延安地区压实Q2、Q3黄土变形特性分析

乔俊义, 郝明月, 孔 洋

(1. 山西建筑职业技术学院, 山西 太原 030006; 2. 日照港集团有限公司, 山东 日照 276800; 3. 河海大学, 江苏 南京 210000)

Q2黄土为良好的地基持力层,其间钙质结核较厚,结构密实度大,高压下有一定的湿陷性；Q3黄土具有较大的天然空隙,天然条件下结构强度高,但遇水后具有较强的湿陷性或自重湿陷性[1].黄土地区的工程事故多数是由于场地突发水环境的变化导致黄土遇水湿陷,产生地基不均匀沉降造成的.大量的工程实践证明,压实可以基本消除黄土的湿陷性.近年来,黄土地区的高填方工程成为重要的研究课题,高填方工程的填筑深度及高度有逐年递增的趋势.根据施工场地情况,可以将黄土高填方工程分为有侧限条件下的黄土高填方工程与无侧限条件的黄土高填方工程.无侧限条件下的黄土高填方工程包括公路、铁路路堤工程,机场跑道工程等.高填方工程主要发生剪切滑移变形；有侧限条件下的黄土高填方工程主要是丘陵沟壑地区“削山填沟,建设新城”项目,高填方工程主要发生压缩固结变形.

延安地区112 m高填黄土地基科研试验项目,主要填筑材料是Q2、Q3黄土,采用分层填筑压实方式施工,属于沟谷型有侧限条件下的黄土高填方工程,需要侧限条件下压实黄土的变形特性研究成果作为理论支持.胡长明等[2]研究了吕梁地区压实马兰黄土,分析了压实度、含水量对土体压缩变形的影响,并基于割线模量法提出了压实Q3黄土的变形修正公式.

虽然国内很多学者对压实黄土进行了大量研究,但是相对于原状黄土其研究成果仍较少,理论不够成熟.胡长明等[2]虽然将马兰黄土作为特例研究,但仍沿用了幂函数的拟合形式,并且试验都是在高压实度情况下进行的.由于施工现场实际压实效果不能完全达到高压实度要求,因此可以认为试验并不完备.

由于上述的研究成果不能完全真实反应压实黄土的变形特性,不能给出延安地区Q2、Q3黄土各自的变形特性及相互关系,因此不能完全地应用在延安地区112 m高填地基科研试验项目的研究中.

本文利用室内侧限压缩固结试验,通过对比分析压实Q2、Q3黄土,讨论了影响压实Q2、Q3黄土变形特性的因素,构造了适用于表征侧限条件下压实Q2、Q3黄土应力-应变关系的Gunary模型,分析了割线模型模量与垂直压应力及割线模量与压实度的关系,提出了基于Gunary模型普遍适用的压实黄土加载本构模型.

1 试验方案

室内标准击实试验用以确定土样的最优含水率及最大干密度.分为标准轻型击实试验与标准重型击实试验,由于本次工程的工程量比较大,因此选择标准重型击实试验.经测定Q2、Q3黄土的塑限分别为17.9%、17.3%,标准击实试验中规定在塑限附近配土,但是大量标准重型试验证实最优含水率往往低于塑限.重型击实试验需要大量配土,在试验过程中随时监测含水率的变化.采用联合法测定湿密度数值,使试验结果更为准确.试验步骤按照相关规范执行[3-7],则Q2、Q3黄土标准击实试验曲线如图1所示.

由图1可以看出：

1) Q2黄土的最优含水率为13.4%,最大干密度为1.92 g/cm3；Q3黄土的最优含水率为13.5%,最大干密度为1.82 g/cm3,说明Q2黄土压实后比Q3黄土更为致密,是更好的地基填筑材料.标准击实试验曲线在最优含水率左侧陡、右侧缓,右侧曲线大致与理论饱和含水率曲线平行,说明在最优含水率左侧时,含水率对干密度影响较大.Q2、Q3黄土理论最大干密度数值都没有高于2.10 g/cm3.Q2、Q3黄土最优含水率相差甚微,在现场施工过程中可以更好地控制水量的使用.

2) 比较Q2、Q3黄土击实试验曲线与各自理论饱和含水率曲线间距可知,Q3黄土击实样的含气量高于Q2黄土击实样,以上结果将影响压实黄土渗气试验研究.

在同样的击实功情况下,采用小筒做试验,可得Q2黄土最优含水率为12.4%,最大干密度为1.92 g/cm3；Q3黄土的最优含水率为12.5%,最大干密度为1.82 g/cm3.由此可知在不同的边界条件下,Q2、Q3黄土的最大干密度数值是不受影响的,改变的是最优含水率.可构造含水率的最优区间,Q2黄土为12.4%～13.4%,Q3黄土为12.5%～13.5%.在现场施工中将含水率控制在最优区间,既可以减少水的使用,也可以保证施工质量.

2 变形特性分析

2.1 压缩曲线

压缩曲线是室内侧限压缩固结试验结果的直接体现,它反映了孔隙比e与垂直压应力p的关系.由压缩曲线可得到压实黄土的压缩性指标.孔洋等[8-9]在黄土特性研究中假设ΔHi为某级垂直压应力pi作用下的稳定压缩量,根据土的孔隙比的定义及侧限条件下竖向受压前后的试样横截面面积不变的性质,则土样在某级垂直压应力pi作用下产生稳定压缩量ΔHi时的孔隙比ei=e0-(ΔHi/H0)(1+e0).压缩曲线有两种绘制方式,一种是基于普通坐标的e-p曲线,另一种是基于对数坐标的e-lgp曲线.压实Q2、Q3黄土的e-p、e-lgp曲线如图2、图3所示.

由图2可以看出：

1) 随着压实度的增大,孔隙比逐渐减小,且减小程度非常大.土样的孔隙比越小,土样密实程度越好,渗透性越小,地基稳定性越高,说明压实度对土体压缩固结变形及浸水变形影响明显.在各压实度、各级垂直压应力作用下,Q3黄土的孔隙比始终高于Q2黄土的孔隙比,说明Q2黄土比Q3黄土密实,压缩性相对较低,更适合作为填筑材料.

2) 孔隙比随垂直压应力的增大而减少,且e-p曲线的减小速率逐渐减缓,最后曲线趋于平缓稳定在某一数值.将e-p曲线任意两点割线的斜率定义为压缩系数,用以描述土的压缩性.从图中可以看出随着垂直压应力的增大,压缩系数逐渐减少,说明土样越来越密实.Q2黄土在压实度为70%、80%、90%时,孔隙比分别稳定在0.55、0.50、0.45；Q3黄土在压实度为70%、80%、90%时,孔隙比分别趋近于稳定在0.70、0.60、0.55.通过对比可以看出Q3黄土在更高垂直压应力下仍有可能被压缩,在上部外荷载的作用下,可能产生附加的压缩固结变形,影响地基的稳定.

由图3可以看出：

1) 压实度对土体压缩固结变形影响明显,Q2黄土比Q3黄土更适合做填筑材料.

2) 在e-lgp曲线中孔隙比随垂直压应力的增大而减少,且减小速率逐渐减缓,最后曲线趋近于斜直线.将e-lgp曲线中某一压应力段的直线斜率定义为压缩指数,类似于压缩系数以描述土的压缩性,直线段斜率越大说明土样压缩性越高.通过对比分析压实Q2、Q3黄土的e-lgp曲线可知Q2黄土的压缩指数高于Q3黄土.对于同样的填筑深度,单独采用Q2黄土作为填筑材料所产生的压缩固结变形量要高于Q3黄土,而固结稳定后Q2黄土填筑体密实程度高于Q3黄土填筑体,并且在附加外荷载作用下产生的额外变形量小.则在填筑过程中采用Q2、Q3黄土混合填料是合适的施工方案,但是最优的填筑配比难以控制.

2.2 应力-应变关系

由表1可以知：

1) 经对比发现Gunary模型及幂函数形式对Q3黄土的拟合精度略高于Q2黄土,说明Q2黄土的变形特性相对于Q3黄土较复杂.

2) Gunary模型拟合εsi-pi时,最大相关系数为0.999 2,最小相关系数为0.987 5,差值为0.011 7；幂函数形式拟合εsi-pi时,最大相关系数为0.996 9,最小相关系数为0.906 7,差值为0.090 2,

表1 压实黄土的εsi-pi关系

可知Gunary模型拟合稳定性远高于幂函数拟合形式；同时,可以看出Gunary模型拟合精度也远高于幂函数拟合形式,说明Gunary模型是最优的拟合方式,适用于表征压实黄土应力-应变关系.

3) 幂函数拟合形式不能表示垂直压应力趋近于零时的初始割线模量,Gunary模型中的a值,如343.497 5、6 140.308 4等即不同压实度情况下,当垂直压应力趋近于零时的初始割线模量.

Q2和Q3黄土在最优含水率情况下控制不同压实度(70%、80%、90%),进行室内压缩固结试验，结果如图4和图5所示.

由图4、图5可以看出：

1) 在2.0 MPa垂直压应力作用下,Q2黄土的垂直压应变要高于Q3黄土的垂直压应变,说明Q2黄土压实后致密程度高、空隙含量少、含气量少、渗透性小,在附加外荷载作用下的变形稳定性好.

2) 无论在高压实度或低压实度情况下,Gunary模型始终能够真实反映压实黄土应力-应变关系,拟合曲线发展趋势符合实际试验结果,其拟合准确程度高于幂函数的拟合形式[14].

3) 先前的研究成果认为幂函数的拟合方式适用于表征压实黄土应力-应变关系,原因为相关试验结果是建立在高压实度条件下,本文的试验成果也证实了在90%及以上压实度情况下,幂函数的拟合形式有较高的相关系数,对Q2黄土在压实度为90%时拟合相关系数甚至比Gunary模型高出0.000 2.但是随着压实度的降低,其拟合稳定性及准确程度明显降低.从图中可以看出其拟合曲线明显偏离实际曲线,说明幂函数拟合形式并不是最佳的拟合方式,不能适用于表征压实黄土的应力-应变关系.

2.3 割线模量法

(1)

其中：a、b、c是试验参数.

由以上分析可以看出,Gunary模型转化后得到的Esoi-pi关系公式包含了线性与非线性曲线关系两种情况,具有较高的适用性,用图表形式表示如表2、图6、图7所示.

由表2、图6、图7可知：

1) 式(1)可以很好地拟合Esoi-pi曲线,相关系数较高,拟合曲线能很好地反映实际曲线的发展趋势.在最优含水率条件下,割线模量随着压实度的增大而增大,Esoi-pi曲线中始末两点的割线斜率随着压实度的增大而增大.

表2 用式(1)拟合压实黄土Esoi-pi关系

2) 当压实度为90%时,Q3黄土的割线模量要大于Q2黄土.随着压实度的降低,割线模量差值变小.

3) 当含水率相同时,压实度越小,c值越小(c≥0).c值大小决定了曲线的形式,可以看出c值越大,曲线越接近于非线性的曲线形式,类似于幂函数形式的拟合曲线；c值越小,曲线越接近于线性形式,类似于双曲线模型转化后Esoi-pi线性形式的拟合曲线；c值为负数时,拟合曲线在初始阶段呈现弯曲,但是当垂直压力大于0.400 MPa后,仍是线性形式.由以上分析可以看出,Gunary模型转化后得到的Esoi-pi关系公式包含了线性与非线性曲线关系两种情况,拟合形式适用于Q2、Q3黄土.同时,可以认为双曲线模型实际是Gunary模型中c值较低时的特例,说明Gunary模型具有更高的适用性,式(1)可以表征压实黄土割线模量与垂直压应力的关系[8].

2.4 压实度与割线模量关系

胡长明等[2]认为吕梁地区压实马兰黄土压实度与割线模量呈线性关系,即EsoiKi=a+bKi.本次在大量试验基础上整理压实Q2、Q3黄土EsoiKi-Ki关系,如图8所示.

由图8可以看出：

1) 在最优含水率条件下,割线模量Esoi在压实度为80%～90%时受垂直压应力影响较大,并且割线模量Esoi随着压实度及垂直压应力的增大而增大.

2) Q2黄土在垂直压应力为0.025～0.100 MPa时,EsoiKi-Ki曲线为上凸曲线；在垂直压应力为0.100～0.800 MPa时,EsoiKi-Ki曲线近似线性曲线；在垂直压应力为0.800～2.000 MPa时,EsoiKi-Ki曲线为下凹曲线.Q3黄土在垂直压应力为0.025～0.800 MPa时,EsoiKi-Ki曲线近似线性曲线；在垂直压应力为800～2 000 kPa时,EsoiKi-Ki曲线为下凹曲线.

3) Q2、Q3黄土在垂直压应力为0.800～2.000 MPa时为3条平行的非线性曲线,故认为EsoiKi-Ki在高压下不符合线性关系,需要修正；在低、中压下可以用EsoiKi=a+bKi公式拟合.

3 结论

1) 压实度对土体压缩固结变形影响明显；压实Q2黄土固结完成后,土体密实度高,含气量少,渗透性小,外加荷载作用下附加变形量小,是优于Q3黄土的地基填筑材料.

3) 由Gunary模型转化后得到的割线模量与垂直压应力的关系式涵盖了低压实度情况下的线性关系与高压实度情况下的非线性曲线关系两种情况,具有更好的适用性.

4)EsoiKi-Ki在高压下不符合线性关系,需要修正；在低、中压下可以用EsoiKi=a+bKi公式拟合.