本文是一篇建筑工程管理论文,本文基于山西宁武某工地的黄土状粉土,通过采用压力板法、滤纸法和饱和盐溶液法研究了初始干密度、初始含水率和击实功对压实黄土状粉土 SWCC 的影响,得到以下结论: (1)压实黄土状粉土的 SWCC 具有相似性。在同一击实能下,随着试样含水率的增大,干密度的增加,土体内部孔径较小的孔隙数目较多,持水性提高,因此相同基质吸力条件下,体积含水率增大。在干密度相同而初始含水率不同的条件下,试样内部结构不同影响水分内迁移的难易程度进而影响基质吸力的大小。不同条件下试样的 SWCC在基质吸力大于 200MPa 时趋于重合,SWCC 仅与土样组成的固体颗粒性质相关。
第一章 绪论
1.1 研究背景
黄土作为地质时代中第四纪风力搬运形成的黄色粉土沉积物,其独特的沉积条件造成了特有的外部形态、物理性质和工程特性。黄土在世界上分布广泛,呈东西向带状,主要分布在北半球的中纬度干旱及半干旱地带。亚洲黄土分布最广,主要分布在干旱、半干旱和温暖少雨、有强烈季节变化特点的中纬度气候温暖地带,最北界达北纬 74°,最南抵北纬 32°。中国是世界上黄土分布最广泛、厚度最大的国家,分布面积约 64 万km2,占国土面积约 6.6%。主要分布在昆仑山、秦岭、泰山、鲁山连线以北的干旱、半干旱地区。我国分布的黄土主要有面积大、厚度深、分布连续、发育良好、地形地貌完整和工程地质特性复杂等特点[1-2]。
非饱和土是土壤中孔隙由水和空气填充,即饱和度小于 100 但大于 0 的土壤。非饱和土在自然界中广泛存在,如地表、边坡的土均处于非饱和状态。工程实践中遇到的多种土,绝大部分是非饱和土。由于大量的蒸发和蒸腾作用,地表的土常处于非饱和状态。 非饱和土区别于饱和土的根本原因在于非饱和土是由固相、液相、气相和收缩膜四相组成的土体。其中,由于收缩膜的存在承受张力,使得土体内部存在吸力,吸力的存在使得其成为与饱和土区别的根本原因,也是非饱和土力学性质和工程性质复杂的原因[3]。
随着社会经济的发展,交通需求的提高,公路、铁路等交通设施规模不断提高,黄土状粉土等非饱和土经常在工程被用作路基材料。黄土状粉土在作为路基时,由于地下水位上升、降雨等自然现象的发生,随之会使土中的含水率发生变化。而土中含水率的增大不仅会使土体强度变低,还会改变土体的工程性质降低土体的强度,进而发生一系列病害。产生的病害常常会损害交通基础设施,影响交通运行甚至会导致生命财产的损失。而关于非饱和土的研究,之前多关注于黏土和砂土。在对粉土的研究中,其非饱和性质的研究较少,对非饱和粉土的性状缺乏深刻的认识。这些问题的出现,促使了对黄土状粉土工程性质的相关研究。因此本文选取了黄土状粉土为研究对象,重点探讨了其非饱和特性。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 非饱和土的研究现状
1925 年,太沙基著作的《土力学》将土力学作为一个完整而独立的学科。之后,在1936 年的第一届国际土力学与基础工程会议中讨论了关于非饱和土的相关性状。会上,Ostashev[4]提出孔隙水压力和毛细作用力会影响毛细水的流动,并认为毛细水的流动可用傅立叶热流方程进行模拟。在同一会议上,Boulichev[5]提出了用于量测毛细压力和水在土中的毛细上升高度的仪器。Hogentogler 和 Barber[6]认为毛细水的流动同细管中的毛细上升公式是一致的,并制作了毛细管仪来研究土中的毛细现象。 Terzaghi[7]在《Theoretical soil mechanics》中对 Hogentogler 的研究进行总结并表示赞同,强调水-气界面的重要性,并推导出毛细水上升高度的公式。在 20 世纪 50 年代以前,研究者们多集中于毛细水流动性的研究,一直未得出非饱和土的原理和公式。直到上世纪 50 年代后期,Bishop[8]在英国帝国大学的研究工作中建立起解释非饱和土性状的一些概念,关于非饱和土的强度和变形得到了有力推动。研究者们将饱和土的有效应力拓展至非饱和土领域。如 Black and Croney[9]、Aitchison[10]和 Williams[11]等。但试验和实际应用表明非饱和土的强度和变形特性用单值的非饱和土有效应力公式不能较好地描述,如湿化过程中的湿陷现象。之后,为了克服单值应力表述的缺点,Coleman[12], Bishop and Blight[13], Blight[14], Matayas and Radhakrishna[15], Fredlund and Morgenstern[16]提出用两个独立的应力变量来描述非饱和土的抗剪强度和变形特性。在此基础上,1993 年,Fredlund 和Rahardjo[3]完整介绍了非饱和土渗透、抗剪强度和体变等理论,从此两个独立的应力变量理论成为非饱和土土力学中的主流理论。
从上世纪 60 年代开始,我国的学者逐渐开始研究非饱和土。1965 年俞培基等[17]提出将非饱和土分为“水封闭”、“双敞开”、“气封闭”三种状态。1979 年包承纲[18]研究土中气相、液相和固相,进行试验得到土中孔隙水的增减规律,区分了液体和气体的状态并首次提出非饱和土内“气相四形态”的说法。
自上世纪以来,由于非饱和土测试技术和方法的改进,对非饱和土的研究再次成为焦点。陈正汉等[19]在混合物理论分析的基础上,研究提出了一套非饱和土的固结理论和本构模型。此后,国内举行了很多关于非饱和土的学术研讨会,如非饱和土的理论与实践研讨会(北京,1992)、第三届亚洲非饱和会议(南京,2007)、第一届全国非饱和土与特殊土力学及工程学术研讨会(重庆,2013)、第六届亚太非饱和土学术会议(桂林,2015)。这些会议的召开推动了我国关于非饱和土的相关研究,学者们做了很多开创性的研究,为非饱和土的研究与应用贡献了巨大力量。
第二章 试验材料与测试原理
2.1 试验用土的基本物理性质指标
本文试验所用土料取自山西忻州某工程场地。取土场地位于黄土高原,所取土料呈灰黄色,较干燥(室内测定其天然含水率约为 2.43%),土质均匀,孔隙结构发育,垂直节理明显,没有显著的层理。为确保土料物理性质的均匀性,将土取回后在室内进行破碎和充分搅拌,平铺使其自然风干,而后用 2mm 筛过筛、碾压再过筛,得到的土料方可用来测定其基本物理性质指标。严格按照《土工试验方法标准》(GB/T50123-1999)[66]规定的测定方法与步骤,通过土粒比重试验、界限含水率试验及颗粒分析试验可得到土的基本物理性质指标,如表 2.1 所示。分别在 592.2 kJ/m3、2684.9 kJ/m3两种击实功作用下对试验用土进行室内轻型和重型击实试验,得到了各击实功下土体的最大干密度�𝑑𝑚𝑎𝑥与最优含水率𝜔𝑜𝑝,如表 2.2 所示。
2.2 试样制备方法
本试验采用击实制样法来制样,有两种不同的击实功。将试验所用的黄土状粉土进行风干、碾碎并过 2mm 筛,加蒸馏水将其配制成所需含水率的土样,用保鲜膜包裹使其在密闭的环境下静置 24h 以上,以确保水分在土中均匀分布。然后使用符合国家标准的 DJS-3 手动击实仪(如图 2-1 所示)分别进行标准重型和标准轻型击实试验,击实仪的规格参数如表 2.3 所示,本文击实试验的有关参数如表 2.4 所示,击实试验的具体步骤如下[66]:
把击实仪平缓地置于平稳而坚实的地面,击实筒内壁均匀地涂抹一层凡士林,将击实筒与底座联接好并装上护筒,把垫片放置在击实筒底面且在其朝上一面均匀涂一层凡士林,然后检查击实仪是否能正常使用。称取所需量的土料分三次倒入击实筒中,根据试验需要按照相应的击实次数和圈数(见表 2.4)分三层进行击实,每层高度宜相等。如在重型击实时,应按梅花形的顺序循序击实即每圈周围击 13 下,中心击 1 下,共 14下,以使击实点均匀分布于土面。在每层击实后需要用刮土刀对交界处土面进行刨毛。此外,击实过程中应使击锤自由垂直下落。击实结束后,先用刮土刀沿护筒内壁进行削挖而后转动护筒将其取下。测量超出击实筒顶部土的高度,其值不得超过 6mm。将击实筒从底座上卸下,然后用刮土刀仔细地将击实筒顶部和底部多余的土削平并擦净击实筒外壁,最后用液压式千斤顶将击实样从击实筒中推出。使用环刀(Φ61.8mm*20mm)从击实样中切取出 3-4 个的环刀样。
第三章 压实黄土状粉土土水特征曲线 ......................... 21
3.1 试验方案 ................................... 21
3.2 试验结果 ............................... 23
第四章 压实黄土状粉土土水特征曲线模型 ............................. 37
4.1 SWCC 模型 ................................. 37
4.1.1 双参数 SWCC 模型 ................................ 37
4.1.2 三参数 SWCC 模型 ............................... 38
第五章 结