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地下水位变化对黄土地基强度的影响及机理探讨

时间:2017-12-11 15:15来源:未知 作者:360期刊网 点击:

  地下水位变化对黄土地基强度的影响及机理探讨

  雅如文

  (宁夏建筑设计研究院有限公司,银川 750002)

  摘要:根据对宁夏吴忠市红寺堡区某黄土建设场地两次工程勘察,考虑地下水位变化对地基强度的影响,分别采用标准贯入试验和室内固结试验对地基土的强度进行评价,并从微观方面对含水量变化引起黄土地基强度改变的机理进行理论分析,结果表明:当地下水位升高时,地表以下固定深度范围内土体的标贯击数降低,土体强度明显下降;饱和黄土的压缩系数较非饱和黄土高;当土体的饱和度增加,颗粒的表面张力、基质吸力以及粒间胶结力、摩擦力均呈现下降趋势,因此在考虑黄土地基的强度时不仅需要考虑黄土的湿陷性,还应注重土体的遇水软化问题。

  关键词:黄土;湿陷性;含水量;标准贯入试验;固结

  中图分类号:TU444 文献标识码:B 文章编号:1004-3152(2017)05-0594-05

  1.引言

  随着我国在西北地区进行大规模的工程建设,广泛分布于该地区的黄土成为众多学者研究的热点。黄土地基的强度是工程勘察设计阶段所要确定的重要设计指标,而湿陷性是黄土地基强度的主要影响因素,因此大多数学者均是按照黄土发生湿陷变形进而引起地基强度变化的这一主线展开研究工作。目前行业规范根据黄土易发生湿陷变形的特性把其列为特殊土,前人对其湿陷特性的机理进行了大量探索,并提出了多种理论和假设,例如大孔性、多孔性假说、毛细力假说、加固凝聚力降低或消失假说、可溶盐假说等等,但迄今为止没有任何一种理论能解释黄土的所有湿陷问题,究其原因是因为黄土湿陷性的影响因素众多,现有的理论成果不能将所有的影响因素囊括在内,这也就造成了运用某些理论解释黄土湿陷性适用性较低的现象。在影响黄土湿陷性的众多因素中,含水量的变化是不可回避的因素,而在实际工程中由于降雨、地下管道渗漏、绿化浇灌等原因经常会引起地下水位的变动,因此研究对下水位变动对黄土强度影响具有重要的理论意义和实践价值。

  2.研究现状

  关于含水量变化对黄土强度及湿陷性的影响,前人已经进行了大量的研究工作,并取得丰硕成果。方祥位等人以陕西蒲城地区的Q2型黄土为研究对象,借助单向压缩试验的方法对黄土的矿物组成、物性指标(饱和度、干密度等)和微观结构参数对黄土湿陷性影响进行了分析,并从内因、外因两个层面上对黄土湿陷性的机理进行了研究,指出粒间孔隙的减小是研究Q2黄土湿陷性不可忽视的因素;寇杨军等结合工程现场的勘察结果对地下水位存在变动的黄土地基处理方法进行研究,认为在处理该种类型的黄土地基时应综合考虑地下水的变化幅度、地基土的湿陷等级以及基底附加应力来确定地基基础形式,必要时可采取挤密桩和桩基础的组合处理方法;吴军针对甘肃地区的湿陷性黄土,通过室内试验的方法从湿陷系数和湿陷速率的角度,对初始含水率、压力、时间三个因素对黄土湿陷性的影响进行研究,指出初始含水量与湿陷系数呈反相关关系,并且在同一压力下,湿陷速率随着初始含水量的增大呈现出先升高后减小的趋势,并在某一含水量处湿陷速率达到峰值;黄欢等通过室内土工试验方法,对甘肃某电厂厂区黄土的湿陷系数与物性指标间的关系进行了研究,并得出黄土的湿陷性随含水量的增大而减弱的结论,与吴军的研究结果相吻合;顾全成、关文章等分别对黄土湿陷破坏的机理进行了研究,并对土体发生湿陷变形的临界条件进行了阐述,指出黄土的湿陷变形并不是在土体浸水开始时就发生的,存在一临界值,该临界值称为土体的湿陷起始应力,当在某深度处土体的总应力(饱和自重应力与附加应力之和)达到或超过土体的湿陷起始应力以后才会发生湿陷变形;张世径、杨校辉‘”3等人以大厚度自重湿陷性黄土为研究对象,着重对地基的处理深度进行了研究,并分别就剩余湿陷量的合理控制和湿陷性的评价指标进行了阐述,指出深度较大处的黄土含水率增长缓慢,降水及下渗水对其湿陷性的影响较小,达不到发生湿陷变形所需的临界初始含水率;杨坪等通过室内侧限压缩试验的方法,对重塑黄土的变形特性随含水率的变化进行了研究,并对不同含水率下土样在荷载作用下的应变速率及其衰减情况进行分析,得出有益于工程实践的结论;李敏等对黄土湿陷性的影响因素进行了综合分析,在提出充分湿陷、不充分湿陷和剩余湿陷概念的基础上,指出黄土的含水量是影响其湿陷特性的关键因素,黄土的不充分湿陷与浸水含水量呈正相关关系,充分湿陷与初始含水量呈负相关关系。

  综上所述,黄土中含水量的变化的确会对黄土的湿陷性及强度造成重大影响,但这些学者研究的重点集中在宏观的力学试验和物理现象,而且大多是从水分含量变化对黄土湿陷性影响的角度阐述其对土体强度的影响,很少从细观的角度对水分含量变化对黄土强度影响的过程进行分析。黄土的湿陷特性对地基土的强度存在着不可忽视的影响,而水是引起黄土湿陷变形的重要因素,因此有必要从细观角度对地下水含量变化对黄土的湿陷性,乃至地基土强度影响进行研究。本文结合工程实例,并借助标准贯入试验和室内固结试验从宏观角度阐述地下水含量对黄土地基强度的影响,然后从微观颗粒受力平衡的角度对前述物理现象进行理论分析。

  3.工程实例

  3.1工程概况

  宁夏吴忠市红寺堡区太阳山镇灌区第二小学为当地重点扶持教学点,2012-1016年宁夏建筑设计研究院先后两次对本项目中场区内不同建筑物下的地质状况进行详细勘察,为施工图设计提供依据。2012年首次对场区内的地层特性和地下水位进行现场勘探,布置勘探点9个,其中钻孔6个,探井3个,钻孔深度均为15.45m,探井深度为10.5m,取原状土试样30组,另对场区内的地基土进行了62次的标贯试验;2016年应业主要求,对同一场区内相邻的另一建筑物基础地基进行勘探,布置勘探点11个,其中钻孔8个,探井3个,钻孑L总进尺为117.6m,探井总进尺为22.5m,取原状土试样21组,并对勘测场地进行了84次标贯试验。此外还分别对两次勘探所取的原位地基土进行室内含水量、液塑限、湿陷、直剪、固结试验,获取能反映地基土工程特性的物性指标和力学参数。

  3.2场地地层和地下水位描述

  吴忠市红寺堡区二级构造体系为横山一青龙山一彭阳复褶带的罗山复背斜,该复背斜东、西两侧分别被山前隐伏断裂所控制。罗山西麓断裂走向由北至西,长约80余公里,除大口子附近有宽达.100 m的破碎带出露外,其余均隐伏于新生界之下。物探重力及电法测量资料均表明该断裂断面西倾,倾角约80。其东侧主要断裂有罗山东麓达断裂与牛首山一固原断裂,它们走向亦为由北至西,大部分隐伏于第四系之下,航、卫片反映清晰。

  场区在地貌上属丘陵地区,受场地西侧蓄水池蓄水和周围农田灌溉的影响,从2012年至2016年场区内的地下水位有明显的上升,水位上升幅度在7.95m以上(表1)。

  表1 场地地层和地下水位

  土层   埋深   地下   土层   埋深   地下
  名称   (m) 水位(m)   名称   (m) 水位(m)
 
素填土
 
1.00~
1.00
 
 
  大于
 
素填土
 
0. 80~
1. 50
7.50~
黄土状
粉土
 
 
  15. 45
 
    15. 45
 
 
黄土状
 
粉土
5. 80~
6. 50
    
7. 70
 
 

  2012年现场勘察结果显示:(1)场区地表以下Im以内全为素填土,土质极不均匀,颜色呈黄褐色,稍湿。素填土以稍密状粉土为主,含较多植物根系,少量砾石、木屑等。素填土内部分布有大孔隙、虫孔、根孔等,局部存在钙质粉末,干强度、韧性低,锨挖较容易(冻土层锨挖困难),属高压缩性土。(2)黄土状粉土颜色呈黄褐色,密实度随深度在稍密与中密之间变化,稍湿。黄土状粉土内部夹有厚度小于0.4m的粉细砂,局部存在少量砾石以及钙质和石膏粉末、团块,内部孔隙较小,以虫孔和微细孑L为主。干强度、韧性低,锨挖较困难,属中等压缩性土。

  2016年现场勘察结果显示:(1)表层土为素填土,深度在地表以下0.8~1.5m,颜色呈黄灰色、褐色、灰白色,稍湿,密实度在稍密与中密之间且以稍密粉土为主,含少量根系、混凝土块、砖块等建筑垃圾,镐挖较容易。(2)黄土状粉土为黄褐色、黄色、灰白色,稍湿,稍密~中密,局部密实。内部夹有厚度小于0.50m的粉砂薄夹层和透镜体,浅部可见钙质和石膏粉末、团块、砾石;干强度高、韧性中等,镐挖困难,中等压缩性。(3)饱和粉土颜色为黄褐色、黄色,从上往下湿度逐渐递增,底部土体很湿,稍密~中密,局部密实。以粉土为主,局部夹有厚度小于0.50m的粉砂薄夹层和透镜体;摇振反应中等,干强度高、韧性中等,中等压缩性。

  3.3原位标贯试验及分析

  2012年首次勘察时发现位于地表以下1.O~6.5m的黄土以稍密为主,地表以下6.5m~15.45m之间的黄土以中密为主,含少量钙质粉末、根系等,见大孔隙,土质较均匀。以地表以下6.5m为界将黄土状粉土层划分为两层,分别对不同密实状态的黄土层进行标准贯入试验,可以看出位于地表以下6.5m~15.45m之间的非饱和黄土的标贯击数约为12.6击。

  2016年第二次勘察时由于地下水位上升较高,约为地表以下7.5~7.7m,位于该深度以下的黄土层均为饱和黄土,从表2可知深度在7.7~9m的饱和黄土标贯击数约为7.9,深度在9~18.45m的饱和黄土标贯击数约为9.1,均小于首次勘察时相同深度下非饱和黄土的标贯击数,地基土的强度有明显的降低。

  3.4室内固结试验及分析

  2016年勘察时根据地下水位所处的深度将黄土层分别命名为黄土状粉土和饱和黄土,黄土状粉土层位于饱和粉土层上部,含水量较低,为非饱和土层。共取不同深度的原位土21组,并对取回的原位土进行室内固结试验,表3为原位土固结试验结果统计表。从表3中可以看出:黄土状粉土的压缩系数较饱和粉土低,饱和黄土的压缩系数较非饱和黄土高出30%,表明在同种加载条件下,饱和黄土更容易发生沉降,强度也更低。压缩模量表示土体每产生单位沉降量所需加载的应力,数值越大表明土体的强度越大,产生单位沉降所需加载的应力越大。可以看出黄土状粉土的压缩模量约为10.0MPa,而饱和黄土的压缩模量仅为8.08MPa,比非饱和黄土下降了20%,由此可以看出含水量的变化对土体的沉降特性及强度影响较大。同时从压缩系数和压缩模量这两种参数数值的变化幅度可以看出,压缩模量和压缩系数对黄土含水量的变化都比较敏感,在选用参数表征含水量的变化对土体压缩特性及强度的影响时,选用压缩模量和压缩系数这类敏感度较高的参数,能够较好地描述试验结果。

  4.机理分析

  非饱和黄土由土(包括土颗粒和粒间胶结物)、水、气三部分组成,由于土体是多孔隙的散粒体材料,使得在受力过程中气体容易从孔隙内向外逸出,其对黄土地基强度影响较小,因此在从微观层次上探讨黄土地基强度的影响因素时,主要从土、水这两方面着手,包括土的矿物成分、颗粒的排列形式、粒间胶结物、孔隙、水中可溶盐的含量、PH值等,本文着重从颗粒受力的角度分析水的含量对黄土地基强黄土中的水存在于孔隙中,这些孔隙包括颗粒自身孔隙、胶结物孔隙、粒间孔隙等。当黄土的饱和度较低时,水分主要分布在颗粒自身孔隙和胶结物孔隙内,只有少部分的水覆盖在颗粒表面,并在颗粒间相接触的部位形成弧形的收缩膜,颗粒表面以及粒间接触部位的收缩膜受到表面张力,由牛顿第三定律可知表面张力的存在使得颗粒间的粘聚力增大。温度、含水率是制约表面张力大小的主要影响因素,在不考虑土颗粒排列的情况下,可以将收缩膜处的表面张力看做土体中基质吸力的有效组成部分。除了基质吸力,土颗粒还受到自重应力和附加应力等荷载的作用,粒间胶结力和摩擦力对荷载作用下土颗粒间的相对移动也会产生显著影响。当黄土的含水率较低时,覆盖在颗粒表面以及颗粒接触处的收缩膜受到的表面张力就会增大,相应的基质吸力增大,颗粒间的吸引力升高,减缓了颗粒的运动趋势;同时含水量越低,胶结物质分子间的距离减小,在质量不变的情况下分子引力增大,颗粒间的胶结作用增强;土体中的含水量较低还使得收缩膜的厚度变小,土颗粒之间接触处的水分减少,甚至直接接触,由于自然状态下的土颗粒表面并不光滑,粒间摩擦系数增大,摩擦力升高,阻碍土颗粒在荷载作用下的相对运动,并使得土体在相同荷载作用下达到稳定的时间缩短,土体的强度升高。

  当黄土的含水率较高时,在极限状态下土体中的水分将完全充满土体孑L隙,此时无论是收缩膜处的表面张力还是基质吸力都因含水量的升高而消失,颗粒间的吸引力降低;含水量的升高不仅使土颗粒间的距离增大,胶结物分子间的距离也会因为土体饱和度的升高而变大,粒间胶结力降低;水分充满粒间孔隙,在颗粒相对运动的过程中起到了润滑作用,甚至在外加荷载较小的情况下会阻碍土颗粒的相互接触,使得粒间摩擦力降低。从土体结构的稳定性方面考虑,含水量的升高使得胶结物的强度、接触处收缩膜的表面张力以及粒间摩擦力降低,土体结构更加容易受到破坏,相较于高饱和度的黄土,低饱和度的黄土的土体结构强度更高。

  5.结论

  (1)地下水位升高,黄土含水量增大,使得同一深度范围内土体的标贯击数明显降低,强度下降。

  (2)相较于非饱和的黄土状粉土,饱和黄土的压缩系数较大,在相同荷载作用下的沉降量较大;压缩模量较小,产生单位沉降所需的荷载也较小。

  (3)当黄土的含水量较高时,其表面张力、基质吸力以及粒间胶结力和摩擦力都有明显降低,土体的强度下降,这也是饱和黄土地基强度较非饱和黄土低的本质原因。

  (4)在对具有湿陷性的黄土地基进行地基处理设计时,除了需要考虑黄土的湿陷性以外:更应该从问题的本质上考虑黄土的遇水软化强度降低的问题,采取措施降低黄土的含水量。提高土体强度。

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