重塑黏土侧压力的试验研究

万梁龙

（深圳市住宅工程管理站 深圳518000）

0 引言

透水性、稳定性好的无黏性土是作为挡土墙后填料的理想材料，但砂土、碎石土等理想填料造价较高，在实际工程中常常就地取材，不可避免地会用黏性土作为挡墙后填料。

在填筑黏性土时，黏性土常常处于非饱和状态。填筑完成后，填土会因降雨、地下水位升高等因素引起含水率增加。此时，黏性土中的蒙脱石、伊利石、高岭石等黏土矿物会吸水膨胀［1］，引起作用在挡墙上的侧压力增加，威胁挡墙的安全［2-4］。此外，由于场地的限制，在回填土上时常会存在临时甚至永久荷载的作用，也会造成挡墙上的侧压力增加。然而，目前关于黏土在不同荷载下增湿、增湿到不同程度的侧压力变化规律的研究并不多。国外常用改装后的三轴仪进行试验［4，5］，此方法对仪器设备、试验人员的要求较高，试验并不方便。国内更多的是用饱和试样进行试验，常用K0固结仪（静止土压力系数仪）测量试样在竖向荷载下的侧压力［6-8］。虽然K0固结仪操作简单、试验方便，但饱和状态下的试样并不能完全模拟实际情况。

为更好地模拟实际情况，本文采用K0固结仪对重塑黏土开展了试验，研究了非饱和重塑黏土在不同初始竖向荷载增湿、增湿到不同程度的侧压力变化规律，以及增湿后固结过程中的侧压力变化规律。

1 试验方案与步骤

1.1 试验仪器

K0固结仪可测量试样在侧向约束状态下的侧压力［6］，如图1所示，主要由上环、中环、底座及橡胶圈等构件组成。试样在竖向荷载作用下产生的侧压力通过橡胶圈、压力腔中的无气水传递给压力传感器。K0固结仪常常与常规固结仪的杠杆加压系统配合使用，用杠杆施加竖向荷载，同时，通过百分表可测得试样的竖向变形。可从试样顶部或底部注水使试样增湿。与中环相连的滴定管中的水柱可对橡胶圈施加5～10 kPa的侧压力，使橡胶圈与试样侧壁贴合。

图1 K0固结仪示意图Fig.1 Schematic Graph of the K0 Consolidometer

1.2 试验方案

试验所用黏土的颗分曲线如图2 所示，基本物理参数如下：比重为2.71 g/cm3，液限为66.4%，塑限为23.2%，最优含水率为16.7%，最大干密度为1 820 kg/m3。本文进行试验的所有试样的初始含水率为17%，接近最优含水率16.7%，干密度均设置为1 500 kg/m3。

图2 黏土的颗分曲线Fig.2 Grain Size Distribution Curves of the Cohesive Soil

为探究不同竖向荷载对侧压力的影响，分别对试样施加12.5～200 kPa 的初始竖向荷载，如表1 所示。为探究不同增湿程度对侧压力的影响，设置0.4%～11.1%的增湿含水率（最终含水率与初始含水率之差），如表2所示，初始竖向荷载均为50 kPa。

表1 不同初始竖向荷载的影响Tab.1 Effect of Initial Vertical Load

表2 不同增湿程度的影响Tab.2 Effect of the Increased Water Content

1.3 试验步骤

将风干黏土过2 mm 筛，加水配成含水率为17%（接近最优含水率）的湿土，将湿土装入自封袋并置于保湿缸72 h，使水分充分均匀。将湿土置于高40 mm、内径为61.8 mm的环刀中，击实至20 mm高，然后将击实后的试样推入K0固结仪中，用塑料薄膜密封K0固结仪，减少水分散失［9］。

通过与中环相连的滴定管施加5 kPa 的初始侧压力；用杠杆加压系统施加初始竖向荷载，使试样在初始竖向荷载下压缩24 h。变形稳定后，揭开塑料薄膜，对表1中试样，从试样顶部加入充足的水使试样增湿；对表2中试样，从试样顶部加入适量的水并再次用塑料薄膜密封K0固结仪。试样增湿变形稳定后，按12.5 kPa、25 kPa、50 kPa、100 kPa、200 kPa的加载方法分级加载，每级荷载保持24 h，然后施加下一级荷载。试验结束后，取出试样，称重并计算增湿含水率。

2 初始竖向荷载的影响

从表1中的结果可以发现，初始竖向荷载越大，试样充分增湿后表现出的侧压力越大。当初始竖向荷载较小时，试样增湿后表现出膨胀的趋势（变形率为正），此时土压力系数较大，甚至出现大于1的现象，随着初设竖向荷载的增加，土压力系数逐渐减小并趋于稳定。

增湿完成后，对试样进行固结试验，竖向荷载与孔隙比的半对数关系如图3 所示。可以发现，固结试验前施加的初始竖向荷载越大，试样表现出的先期固结压力越大，且先期固结压力都大于初始竖向荷载。这一现象可能与荷载的时间效应有关，在Mesri 等人［10］的试验中，当正常固结状态下黏土试样的竖向荷载保持一段时间后，黏土试样会处于超固结状态。结合本文试验结果可知，初始竖向荷载大小及其作用时间都会对黏土的先期固结压力产生影响。

图3 初始竖向荷载对压缩曲线的影响Fig.3 Effect of Initial Vertical Load on the Compression Curve

当竖向荷载超过先期固结压力后，所有试样都表现出同一试样的正常固结的状态，即所有试样的正常固结曲线重合，这一现象符合现有的固结理论［1］。

试样在固结试验过程中的侧压力与竖向荷载的关系如图4 所示，可以发现，随着竖向荷载的增加，侧压力-竖向荷载曲线斜率逐渐增大至稳定状态。侧压力-竖向荷载曲线常常用正常固结段和超固结段两段的形式表示［7］。从图4可以发现，侧压力-竖向荷载曲线斜率逐渐增大并最终趋近于正常固结状态下的斜率。虽然初始竖向荷载不同，先期固结压力大小存在差异，但超固结段的侧压力-竖向荷载曲线近似平行，斜率差别不大，在正常固结段斜率也基本相同。

图4 初始竖向荷载对侧压力-竖向荷载曲线的影响Fig.4 Effect of Initial Vertical Load on the Lateral Pressure-Vertical Load Curve

3 增湿含水率的影响

从表3 中的结果可以发现，试样增湿后的变形率随增湿含水率的增大而单调增大，而侧压力随增湿含水率的增加先增大而后减小。

增湿完成后，进行加载固结试验，孔隙比-竖向荷载曲线如图5 所示，侧压力-竖向荷载曲线如图6 所示。由图5 可知，当增湿含水率较小时（不超过3.4%），试样在250 kPa 的竖向荷载内处于超固结状态，压缩模量较大，变形不明显；此时侧压力-竖向荷载曲线近似线性，增湿含水率越小，孔隙比-竖向荷载曲线、侧压力-竖向荷载曲线的斜率越小（见图6）。当增湿含水率较大时（≥6.1%），试样在加载中出现了正常固结段，如图5 所示，增湿含水率越大，测得的先期固结压力越小；同时，侧压力-竖向荷载曲线不仅出现了超固结段，也出现了正常固结段（见图6）。若将图6中的曲线都用直线拟合，直线的斜率随着含水率的增加从0.19 增加到0.46，根据弹性理论的公式和斜率，可容易的算出相应的泊松比（从0.16增加到0.32）。

图5 增湿含水率对压缩曲线的影响Fig.5 EffectofIncreasedWaterContentontheCompressionCurve

图6 增湿含水率对侧压力-竖向荷载曲线的影响Fig.6 Effect of Increased Water Content on the Lateral Pressure-Vertical Load Curve

虽然增湿含水率较低时的试样在竖向荷载增加时侧压力增加并不显著，但由于其增湿后产生的侧压力较大，在后续固结试验中仍表现出较大的侧压力。由此可见，若不考虑黏土增湿过程中产生的侧压力，而仅考虑竖向荷载引起的侧压力，会低估作用在挡墙上的侧向荷载。

4 结论

本文用K0固结仪测量了重塑黏土从非饱和状态下增湿后的侧压力，以及增湿稳定后固结过程中的侧压力，探究了初始竖向荷载和增湿含水率对侧压力的影响。得到的结论和建议如下：

⑴ 当初始竖向荷载较小时，重塑黏土会吸水膨胀，表现出较大的侧压力，甚至出现土压力系数大于1的现象。主动土压力或静止土压力理论会低估黏土挡墙上部的侧压力。

⑵ 较小的增湿含水率也会使黏土侧压力明显增加，用饱和状态的侧压力来估算黏土非饱和状态的侧压力偏于危险。

⑶ 不管初始竖向荷载为多大，充分吸水后的重塑黏土在正常固结状态下的侧压力-竖向荷载曲线斜率基本相同，超固结状态下的侧压力-竖向荷载曲线斜率也比较接近。

⑷ 增湿含水率越大，侧压力在固结过程中随竖向荷载的增加而增大的程度越明显。