不同排水条件下饱和黏土的冲击性状研究.pdf
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1、第43卷第20期 人民长江 V0143,N o20 201 2年10月 Y angt ze RiverO ct 2012 文章编号:10014179(2012) 20005005 不 同 排 水 条 件 下 饱 和 黏 土 的 冲 击 性 状 研 究 邓通发1,罗嗣海1,傅军健2 (1江西理工大学建筑与测绘工程学院,江西赣州341000;2吉安市公路勘察设计院,江西吉安343000) 摘要:为认识不同现场排水条件对强夯加固效果的影响,试验研究了不同排水条件冲击时饱和黏土的动力响 应和冲击后再固结性状。试验结果表明,不同的排水条件对冲击时饱和黏土的孔隙水压力、排水、体变、应变 和再固结时的体变有
2、重要影响。孔隙水压力、冲击次数和冲击能量三者满足双曲线关系;排水冲击的总体变 大于不排水冲击的总体变。为改善排水效果,施工时应设置多条排水路径,同时加大夯击能。 关键词:排水条件;冲击作用;饱和黏土;冲击响应;再固结 中图法分类号:TV 223文献标志码:A 室内冲击试验一直都是研究强夯加固的重要试验 手段,它设置简便、操作性强,可以针对不同的土质,很 好地模拟现场强夯条件下各种应力施加状况,观察冲 击作用过程中试验土的孑L隙水压力、应力和体变的变 化情况,以便于了解、指导和控制现场强夯施工。前人 在室内冲击试验方面已有一定的研究,如钱家欢开展 了侧限条件下的冲击试验,研究了饱和砂土和黏性土
3、受冲击时土中的孔隙水压力和动应力一应变关系; 韩文喜研究了三轴条件下饱和砂土冲击时的应力、变 形和应力一应变关系2。31;白冰卜6。、孟庆山卜91研究 了三轴条件下软黏土在冲击作用下的变形、孔隙水压 力、再固结规律和夯后强度特点。这些研究侧重于建 立冲击时的应力一应变关系,为强夯数值分析提供本 构关系,且所做实验冲击时的排水阀是关闭的,对于排 水条件良好的地基土在强夯作用下的性状未做研究。 本文正是考虑到这点,对饱和黏土在排水与不排水条 件下进行冲击试验,并对不同排水条件下的动力响应、 冲击后再固结性状和冲击作用产生的总体变进行对比 分析,以此来认识不同排水条件下现场强夯对黏土地 基的加固作用
4、。 1试验方法 11试验仪器 试验采用STSZZD型全自动应变控制三轴仪器 并加装冲击装置。冲击装置包括落锤、承载板、落锤导 杆和位移测量部件4部分。落锤为重量5N 的空心 锤,落距依冲击能的不同采用10,15,20cm ;承载板承 受落锤的冲击,并将冲击能量传递给试样的载体,其自 身重量不仅可以平衡三轴压力室传力柱与压力室上端 顶盖间的摩擦力以及三轴仪系统围压,而且还能起到 对试样施加静力荷载的作用。承载板上垫一块橡胶 垫,保证冲击作用无“反弹”,使冲击力的形式为单脉 冲形式。 12试样制备和饱和 黏土采集于江西赣州滨江建筑工地地基距地面2 3m 处,属天然红黏土,含水率2685,塑限训。=
5、 253、液限埘;=484、塑性指数,。=233。取回 实验室后将其风干碾碎,筛分后烘烤8h,然后用塑料 袋装好封存。制作试样时,取黏土150g,水51g拌和 收稿日期:20120523 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50869002);江西省自然科学基金资助项目( 2008G ZC 003) ;江西省教育厅科技资助项 目(GJJl 0486) 作者简介:邓通发。男,讲师,硕士,从事土木工程教学与科研工作。Em ai l :dbdff 163corn 第20期邓通发,等:不同排水条件下饱和黏土的冲击性状研究 5l 均匀,装入塑料袋内扎紧,润湿一昼夜。制作试样时, 将调配好的黏土分6层装入
6、击实筒内击实,每层质量 相同,层与层的表面用削土刀刮毛,夯好的试样两端需 削平,称量。量测其直径和高度,各试样的密度差值不 大于03gcm 3,总体饱和试样密度在186gcm 3左 右。采取抽气饱和与反压饱和联合法使试样饱和度 大于095。 13试验方案 对制备好的试样,先施加50kPa围压使其初始固 结,固结完毕后分别在排水和不排水两种情形下施加 3种不同的能量进行冲击,测量冲击时的轴向变形、孔 隙水压力、试样排水和土样体变。冲击后测量孔隙水 压力的消散和伴随的再固结体变和排水量。试验方案 见表1。试验模拟不同排水条件时,一定深度处土体 在冲击力作用下的应力累积和应力释放,以及冲击作 用后再
7、固结时土的后续演变过程。 表1试验方案拟定 围压冲击锤重落距冲击能量 kPa 次数 Nt i n (N cm ) 5024510510 155x15 20520 50 24 510510 15515 20520 注:C1,C2,C 3为不排水冲击(关排水阀) ;D 1,D 2,D 3为排水冲击( 开排 水阃)。 2孔隙水压力、轴向变形、排水和体变 21冲击时的孔隙水压力 图1为不同排水、不同能量条件下冲击阶段的孔 隙水压力与冲击击数关系(孔隙水压力值取每次冲击 之后的孔隙水压力平均值)。由图1可知,不排水冲 击时,饱和黏土土骨架和孑L隙水共同承担冲击荷载作 用,孔隙水压力在冲击作用下累积上升后
8、,待土骨架和 孔隙水“一起”在冲击作用下经压缩后与冲击荷载达 到“平衡”时,孔隙水压力开始趋于稳定。排水冲击 时,土骨架在冲击力作用和孔隙水流失的双重作用下 变得更加致密,孔隙水压力先增长后下降,存在峰值。 由图中相同能量、不同排水条件时的孔隙水压力变化 情况可知,由于孔隙水的流失,不排水冲击的孔隙水压 力大于排水冲击的孔隙水压力。 根据图1中孔隙水压力的变化情况,用双曲线对 孔隙水压力与冲击击数进行拟合得式( 1),拟合图形 参见图2。 Z=(口+bN)( 1) 式中,u为孔隙水压力,kPa;N 为冲击击数;o、b为计 算参数,见表2。 5 10 1520 25 冲击击数N次 图l不同排水、
9、不同能量下冲击阶段的 孔隙水压力与冲击击数关系 图2不同排水条件下冲击阶段的 孔隙水压力和冲击击数拟合 表2参数。和b取值 22冲击阶段的单击沉降量 图3是不同排水条件下单击沉降量与冲击击数的 关系。由图3可见,不同排水条件的单击沉降量随能 量的增大而增大,随击数的增加而减小。比对图3( a) (b)两图,不排水冲击的单击沉降比排水冲击的缓和, 总体上排水冲击的单击沉降量比不排水冲击的大,这 些都是排水冲击过程中存在孔隙水流失而造成的。不 排水冲击时,孔隙水的存在缓冲了作用在土骨架上的 冲击荷载,而排水冲击时,孔隙水的流失使得土骨架承 受了大部分的冲击荷载,单击沉降变化更剧烈些。 23冲击阶段
10、的轴向变形 不同排水条件下,冲击时的轴向应变与冲击击 旨; 加 加 O 。 刍 R 丝 *垂 谅 样号 一2 32 3黼堑qm砚 52 人民长 江2012年 的关系如图4所示。不同排水条件下的轴向应变线相 近,排水条件冲击时轴向应变比不排水条件的大些。 不同排水条件下,冲击阶段的轴向应变随冲击能量、冲 击击数的增大而增大,与冲击击数呈双曲线关系。对 其关系用双曲线公式( 2)进行拟合。 r l ne2 i 赢 (2) C 十“V 式中,s为轴向应变;为冲击击数;c、d为变形参数, 见表3。 20 孚 制 毯 叵 霹10 冲击击数次 (a)c组不捧水冲击 冲击击数彬次 (b)D 组捧水冲击 图3
11、不同排水条件下冲击阶段的 单击沉降量与冲击击数关系 5I O15 2025 冲击击数次 下变得更加的致密以承担更多的荷载,以达到应力上 的平衡。 用线性公式( 3)来拟合最大轴向压缩量和冲击能 量关系。 Y 。=e+f E(3) 式中,Y 。为最大轴向应变;E为冲击能量,Nerf l ;e、厂 为计算参数。 c组:e。=629000,=01748,相关系数只2 =098417。 D 组:e2=7126 67Z=0184 2,相关系数R2 =099998。 表3参数C 和d值 24冲击阶段的排水和体变 不排水冲击时,饱和黏土试样无排水、体变产生。 排水冲击时,排水量随冲击击数的增加而增大,但排水
12、 总量随冲击能量增大而减小(见表4) 。这可以解释 为,在相同冲击时间里,土骨架的致密度随着能量增大 而增大,从而导致孔隙水从土体中排出的时间更长。 如图5(数据太过集中,只绘520N em 的关系图做 表征)所示,同一能量下的排水量和体变图形“贴”得 很近,说明土样的饱和度高,体变主要来自于水量的减 少。D 组排水冲击时产生的排水量和体变见表4。 最大轴向压缩量随着能量的增大而增大,近于线 性关系。在同一能量冲击下,排水条件冲击时最大轴 向应变比不排水条件的大,这是因为在冲击过程中,不 排水冲击时土骨架和孔隙水共同承担冲击荷载,而排 水冲击时,孑L隙水的流失直接导致土骨架在冲击作用 5l O
13、lj2025 冲击击毅次 组排水冲击时排水量、体变与冲击击数关系 再固结的孔隙压力、排水及体变 由于制备的实验土样饱和度高,其体变量和排水 量基本相等。表5为不同排水条件下冲击( C组、D 组)结束后再固结时的排水量。可以发现,两组再固 结排水量随能量的增大而增大,不排水冲击的再固结 排水量比排水冲击的要大。这是因为,不排水冲击时, O 8 6 4 2 1 O 0 O n 一一罕驯 第20期邓通发,等:不同排水条件下饱和黏土的冲击性状研究 53 作用在黏土上的冲击应力效应在累积,当冲击完后打 开排水阀,累积的应力效应随着孔隙水的排出而消散; 而排水冲击时,试样在冲击过程中孔隙水压力一边累 积一
14、边消散,冲击阶段和再固结阶段都存在排水过程。 表4排水冲击时D组的排水和体变 表5C组、D 组再固结排水量比较 对再固结排水量和能量的关系进行线性拟合 Y 2=g+hE (4) 式中,Y :为再固结排水量,m L;E为冲击能量,N cm ; g、h为计算参数。c组:g。=164333,h。=00020, 相关系数R 2=098684。D 组:g,=061000,h,= 00096,相关系数R 2=097959。 4冲击产生的总体变及其组成 饱和土体的体变主要来自于孔隙水的排出,可以 认为体变量和排水量基本相等。不排水冲击试验( C 组)中,冲击过程无排水、无体变,排水和体变只发生 在再固结阶段
15、,总体变等于再固结阶段的体变。排水 冲击试验(D 组)的总体变等于冲击阶段的体变与再 固结阶段的体变之和。不同排水条件下,冲击时与冲 击后的总体变( 总排水量)与冲击击数的关系如图6 所示。两种情况下的总体变都随冲击能量的增大而增 大,总体变与冲击能量呈几近线性增长关系。对比后 可知,排水冲击的总体变大于不排水冲击的总体变。 图6不同排水条件下总体变与冲击能量关系 用线性公式(5)拟合总体变和冲击能量的关系。 Y ,=i +卢( 5) 式中,Y ,为总体变,m L;E 为冲击能量,N cm ;i 为 计算参数。C组:i 。=164333,J,=00020,相关系 R2=098694。D 组1i
16、 2=17250,J2=00086, 相关系R2=098561。 5结论 (1)不排水冲击时,孔隙水压力累积上升后趋于 平稳,而排水冲击时,孔隙水压力先增长后下降,存在 峰值。孔隙水压力、冲击击数和冲击能量三者满足双 曲线关系,不排水冲击的孔隙水压力比排水冲击的大。 (2)对比不同排水条件下,单击沉降量与冲击击 数的关系可知,单击沉降量随能量的增大而增大,随击 数的增加而减小。同等能量、击数时,排水冲击下单击 沉降量略大于不排水冲击的沉降量。 (3)不同排水条件下冲击时的轴向应变随能量的 增大、冲击击数的增多而增大,与冲击击数满足双曲线 关系。同等能量、同冲击击数时,排水冲击的轴向应变 比不排
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