湿陷性黄土与膨胀土的分级增湿变形特性试验研究

安康膨胀土 通过加荷平衡法对初始含水率为
干密
度分别为
和
的试样进行膨
胀力测定 同时把分级浸水后压缩 浸水饱和后压缩及增
湿变形试验的压力与膨胀率关系曲线中膨胀率为零时所对
应的压力绘制初始干密度与膨胀力的关系曲线 见图
图 干密度与膨胀力关系曲线
可见膨胀力与初始干密度近似呈线性关系 膨胀力也是由侧限压缩试验得到 其应用于实际工程亦同
积的膨胀或剪应变的增大 试样的
增大 从图中还可以看到 应力越小 基质吸力越大 应力
越大 基质吸力越小 在同一应力状态下 随着试样体积的膨胀或剪应变的增大 基质吸力逐渐减小
土的特征应力 湿陷起始压力是指黄土在受水浸湿后 开始产生湿陷时的相应压力 它是地基基
础设计 地基处理及湿陷性评价的多功能参数 在工程设计中 对某一类建筑物 要求控制地基应力不
收稿日期 基金项目 水利部 作者简介 邢义川
计划项目 男 陕西镇安人 博士 教授级高级工程师 主要从事岩土力学方面的研究
左右 其土性指标见表
天然含水率 天然干密度 比重
??
天然含水率 比重
天然干密度 ??
表 渭北张桥原状黄土物理指标
颗粒组成
液限 塑 自重湿陷 系数
湿陷系数
表 膨胀土的物理性质试验结果
膨胀率
含水率
膨胀率
含水率
膨Fra Baidu bibliotek率
表 试样分级增湿到饱和稳定后加荷及卸荷试验的膨胀率 干密度为 ?
压力?
初始含水率
加荷
加荷
对两种特殊土变形类型分析表明 在对这两种土的工程数值模拟时 应充分考虑力和水的作用
图 不同初始含水率分级浸水稳定后加荷压缩全过程自由膨胀率历时曲线
结论
本文以陕西张桥黄土和安康膨胀土为研究对象 开展了增湿变形研究 得到以下结论 在增湿过 程中黄土和膨胀土的应力应变曲线变化规律不同 黄土由于结构强度的影响 应力应变曲线明显呈压 缩 湿陷变形和固结压密 段 其变形是一种特殊的塑性变形 膨胀土由于矿物成份的影响 应力随变 形增加呈衰减趋势 并且在增湿变形中以体积变形为主 剪切变形较小 其湿胀变形是一种特殊的弹塑 性变形 在增湿过程中黄土和膨胀土的基质吸力变化规律不同 黄土的基质吸力随含水率增加变化 较大 随应力增加变化很小 膨胀土的基质吸力随含水率和应力的增加都有较大变化 湿陷起始压 力和膨胀力是黄土和膨胀土的两个特征力 但是对于复杂工程 特别是水利水电工程 其很难反映工程 实际 应将其推广到三维应力空间 可定名为湿陷起始应力和膨胀应力 参考文献
样存在一定局限性 可将其推广为膨胀应力
增湿变形类型 在力和水作用下 黄土湿陷变形的产生和发展反映了黄土的特殊结构从弱化到破
坏又到新结构形成的过程 由于结构破坏是不可恢复的 所以湿陷变形是一种特殊的塑性变形 可以用
弹塑性力学来解释 黄土在大于湿陷起始应力
作用下 含水率增加 增湿 其变形是一种塑性变
形 而含水率减小 减湿 其变形不变 相当于中性变载 在大于湿陷起始含水率作用下 应力的增加
水 获得的是土体饱和时的变形 本文增湿试验在三轴压缩仪上
进行 采用的试验仪器为普通三轴压缩仪 为试验需要做了 点 改变 将三轴仪的压力环换成应力头 使应变式加载变成应力式
图 增湿变形试验方法示意
加载 在试样帽上增加一个小孔供分级浸水用 放置试样的底部基座上嵌套一个进气值为
陶土
板 用于测量非饱和土孔隙水压力 该仪器在土样浸水时可测定轴应变 体应变 孔隙气压力
康膨胀土 在相同初始干密度
下 不同初始含水率
和
的
侧限湿胀试验见图 对于每个初始含水率试样 先 级增湿到 点 见表 然后分级加荷到 点
再卸荷到 点 见表 可见 点到 点的变形是弹性变形 而 点与 点的变形是塑性变形
表 不同初始含水率试样分级增湿到饱和时的试验结果
初始含水率
含水率
膨胀率
含水率
膨胀率
含水率
超过土的湿陷起始压力 这样地基即使浸湿也不至于产生湿陷 可不采取设防措施 在需要消除地基全
部的湿陷性时 可根据湿陷起始压力确定地基的处理厚度 湿陷起始压力也可用于黄土的湿陷类型判
别 当土的饱和自重压力小于或等于湿陷起始压力时 可定为非自重湿陷性黄土 当土的饱和自重压
力大于湿陷起始压力时 可定为自重湿陷性黄土 湿陷起始压力的概念是在侧限压缩试验基础上提出
胀应力两个概念 进一步合理分析了两者的特征力
关键词 湿陷性黄土 膨胀土 增湿变形 试验
中图分类号
文献标识码
研究背景
工程中湿陷性黄土地基的失事大多是在建筑物荷载作用下 由于地下水位上升或降雨所引起的 而
膨胀土边坡的滑塌也多发生在降雨季节 所以力和水作用下的湿陷性黄土和膨胀土的强度及变形问题
历来是岩土工程研究的焦点 也取得了大量的科研成果 关于湿陷性黄土的研究主要有
刘祖典 黄土力学与工程 西安 陕西科学技术出版社 余雄飞 朱瑞成 汤高举 等 新疆黄土的工程性质 乌鲁木齐 新疆人民出版社 邢义川 谢定义 李永红 非饱和黄土湿陷过程中有效应力变化规律 岩石力学与工程学报 卢再华 陈正汉 非饱和原状膨胀土的弹塑性损伤本构模型研究 岩土工程学报 李振 邢义川 张爱军 膨胀土的浸水变形特性 水利学报 徐永福 非饱和膨胀土的结构模型和力学性质研究 南京 河海大学
责任编辑 韩昆
定压力下压缩 保持压力不变 待土样变形稳定后浸水 设浸水
前试样的压缩变形稳定值 与每级浸水稳定的变形值 之差为
当前应力状态下的增湿变形 若为湿陷性黄土土样
是
增湿湿陷变形 若为膨胀土试样
则是增湿湿胀变形
增湿变形试验与一般的浸水变形试验不同 前者是分级浸
水 获得的是土体在含水率变化过程中的变形 后者为一次性浸
利用
黄土的湿陷系数判别黄土湿陷性的强弱 辨别黄土场地的湿陷类型和等级 影响黄土湿陷性的因素
分析 例如黄土的干密度 含水率和孔隙比等对黄土湿陷性的影响 黄土地基自重湿陷的敏感性 例
如浸水的面积和时间对自重湿陷量的影响 浸湿范围及裂隙开展距离等 黄土湿陷变形的塑性特征
和本构关系 如计算黄土湿陷变形的湿陷系数法 非线性模型计算法 弹塑性模型计算法以及损伤力学
模型计算法 黄土的增湿和减湿变形特性等 关于膨胀土的研究主要有
膨胀土的矿物成份
与其膨胀性的关系研究 膨胀土的非饱和特性与计算模型研究 膨胀土的胀缩性 超固结性 裂隙
性以及强度衰减特性研究 降雨入渗对土坡稳定性的影响研究等
湿陷性黄土和膨胀土是两种特殊的土 其共同点是两者都对水具有敏感性 是水敏性土 不同点是
和孔隙水压力
黄土的增湿湿陷试验 对于张桥黄土 按
施加固结应力 分别为
和
相应的轴向应力 分别加到
和
待变形稳定后逐级浸水 测定相应的增湿
体应变 增湿轴应变
及 将不同土样的试验结果绘制成
曲线和
曲线 见图 和图 图中 和 分别为
和
图
和
曲线
膨胀土的增湿湿胀试验 对于安康膨胀土 按
?
施加固结应力 分别为
和
相应的轴向应力 分别加到
来的 随着试验水平和理论研究的完善 湿陷起始压力已不能全面反映黄土工程湿陷变形规律 因此将
其含义推广 提出湿陷起始应力
的概念 其值为图
图 中第一处转折点的应力
膨胀力是指膨胀土体在吸水膨胀过程中 保持土体体
积不变而产生的最大内应力 是膨胀土地基评价和确定
地基承载力的关键参数 在工程设计中有着重要作用 对
式中 为球应力 为大气压强 为含水率
为试验参数
图 膨胀土的剪应变与剪应力 含水率的关系可用下列关系式进行表述
?
式中
为试验参数
基质吸力变化 对于黄土 从图 和图 可以看出 不同含水率的基质吸力有明显的差异
而同一含水率条件下曲线的
变化不大 也就是说
随含水率 变化明显 而随应力
变化不大
从图 和图 可以看出 不同应力状态下 膨胀土样在保持含水率不变的条件下 随着土样体
年月 文章编号
水利学报
第 卷第期
湿陷性黄土与膨胀土的分级增湿变形特性试验研究
邢义川 李京爽 李振
中国水利水电科学研究院 岩土工程研究所 北京 西北农林科技大学 水利与建筑工程学院 陕西 杨陵
摘要 对陕西张桥的湿陷性黄土和安康的膨胀土分别进行了分级增湿变形试验 根据试验结果分析了这两种土的
应力应变关系曲线 增湿变形过程中基质吸力变化特点及增湿变形类型 分析表明 其两者的增湿变形应力应变
湿陷性黄土遇水湿陷 而膨胀土遇水膨胀 尽管对这两种土特性的有关研究成果不少 但对其增湿过程
中的变形特性方面还研究得不够 本文从力和水共同作用的角度 分析这两种特殊土的增湿变形特性
两种非饱和特殊土的三轴增湿变形试验
土样概况 试验所用黄土土样取自渭北张桥地面以下约 的原状黄土 该黄土为 级自重湿陷 性黄土 其土性指标见表 试验所用膨胀土取自安康某工程地基膨胀土 取土深度在地面以下
颗粒组成
液限 塑限 塑性 自由膨 不均匀 曲率
指数 胀率
系数 系数
从表 可以看出 该膨胀土土样以黏粒含量为主 占
液限为
塑性指数为
按塑
性图分类为高液限黏土 该土自由膨胀率为
可判定为具有强膨胀潜势的膨胀土 通过标准击
实试验可得该膨胀土的最大干密度为
最优含水率为
试验方法及仪器 增湿变形试验方法如图 将土样在给
第二处转折点位置约在
两处转折点实际是黄土浸水湿陷起止
的应力水平 在第一处转折点前 由于黄土本身的结构强度大于所加应力 土样变形很小 第一处转折
点到第二处转折点之间曲线的形态表明 应力的增加使土样原有的结构强度迅速丧失 变形迅速增大
第二处转折点是湿陷变形过程的关键点 是黄土土样的原结构完全被破坏 土样结构被重构的应力点
此时
和
曲线的形状由下凹变为上凹 该点称作转点 转点前的下凹曲线可由双曲线表
述 转点后的上凹曲线可由指数函数曲线表述 如果用 和 分别表示图 和图 中不同含水
率对应曲线上转点的应力 和 分别表示它们对应的增湿应变 则 用直线所示 如图中虚线所示 这样 应力应变关系曲线可表示如下
转点前
曲线和
曲线均可
转点后
式中
均为试验常数
由于膨胀土中黏土矿物 碎屑矿物以及游离氧化铁 氧化铝和氧化硅等物质组份的存在是其破坏主
要原因 与黄土的增湿变形曲线图 和图 相比 图 和图 的形态完全不同 对于每一条含水率曲
线 都反映了应力增加 膨胀变形减小的过程 在增湿变形中以体积膨胀为主 剪切变形较小 体积变化
以侧向变形为主 轴向变形较小 图 膨胀土的体应变与球应力 含水率的关系可表述为
和
待变形稳定后逐级浸水 测定相应的
增湿体应变 增湿轴应变
和 将不同试样的试验结果绘制成
和
图
和
曲线
曲线 见图 和图
图
和
曲线
图
和
曲线
三轴增湿变形特性
应力应变关系曲线 由于黄土存在粒状架空结构 在力和水共同作用下 其破坏主要是结构性破
坏 由图
图 可见
与
曲线的形状相似 每条曲线都可分为 段 第一段称为起
始压缩段 第二段称为增湿湿陷变形段 第三段称为固结压密段 曲线的第一处转折点位置约在
曲线形态完全不同 湿陷性黄土的应力应变曲线明显分为压缩 湿陷变形和固结压密 段 并且在湿陷变形转变为
固结压密时有一个明显的转点 膨胀土的应力则随变形增加呈衰减趋势 并且在增湿变形中以体积变形为主 剪
切变形较少 湿陷性黄土和膨胀土在增湿过程中基质吸力变化亦表现出明显的差异 前者随含水率明显变化 随
应力变化较小 而后者随含水率和应力的增加均有较大变化 最后提出湿陷性黄土的湿陷起始应力和膨胀土的膨
和减小只要在黄土结构强度完全破坏之前 其产生的变形仍然是塑性变形
在力和水作用下 膨胀土变形的产生和发展反映了膨胀土吸水和脱水的过程 在小于膨胀力时 含
水率增加 增湿 或减小 减湿 引起的膨胀变形或收缩变形是弹塑性变形 不可恢复的塑性变形是膨胀
土出现裂隙的主要原因 在大于起始膨胀含水率时 应力变化引起的变形同样是弹塑性变形 对于安