考虑荷载影响的黄土冻胀特性研究
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Frost heaving characteristics for loess under different load
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通讯作者:
编委: 周成林
收稿日期: 2018-08-20 修回日期: 2019-10-07
基金资助: |
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Received: 2018-08-20 Revised: 2019-10-07
作者简介 About authors
王铁行(1968-),男,陕西富平人,教授,2001年在长安大学获博士学位,从事黄土工程理论和实践方法研究.E-mail:
关键词:
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本文引用格式
王铁行, 赵再昆, 金鑫, 郭静静, 梁谊.
WANG Tiehang, ZHAO Zaikun, JIN Xin, GUO Jingjing, LIANG Yi.
0 引言
虽然荷载对冻胀的抑制作用非常明显, 但在作用相当大的荷载时, 冻胀依然存在[11-15]。目前的研究中, 随着黄土高原建设规模不断发展, 许多工程中出现了高荷载作用下的冻胀问题, 如复合地基工程、 黄土冻结壁工程、 浅埋桩基工程、 输电塔地基工程等。目前对黄土冻胀特性的研究中, 关于荷载对冻胀抑制作用的荷载取值均较小[16-23], 且综合考虑荷载条件、 含水率以及土体密度等因素的研究尚少。潘鹏等[24]对宁夏饱和黄土的冻胀与初始干密度的关系进行了分析, 发现在冻融次数少于20次时, 冻胀率随初始干密度的增大而减小, 但是该研究未考虑含水率与荷载对冻胀的影响, 也未涉及非饱和黄土。许健等[25]以黏质黄土为研究对象, 通过对非饱和土体的冻胀特性研究, 发现在封闭系统下, 非饱和土体冻胀系数随含水率增大而增大, 且最终趋于一个稳定数值, 但该试验没有考虑密度与荷载的影响。黄土的冻胀特性在高荷载影响下尚不明确。
本文综合考虑外部荷载、 密度和含水率的影响, 以高荷载作为外因变量, 对黄土的冻胀特性进行研究, 并建立高荷载影响下的冻胀预报模型, 可为黄土高原季节冻土区工程建设提供参考。
1 试验方法
黄土的物理性质见表1, 试验用黄土取自陕西富平地区某基坑。室内制作不同含水率和密度的黄土土样。
表1 黄土的物理性质参数
Table 1
液限wL/% | 塑限wP/% | 塑性指数IP | 颗粒含量/% | ||
---|---|---|---|---|---|
>0.05 mm | 0.05~0.005 mm | <0.005 mm | |||
34.4 | 18.1 | 16.3 | 16.09 | 61.56 | 22.35 |
按照土工试验规范[26], 将风干、 碾碎、 过2 mm筛后的干土按照不同加水比例制作试验所需含水率的湿土, 湿土覆膜静置一昼夜, 保证水分均匀扩散。根据环刀容积和试验干密度计算出所需湿土的质量, 再将湿土倒入装有环刀的压样器内, 通过活塞加压将土样压实到要求密度, 得到不同含水率、 不同密度试验土样。土样干密度分别控制为1.53、 1.62、 1.70 g·cm-3, 土样含水率分别控制为15%、 20%、 25%和30%。土样为79.8 mm×20 mm的环刀样, 温控系统的温度控制方式为风冷, 控温精度为±0.2 ℃, 加载装置采用南京土壤仪器厂生产的WG型单杠杆固结仪, 最大荷载压力2 000 kPa, 加荷精度12.5 kPa。变形检测装置为百分表, 准确读数精确度0.01 mm, 试验装置如图1所示。
图1
在试验开始前, 控制温控系统温度为-3 ℃, 然后放置土样并开始施加荷载。土样在负温作用下发生冻结膨胀, 采用百分表对膨胀量进行实测。荷载值分别取为0、 100、 200、 300、 400 kPa。对荷载、 含水率、 密度不同的试验土样进行冻胀试验。
负温条件下, 冻胀量会随冻结时间而逐渐增大并趋于稳定。因此, 为了更好地对比分析试验结果, 我们约定冻胀量的稳定标准为连续两小时的冻胀增量小于实测冻胀量的0.5%。
自然状态下, 黄土密度变化范围较大, 大多介于1.30~1.70 g·cm-3。本文中考虑较高荷载作用, 此时黄土密度较大, 试验土样的干密度介于1.53~1.70 g·cm-3。试验设计及结果见表2。在施加荷载后进行冻结, 由于土样密度较大, 土样未发生压缩固结, 这与试验结果是一致的。
表2 冻胀试验参数及结果
Table 2
ρd/(g·cm-3) | w/% | P/kPa | η/% | ρd/(g·cm-3) | w/% | P/kPa | η/% |
---|---|---|---|---|---|---|---|
1.53 | 13 | 0 | 0.101 | 1.62 | 25 | 0 | 0.911 |
1.53 | 13 | 100 | 0.013 | 1.62 | 25 | 100 | 0.166 |
1.53 | 13 | 200 | 0 | 1.62 | 25 | 200 | 0.110 |
1.53 | 13 | 300 | 0 | 1.62 | 25 | 300 | 0.054 |
1.53 | 13 | 400 | 0 | 1.62 | 25 | 400 | 0.001 |
1.53 | 20 | 0 | 0.345 | 1.62 | 30 | 0 | 1.463 |
1.53 | 20 | 100 | 0.056 | 1.62 | 30 | 100 | 0.203 |
1.53 | 20 | 200 | 0.013 | 1.62 | 30 | 200 | 0.158 |
1.53 | 20 | 300 | 0 | 1.62 | 30 | 300 | 0.113 |
1.53 | 20 | 400 | 0 | 1.62 | 30 | 400 | 0.067 |
1.53 | 25 | 0 | 0.773 | 1.70 | 20 | 0 | 0.242 |
1.53 | 25 | 100 | 0.081 | 1.70 | 20 | 100 | 0.062 |
1.53 | 25 | 200 | 0.032 | 1.70 | 20 | 200 | 0.036 |
1.53 | 25 | 300 | 0 | 1.70 | 20 | 300 | 0.024 |
1.53 | 25 | 400 | 0 | 1.70 | 20 | 400 | 0.022 |
1.53 | 30 | 0 | 1.225 | 1.70 | 25 | 0 | 1.025 |
1.53 | 30 | 100 | 0.172 | 1.70 | 25 | 100 | 0.086 |
1.53 | 30 | 200 | 0.083 | 1.70 | 25 | 200 | 0.056 |
1.53 | 30 | 300 | 0 | 1.70 | 25 | 300 | 0.052 |
1.53 | 30 | 400 | 0 | 1.70 | 25 | 400 | 0.034 |
1.62 | 20 | 0 | 0.341 | 1.70 | 30 | 0 | 1.614 |
1.62 | 20 | 100 | 0.087 | 1.70 | 30 | 100 | 0.236 |
1.62 | 20 | 200 | 0.041 | 1.70 | 30 | 200 | 0.174 |
1.62 | 20 | 300 | 0.001 | 1.70 | 30 | 300 | 0.130 |
1.62 | 20 | 400 | 0 | 1.70 | 30 | 400 | 0.115 |
2 试验结果及分析
从表2可知, 土体的含水率、 密度、 荷载会影响黄土的冻胀率。三个影响因素中任何一个发生变化, 都会引起黄土冻胀率的变化。
2.1 荷载对黄土冻胀特性的影响
图2为干密度和含水率不同时冻胀率与荷载的关系。由图中可知, 荷载对冻胀率的影响颇大, 主要表现为对冻胀率的抑制作用。随着荷载增加, 黄土试样冻胀率变化显著。
图2
图2
不同干密度和含水率下黄土的荷载-冻胀率关系
Fig.2
Relationship between load and frost heave of loess under different dry density and water content
冻胀率随着荷载增加呈指数形式递减, 其他试样有相同的规律。荷载增量会随着荷载继续增加, 降低对冻胀的抑制效果。当土样施加100 kPa的上部荷载时, 较自由冻胀状态(0 kPa)下, 冻胀率的减小幅度最大可达80%。分析发现, 含水率和干密度的值越大, 黄土试样的冻胀率越大。另外, 当干密度和含水率的值较小时, 随着荷载增加, 其冻胀率的减小幅度均较小。在自由冻胀状态下(0 kPa), 冻胀量的增大主要由于试样中的水分冻结成冰(水冻结后体积膨胀9%)。由于冰具有强度高、 可压缩性低的特点, 荷载作用对冰产生的压缩是有限的, 荷载对冻胀的抑制作用主要表现在改变冰晶的生长方式和降低冻结温度。研究发现, 荷载可对冻胀起抑制作用, 可使土体中的冰晶向孔隙生长, 进而导致冻胀量减小。增加外荷载可对土体冻胀产生显著的消减作用, 在相同的冻结环境条件下, 外加荷载强度愈大, 土体冻胀愈小。另外, 土的冻结温度随着上覆荷载的增大而降低, 上覆荷载作用使土体内部产生应力, 影响土体水分之间的相态平衡, 使土体冻结温度降低。上覆荷载越大, 未冻水含量越高, 冰体积越小[15,27]。
2.2 密度对冻胀作用的影响
含水率分别为20%、 25%和30%时, 土样干密度与冻胀率的关系如图3所示, 图中, R2为相关系数, 反映干密度与冻胀率之间的线性相关程度; k为斜率, 反映冻胀率线性增长的幅度。由图可知, 含水率对冻胀率增加幅度影响显著, 含水率越高, 冻胀率增加幅度越大; 干密度越大, 黄土试样冻胀率越大, 且近似为线性关系。施加荷载对抑制冻胀影响显著, 当施加荷载为100 kPa时, 抑制冻胀量可达80%。在自由冻胀状态(0 kPa)下, 室内试验发现, 干密度对黄土试样的冻胀率影响较大。但是在施加荷载后, 干密度对黄土试样的冻胀率影响较小, 可见荷载对冻胀起到显著的抑制作用。
图3
图3
不同荷载下干密度和冻胀率的关系
Fig.3
Relation between dry density and frost heave rate under different loads: the water content is 20% (a), 25% (b) and 30% (c)
2.3 含水率对冻胀作用的影响
干密度不同的土样在荷载作用下的含水率和冻胀率的关系如图4所示, 可以发现, 在负温条件下, 当土中含有水分较多时, 冻结引起的土体冻胀率也会较大。
图4
图4
不同荷载下含水率和冻胀率的关系
Fig.4
Relationship between water content and frost heave under different loads: the dry density is 1.53 g·cm-3 (a), 1.62 g·cm-3 and 1.70 g·cm-3
对于密度相同、 荷载相同的条件下, 土样含水率和冻胀率近似呈线性关系。含水率对黄土试样冻胀率有显著影响, 在自由冻胀状态(0 kPa)下, 黄土试样冻胀率随含水率的增加显著增大, 但在施加荷载后随含水率的增加而减小。在荷载水平较高时, 冻胀率随含水率的增大而增大, 但增加幅度相较于自由冻胀显著降低。
2.4 含水率、 干密度、 荷载对冻胀影响的显著性分析
关于含水率、 干密度、 荷载对冻胀影响的显著性分析见表3。
表3 显著性分析表格
Table 3
序号 | T/℃ | w/% | ρd/(g·cm-3) | P/kPa | η/% |
---|---|---|---|---|---|
1 | -3 | 20 | 1.62 | 300 | 0.001 |
2 | -3 | 25 | 1.53 | 200 | 0.032 |
3 | -3 | 30 | 1.70 | 100 | 0.236 |
4 | -3 | 20 | 1.53 | 100 | 0.056 |
5 | -3 | 25 | 1.70 | 300 | 0.052 |
6 | -3 | 30 | 1.62 | 200 | 0.158 |
7 | -3 | 20 | 1.70 | 200 | 0 |
8 | -3 | 25 | 1.62 | 100 | 0.166 |
9 | -3 | 30 | 1.53 | 300 | 0 |
均值1 | 0.019 | 0.029 | 0.152 | ||
均值2 | 0.083 | 0.108 | 0.063 | ||
均值3 | 0.131 | 0.096 | 0.018 | ||
极差R | 0.112 | 0.079 | 0.134 |
根据表3的分析结果, 可得到极差R排序为荷载(0.134)>含水率(0.112)>干密度(0.079)。基于本文的试验条件, 黄土试样冻胀的最大影响因素为荷载, 其次为含水率, 最后为干密度。
3 冻胀预报模型
综合考虑干密度、 含水率影响以及竖向荷载对冻胀的抑制作用, 选择冻胀预测模型为:
式中: η为冻胀率; P为荷载; a、 b、 c、 d均为系数。
对施加不同荷载作用下的含水率和干密度不同的土样试验结果进行拟合, 确定模型参数, 得到了综合考虑干密度、 含水率、 荷载影响的冻胀预报模型:
式中: a=-7.27+0.15w+(12.34-0.27w)
采用
图5
图5
土体冻胀率实测值和拟合值对比
Fig.5
Comparison of measured values and fitting values of frost heaving rate of soil: w=25%, ρd =1.63 g·cm-3 (a), w=25%, ρd=1.70 g·cm-3 (b) and w=30%, ρd=1.70 g·cm-3 (c)
4 结论
通过对不同含水率、 不同密度的试验土样分别施加不同荷载进行了冻胀试验研究, 得到主要结论如下:
(1) 黄土冻胀率与含水率、 密度、 荷载均有密切关系, 这三个影响因素中任何一个发生变化, 黄土冻胀率均会发生变化。
(2) 土样冻胀率在含水率越大时随干密度的变化越大。对于密度和施加荷载都相同的土样, 含水率和冻胀率近似呈线性关系, 含水率越大, 冻胀率也越大。
(3) 在自由冻胀状态(0 kPa)下, 黄土试样的冻胀率随干密度的变化较大, 在施加荷载后随干密度的变化较小。土样冻胀率在施加上部荷载为100 kPa时, 比自由冻胀状态(0 kPa)下小, 且减小幅度最大可达80%。荷载增量随荷载继续增加对冻胀的抑制效果降低, 且冻胀率呈指数形式递减。在荷载水平较高时, 冻胀率随着含水率的增大而增大, 但增加幅度相较于自由冻胀显著降低。
(4) 黄土地区的冻胀影响因素中, 荷载、 含水率、 干密度对冻胀影响依次减小。进一步对不同荷载下的含水率和干密度分别不同的土样试验结果进行拟合, 得到了综合考虑含水率、 干密度、 荷载影响的冻胀预报模型, 计算值与实际值较为吻合。
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