压实填土随浸水时间增长强度降低规律研究

秦 鹏,秦植海

(浙江水利水电专科学校,浙江 杭州 310018)

0 引 言

压实填土是水利、交通、建筑等土木工程建设中经常遇到的建设内容,压实填土遇降雨、水浸时,随时间增长含水率逐渐增大,颗粒间结合水逐渐增厚,结晶盐类逐渐溶解,压实填土粘聚力逐渐减小,土体强度逐渐降低,严重时会导致工程破坏.如1998年长江洪水致使许多堤段出现了溃堤现象,给当地人民生命、财产造成了非常巨大的损失,对当地经济也造成了非常重大的影响.对于溃堤,以往只注重了现象,所以在防护、治理过程中,仅侧重了对渗透变形—管涌[1]的监测、治理.实际上管涌造成的溃堤仅仅是一种形式,另一种溃堤形式是没有渗透变形和其他明显前兆的突然溃塌,因为这种溃堤形式没有前兆,预防更困难,危害更严重,应该引起重点关注.土堤坝突然溃塌的内在原因主要有:(1)土中结晶盐类遇水浸泡逐渐溶解,土体强度降低;(2)土中细颗粒(亲水矿物)表面电场力吸附水分子,结合水膜变厚,土的粘聚力减小,土体强度降低[1].地上河及一般堤坝在枯水期含水率较低,洪水期随高水位运行时间增长,堤坝含水率逐渐增大,土体强度降低造成的危害可能更严重.掌握压实填土随浸水时间增长强度降低变化规律非常重要,掌握了这些规律,就可以针对不同填筑材料的堤坝提前做好预测、预报,为洪水期防洪、抗洪提供可靠的科学数据.长江、黄河、海河、钱塘江等国内许多河流都存在着防洪、治洪任务,这些规律在交通、建筑工程中的填土同样适用.

1 研究内容

1.1 研究路径

人工制备多组不同级配的土料,将不同级配的土料击实,将击实后的试样分批次,在不同条件下浸水,测试试样随浸水时间增长强度变化值,分析试样随浸水时间增长强度变化规律及原因.

1.2 试样制备

针对压实填土适宜使用粉质黏土的情况,人工制备4组不同级配的粉质黏土和一组粉土作为研究用土,各组土级配见表1.

表1 各组土级配

每组土进行击实试验,确定最优含水率,在最优含水率状态下[2],每组土击实4个以上试样(通过击实试验得到各组土的最优含水率见表2).

表2 各组土最优含水率

1.3 浸水测试

将击实后的试样分为两批次,一批直接浸水,模拟压实填土内层浸水情况,另一批在自然状态下风干,降低含水率,当含水率降低到一定值时浸水,模拟压实填土外层浸水情况.试样是在无压状态下浸水,浸水水位低于试样顶面,依靠试样毛细通道将水吸入试样之中.试样浸水后测定初始抗剪强度,然后根据黏粒含量多少每隔5～20 min测定一次抗剪强度.为减少试样用量,使用袖珍式微型贯入仪测量不同时间的贯入阻力,由公式τf=0.522R+0.119换算成试样抗剪强度[3-4].

直接浸水批次试样测试结果,见表3～表5,风干批次部分试样测试结果,见表6～表8(因测试结果趋势相近,只给出A、C、E组结果)

1.4 成果分析

通过实验结果可清晰的看到:

(1)在所制备试样的范围内,随黏粒含量增加,击实后试样强度增大.黏粒含量最低的A组粉土试样抗剪强度164.5 kPa,C组粉质黏土试样抗剪强度180.2 kPa,黏粒含量最高的E组粉质黏土试样抗剪强度185.4 kPa.

(2)击实试样浸水后在较短的时间内强度急剧下降,且随黏粒含量增加强度降低时间延长.黏粒含量最低的A组粉土试样,抗剪强度从164.5 kPa降至6.4 kPa仅用了27 min;C组粉质黏土试样抗剪强度180.2 kPa降至6.4 kPa用了350 min;黏粒含量最高的E组粉质黏土试样抗剪强度从185.4 kPa降至6.4 kPa用了3600 min;

(3)风干组试样浸水强度降低规律与直接浸水组试样一致,但是,从实验结果反映出,黏粒含量最低的粉土,浸水后强度急剧降低,击实试样抗剪强度为164.5 kPa,风干浸水后抗剪强度降低到76.9 kPa,降低了53%,强度丧失时间,由27 min降低到22 min,降低了18.5%.

表3 A组试样平均强度与浸水时间关系(直接浸水批次)

表4 C组试样平均强度与浸水时间关系(直接浸水批次)

表5 E组试样平均强度与浸水时间关系(直接浸水批次)

表6 A组试样平均强度与浸水时间关系(风干批次)

表7 C组试样平均强度与浸水时间关系(风干批次)

表8 E组试样平均强度与浸水时间关系(风干批次)

分析出现这种结果的原因:黏粒含量最低的A组粉土试样,颗粒直径较大,构成的毛细通道直径也较大,因为黏粒含量较少,不足以填充大颗粒形成的孔隙,且形不成足够的黏聚力,试样浸水后,毛细水会在较短时间内使整个试样饱和(粉土是毛细水最丰富的土质之一),颗粒间结构强度迅速降低,试样抗剪强度丧失;C组粉质黏土试样,黏粒含量比A组粉土增加了2.3倍,因为黏粒的增加,填充了试样较大的毛细通道,使毛细水进入试样速度减慢,是试样抗剪强度减慢的原因之一,试样抗剪强度减慢的另一个原因是:随着试样黏性含量增大,构成试样抗剪强度的黏聚力逐渐增大,试样浸水后黏聚力减小是细粒颗粒表面电场吸附水中的阳离子、并且使水分子定向排列,致使结合水膜增厚造成,整个过程较漫长,导致了随黏粒含量增加强度降低时间延长的现象出现,试验结果显示C组粉质黏土试样抗剪强度丧失时间比A组粉土增加了13倍;E组粉质黏土试样,黏粒含量比A组粉土增加了4.4倍,抗剪强度丧失时间增加了133倍.试样B组、D组抗剪强度随浸水时间降低规律与上述规律一致.实验结果提示:在水利、交通、建筑等土木工程建设中,压实填土所选用的土料应该避免使用粉土等无黏性土体,尽量选用黏粒含量较多的粉质粘土,以防止压实填土受到降雨、水浸时在较短时间内破坏.

2 结 论

通过对级配不同、浸水初始条件不同击实试样浸水试验发现:

(1)在所制备试样的范围内,随黏粒含量增加,击实后试样强度增大.

(2)击实试样浸水后在较短的时间内强度急剧下降,且随黏粒含量增加强度降低时间延长.

(3)风干组试样浸水强度降低规律与直接浸水组基本一致,但黏粒含量最低的粉土,浸水后强度急剧降低,比击实试样降低了53%,强度丧失时间缩短,比击实试样降低了18.5%.提示在土木工程建设中,压实填土所选用的土料应该避免使用粉土等无黏性土体,尽量选用黏粒含量较多的粉质粘土,以防止压实填土受到降雨、水浸时在较短时间内破坏.

需要说明:试验是在无压条件下进行的,与实际压实填土浸水情况不完全一致,实际压实填土(压力环境中)抗剪强度随浸水时间降低规律有待进一步深入研究.

[1]秦植海.土力学与地基基础[M].北京:中国水利水电出版社,2008.

[2]南京水利科学研究院.GB/T50123-1999土工试验方法标准[S].北京:中国计划出版社,1999.

[3]秦植海.微型贯入仪测定界限含水量的试验研究[J].岩土工程学报,1993,15(5):112-115.

[4]秦植海.粘性土体天然稠度的测定方法及工程应用[J].岩土工程学报,1995,17(5):71-73.