黄土状压实填土压缩和强度特性研究

黄土状压实填土压缩和强度特性研究
摘要：基于非饱和土力学理论，并考虑黄土结构性的影响，本文通过三轴剪切试验取得了原状黄土的压缩性随含水量的增加而增加的结论，确定了土体割线模量与含水量之间的定量关系。

关键词：非饱和土湿陷性黄土三轴剪切试验
建筑结构基础设计过程中，由于工程地质条件的多样性，地基土抗剪强度的不同，常常需要对地基持力层或主要受力层进行处理，常用的方法有换填垫层法；另外，在山区地基或者丘陵地带，由于地形地貌的原因，建设场地起伏较大，这时，也需要对地基进行处理，常用的方法有压实填土法。

对于这两种方法，在填料选择和施工技术等方面类似，工程人员在设计时对一些参数的选取存在混淆，本文着重从适用范围、质量控制、填土厚度、承载力修正等四个方面分析了两者的区别。

1、影响路基压实的因素
1.1含水量对压实的影响
由土的三相分析中可知，土中含水量的变化，较大程度上影响土的性质的改变，对所能达到的密实度起着非常重要的作用，随着含水量的增加，土所处的状态发生变化，即可由半固态→硬塑态→较塑态→液态的过程转变，不同状态的土对外力的抵抗能力是不同的，处在半固体状态的土，含水量小，可塑性很小，压实困难，遇水则强度急剧下降，作为路基填土硬塑状态的土基容易通过压实获得最佳密实度和较好的水稳定性；处于较塑状态的土，由于含水量偏高，土基难以压密，在碾压过程中可能会产生弹簧现象，变形较大。

当含水量达到最佳含水量时，可以达到最大干密度。

1.2土质对压实的影响
就填筑路堤而言，最适宜的是砂砾土、砂土及砂性土，这些土容易压实，有足够的稳定性和水稳定性，最难压实的土是黏土，黏土的特点是液限大，最佳含水量比其他土类大，而最大干密度较小，但经压实的黏土仍具有良好的不透水性。

土粒愈细最佳含水量的绝对值愈高，最大密度的绝对值则较低。

砂砾土的颗粒较粗，呈松散状态，水分易散失。

因此，含水量对砂土没有多大实际意义。

1.3压实功能对压实的影响
所谓压实功能即压实土壤所消耗能力之大小。

根据试验表明，压实功能愈大，土的最大干密度也愈大，而土的最佳含水量愈小。

压实功能的调节主要靠机械重量和碾压次数的增减来实现。

当土的含水量不变时，对同一黏土来说，则压实功能愈大，所得的干密度也愈大。

所谓压实土壤的最佳含水量是在一定的压实功能下对某种土而言的，根据这一特性，在施工中如果土的含水量低于最佳含水量，加水又有困难时，可采用增加压实功能的办法来提高密实度。

而当压实功能增加到一定程度后，土的密度增加不显著，这说明功能达到一定限度后，采用增加压实功能的办法来提高土的密实度，其效果不大，亦不经济，此时应采取换土或其他措施，来达到提高密实度的要求。

1.4 压实工具及压实层厚度
不同的压实机具，其压力传播的有效深度也不同，夯击式机具压力传播最深，振动式次之，碾压式最浅。

一种机具的压实的作用深度，在压实过程中不是固定不变的，土体松散，压力传播较深，当上部土层逐渐密实，强度相应提高后，其作用深度就逐渐减少，当压实机具的重量不大时，荷载作用时间越长，土的密实度越高，则密实度的增长速度随时间而减少；当压实机具很重时，尤其超过其一时间限度后，土的变形急剧增加，甚至达到破坏，所以当路基具有一定强度后，不应用振动大型压路机压实。

此外，碾压速度越高，压实效果越差。

因此施工时应按照这些特性，根据不同的土质选择机具，确定每层压实厚度、碾压遍数及行驶速度等。

2、试验用土的基本性质
黄土属于粘性土类，但又与一般的粘性土有所不同。

黄土的变形是力与水对上共同作用的结果，其大小与应力状态和含水量密切相关。

对陕西西安原状黄土进行了增湿情况下的三轴压缩试验，通过对试验结果进行对比分析，总结出了黄土增湿过程中压缩性，也就是含水量与土体压缩模量之间的关系。

试验用的黄土，取自陕西西安市区，属于典型的Q3黄土。

取土深度为
1.5m~5.0 m，土体呈褐黄色，可塑状态，天然含水量为13.6% ~30.5%，天然密度为1.38~1.76g/cm3天然孔隙比为0.91~1.28，针状孔隙及大孔隙发育，含白色钙质条纹及个别小姜石。

27%＜WL＜34.7%, WP =18.2%，在天然含水量下，试验用土的孔隙比e＞1.0。

3、试验内容
对几组不同含水量的土样进行了固结压缩试验，对试验的结果进行了分析对比。

试验仪器：应变控制式三轴仪。

试样尺寸：三轴试样为直径39.1mm，高度为80mm。

试验准备阶段：选择合适量程的测力计；保证孔隙水压力测量系统内部的气泡完全排出；检查管路，保证无漏水、漏气现象发生；保证橡皮膜弹性状态完好，且并无破损。

4、试验成果分析
4.1不同含水量下的压缩模量比较
土的压缩模量是体现土体压缩特性的量化指标，它的定义是“土体在完全侧限条件下的竖向附加应力与相应的应变增量之比”。

但是，想要得到压缩试验结果的方法只有通过曲线或者曲线才行，而这两种方法均要受到土体初始孔隙比的影响。

因此，本文参考刘保健和张军丽通过对大量对比试验资料的分析，提出的割线模量ES0的概念，并对其进行量化分析。

割线模量ES0下标的意义是S表示土体侧限压缩状态的情况，0表示割线模量的起点时间。

需要注意的是，任意t时刻轴向应力对应的轴向应变是对于时间的实时监测值，而并非稳定的变形量。

曲线的截距(即初始割线模量ES0)随试样初始含水量的变化较大，但斜率的变化较小。

基本可以算作是在不同的含水量之下，斜率保持不变。

某压力下试样的割线模量ES0i随初始含水量的增大而减小，随竖向压力的增加ES0i-w曲线表现为自下而上逐渐变化的曲线系。

随初始含水量的增大，试样的初始割线模量ES0急剧降低。

通过上述过程发现，在不同的含水量之下ES0i-P曲线斜率虽然存在一定的
数值差别，但是两两之间的差值都很小，所以可以认为在各个初始含水量之下的ES0i-P曲线是平行的，所以任意含水量下ES0i-P曲线间的割线模量差ΔES0i 都可以用它们的初始模量差ΔES0代替，也就是说，在任意含水量下的割线模量差值ΔES0i可由图8曲线上相对应两点差值代替。

图中曲线按指数形式对其进行模拟比较合理，通过试验取得。

本次试验M=278.93,N= -0.122，单位为100kPa。

按照土工试验方法标准得出来的其他土体参数与含水量之间的关系。

粘聚力随含水量变化较大，而内摩擦角随含水量变化较小。

土体其他参数随含水量指标变化特性，由此试验可以得到两个结论：
4.1.1原状非饱和黄土的粘聚力随含水量的增加而增加，可用线性关系表示。

4.1.2内摩擦角与含水量之间的关系是非线性的，可用二次多项式表示。

4.2根据集料的最大粒径选用灌砂筒
当试样的最大粒径小于15mm、测定层的厚度不超过150mm时，宜采用Φ100mm 的小型灌砂筒测试；
当试样的最大粒径等于或大于15mm，但不大于40mm，测定层的厚度不超过150mm，最大不超过200mm时，应用Φ150mm的大型灌砂筒测试；
如集料的最大粒径达到40～60mm或超过60mm时，灌砂筒和现场试洞的直径以200mm为宜。

工地上普遍应用Φ150mm的灌砂筒，它的测深为150mm，其所测压实度仅为这150mm的压实度。

但是现场压实层厚度往往在200mm左右，而且一般压实度在压实表层都比较高，往下就难以保证，因此在山区现场含碎石较多的集料应采用Φ20omm的大灌砂筒检测为宜。

5、本文结论
本文通过黄土浸水压缩试验了解到原状黄土的压缩性随含水量的增加而增加，并且对于同一种土来说，不论将其初始含水量改变为多少，浸水后黄土的压缩性都不会产生很大的差别。

通过原状黄土三轴压缩试验，本文确定了土体割线模量与含水量之间的定量关系以及c和φ与含水量之间的定性关系。

参考文献
[1］江巍．固体体积率检测方法在机场工程的应用［J］中国水运，2010( 10) [2］潘轶．固体体积率检测方法在机场工程中的应用[J］．中国水运，2010( 11) [3］陈艳琼．级配碎石柔性基层固体体积率指标研究［J］．河北工程大学学报: 自然科学版，2010，4 ( 2)。