致，變化幅度很 ??；穩(wěn)壓階段的軸向變形量很小， 說明大部分的變形在加載階段 已經(jīng)完成，限于篇幅本文不再給出詳細的圖形。 ?2.3 靜止側(cè)壓力系數(shù)分析 ?太沙基9: ?用總應力定義靜止側(cè)壓力系數(shù) ？K?0=” ?3/（T ?1, 畢肖普 9?明確采用有效應力進行定義，鑒于本文是在沒有產(chǎn) 生超靜水壓力的情況下進行的固結(jié)特性分析， 因此只進行總應力 分析。 ?加載階段（T ?3彷?1關(guān)系曲線，如圖5所示。由圖5可知， 除初始幾點外，（T ?3彷?

14、1線性關(guān)系良好，當含水率較小時，靜 止側(cè)壓力系數(shù)K?0值較大，隨著含水率的增大，K?0?變小，曲線 基本趨于平行； 擬合直線并不像重塑土樣經(jīng)過原點， 這主要是因 為非飽和原狀黃土的結(jié)構(gòu)性所造成的， 含水率越小， 土的結(jié)構(gòu)性 越強，擬合直線偏離原點越遠。全過程的 ?K?0t 關(guān)系曲線如圖 6所示。由圖 6 可知，起始 有一兩點的K0值很大，這是由于試驗誤差造成的，壓力室注滿 水后會對試樣產(chǎn)生約 3 kPa 的圍壓，此時軸壓還未來得及施加， 此時的？K?0較大；初始加載階段，外荷載由土的結(jié)構(gòu)強度承擔， （T ?3增長緩慢，（T ?1增長較快，所以初始階段側(cè)壓力系數(shù)很小， 隨著土結(jié)構(gòu)的大量破損，結(jié)構(gòu)

15、強度迅速減小，靜止側(cè)壓力系數(shù) K?0迅速增長，含水率越大，K?0增長速率越快，至土結(jié)構(gòu)完全破壞，側(cè)壓力和軸向應力同步增長， K?0 趨于穩(wěn)定；不同含水率的K?0值最終趨于穩(wěn)定，在穩(wěn)壓階段，固結(jié)完成時，K0值差異性較小。?2.4 變形計算模型 ?以？彷？口為分界點，繪制加載階段 £ ?1彷?1關(guān)系曲線，當(T ?1?口時，可以用公式 £ ?1=E + F ?1 表示；當 CT ?1> (T ?m時，可以用公式£ ?仁G+Ht ?1表示，其中E、F、G H為擬合方 程系數(shù)，可由試驗結(jié)果求得，見表 1，與含水率的關(guān)系可由下式 表示， E=-0.0285w-1.79

16、74 ； F=0.004w-0.0131 ；G=0.0418w?2-0.604w+0.7078； H=0.001w+0.0124。?穩(wěn)壓變形階段的應變 -時間關(guān)系曲線為雙曲線形:11 ?, ?t/ £ ?1?=M+Nt，其中M N為擬合方程系數(shù)，見表1 ,與含水率的關(guān)系用下式表示， M=-54.329w+1 122.5 ； N=-0.0064w+0.1738。綜上，考慮含水率變化的？K?0固結(jié)過程的應力-應變-時間 關(guān)系可由下式表示： ?£ ?1=E+Ft ?1?G+Ht ?1?t/(M+Nt)( t ?1< t ?n) ? ( t ?1> t ?m? ?(穩(wěn)壓階段)？3 結(jié)論 ?通過對不同含水率的非飽和原狀黃土進行恒荷重的？K?0固結(jié)試驗研究，初步探討了在不產(chǎn)生超靜水壓力的情況下K0固結(jié)特性，可以得出以下結(jié)論。 割線模量隨軸向應力的增大