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饱和软粘土微观特性对固结压缩影响分析

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第37卷第8期 2 0 1 1年3月 山 西 建 筑 SHANXI ARCHI I CTURE V0I.37 No.8 Mar. 2011 ・59・ 文章编号:1009—6825(201 1)08—0059—03 饱和软粘土微观特性对固结压缩影响分析 张东奎 摘要:从粘土矿物的失水收缩特性和变形机制入手,分析了饱和软粘土微观特性对其固结压缩的影响,根据微观结构 模型分析,软粘土的变形可以分成土颗粒骨架变形和结构变形两种,颗粒间的连接刚度和微结构的受力状态对微结构的 稳定性起着控制性影响。 关键词:饱和粘土,微观特性,连接刚度,固结压缩 中图分类号:TU447 文献标识码:A 软土具有结构疏松、含水量高、孔隙比大等特性,在荷载的作 土力学特性诸要素,被认为是“21世纪土力学的核心问题” 。 用下容易产生较大的变形。软土结构性主要来源于骨架颗粒的 软粘土骨架,孔隙结构在随着其所受的应力的改变而发生变 成分、形态、排列方式、孔隙特征、胶结物种类以及胶结程度 。 。 化,造成粘土孔隙度和渗透率的变化,进而对软粘土的压缩特性 土的结构性早期就为人们所重视 ],随着技术条件不断成熟,土 和渗流形态产生影响。本文主要探讨饱和软粘土的微观特性对 的结构性再次掀起了热潮。沈珠江院士认为土的结构性是影响 其固结压缩过程的影响。 边拉膜,完成拉膜后及时用砂袋压膜,并用粘土覆盖。密封膜铺 密封膜前,对引孔点灌干砂压密实,实践表明,效果非常好。 好后,立即进行真空泵、仪器安培及沉降杆布置,并在铺膜当天进 行真空泵的抽气作业(试抽)。真空管路的连接点严格进行密封, 为避免在停泵后真空度很快降低,在真空管路中设置止回阀和阀门。 2)沉降差异。 本场区东北侧淤泥局部较厚,西南侧的淤泥较薄,这就势必 造成沉降差异。为了满足差异沉降小于2.0%0的要求,选择两个 4)滤管、出膜装置的埋设。滤管采用符合设计或规范要求的 相近的淤泥厚度变化最大的孔计算,结果见表3。 表3 近距离淤泥厚度相差最大两钻孔的相对沉降羞表 带孔波纹塑料滤管,外包土工织物滤水层,捆扎结实,并使滤水层 只透水不透砂。滤管连接采用胶管,胶管套入滤管约10 em,用铁 参数 钻孔ZK3 钻孔ZK16 淤泥厚 麓H,CIB 31.8 20 3 满载作用下120 d 工后沉降量/cm 16.25 两孔间距 离L/In - 70.0 相对沉 降差/%0 0.524 丝绑紧,铁丝接头严禁朝上,以免扎破滤膜。滤管与塑料排水板 采用直径10 mm胶管连接,连接时胶管应套入滤管或塑料排水板 10 em,胶管与滤管及塑料排水板连接处采用塑料扎带扎紧。 l2 58 在实际施工中,控制差异沉降的方法主要有两方面:第一,堆 5)土工布铺设。各区抽真空正常,真空度稳定后,用人工分 载要均匀,严格按照分层要求,避免集中堆载的现象发生;第二, 幅铺设土工布,相邻两幅搭接缝(即纵缝)处采用双排折叠缝合法 个别区域出现当日沉降量较大的情况时,采用该区域限时抽真空 缝接,接缝宽度不小于8 am。土工布铺设完成后及时用砂袋将其 的方法来控制,停泵点的选取要科学合理,并加强监测且根据实 周边叠压牢实,并及时填铺砂垫层(或填一类土)。 际情况及时作出调整。 6)加载填土的施工。堆载预压施工在真空预压荷载达到设 3)水土保持。 现场对水土保持的措施主要是开挖临时排水沟的办法,因为 0.3 m厚的粘土或粉土等细颗粒土。从外场进入的填料推平,分 抽真空时水量较大且持续时问长,临时排水要选取合理的走向, 层碾压,每一层堆载碾压的高度不得超过0.5 m(第一层填土厚度 尽快的排入市政管道,避免抽出的水污染周边环境。在堆载预压 可以为1.0 m,这是为了保护滤管和土工布不被压坏)。 阶段要特别注意对场区边界的检测和保护,尤其在雨季,应及时 7)卸载方法。当每分区的真空预压期满,且达到预压排水固 对边坡进行加固,避免局部堆载过快发生土体剪切破坏。 计要求80 kPa的10 d后进行。在堆载之前先在土工布上填设 结的效果后,即可终止预压。除去抽真空设备,卸载后,用挖土机 进行场平至设计要求并用碾压机压实。 参考文献: [1]JGJ 79—2002,建筑地基处理技术规范[S]. 2.2施工中遇到的问题和解决办法 1)插排水板。 原设计采用先用引孔机引孔,再打入排水板的方法。可是由 [2]DBJ 15—38-2005,建筑地基处理技术规范[s]. [3]赵维炳.排水固结加固软基技术指南[M].北京:人民交通 出版社,20o5. 于引孔,在铺完密封膜抽真空开始后,出现引孑L点的下陷,随着真 [4] 张立志.软土地基的处理[J].山西建筑,2010,36(1O):86— 空度的增加,出现爆膜现象。为解决这个问题,在打入排水板后铺 87. Applications of vacuum combined with surcharge preloading in projects MAO Tian-dian Abstract:Through a projeet,it disserts vacuum combined with surcharge preloading from design and construction,and it also provides solution ways for project technical problems,to accumulate the expeirence for the treatment of adve ̄e oundatfion. Key words:vacuum combined with surcharge preloading,foundation treatment,degree of consolidation 收稿日期:2010—11-26 作者简介:张东奎(1968一),男,工程师,国家级注册岩土工程师,河北省衡水市水利科学研究院,河北衡水053000 第37卷第8期 ・60・ 2 0 1 1年3月 山 西 建 筑 同等直接决定了土体的压缩性,渗透固结特性。随着固结压缩过 程的发展,软粘土的体积与孔隙逐渐缩小,同时孔隙水被排出,主 1 粘土矿物的失水收缩特性 在粘土的固结压缩过程中,软粘土自身结构变得更为致密, .蒙脱石是由两个四面体片夹一个八面体片构成的2:1型层状 硅酸盐矿物,具有二维网格状延伸的硅一氧四面体骨架,其特殊的 形和错位变形两种。卒体变形指因精土颗粒本身及附着于其周 层间域、特殊的成岩转变特征,在指示环境演变信息方面有着特殊 围强结合水和部分弱结合水构成的骨架体的变形而导致软土微 如图2a)所示,记 的专属性。蒙脱石成岩转变过程中,地面沉降的信息会对蒙脱石的 结构的整体变形,即骨架体的空间尺度的变化,失水作用所反映的层间区域缩小、含水量降低、体积收缩产生响应, 为 6 6 1)孔隙水被排出,孔隙度减小;2)由原生絮凝团被压 以减小其变形性。在这个过程中,粘土矿物的收缩特性对软粘土 要体现在:破,同时会使得片状质点趋于平行排列,即软粘土的原有的微观 变形起到重要作用。到目前为止,关于粘性土收缩的实质,矿物 结构遭到强烈破坏。由上面的分析可知,软粘土的变形从微观机 成分和起始含水量一密度的作用等问题仍存在争论。由于相比 是粘土颗粒骨架的变形和粘土颗粒周围结合水丧失而 于高岭粘土,蒙脱粘土的失水收缩特性对地面沉降的影响显著。 制上来说,导致的以孔隙变化为主的微结构变形破坏现象,主要包括粘土颗 事实上,随着地层有效应力增加,蒙脱石层问水可能发生脱水作 粒的脆性破坏,颗粒间的相对位移,颗粒的不可恢复变形,胶结度 用并改变地层的孔隙度和渗透性,因此探讨蒙脱石的失水收缩特 的破坏等。李传亮等曾在分析岩石变形中提出可双重介质的有 性十分有必要。 效应力模型。按该模型理论,我们可将软粘土的变形分为本体变 错位变形指骨架体位置之间的相对变化产生的变形,即孔 如图2b)所示,记为sl2o总变形量 = +8 。 从而使蒙脱石成为地面沉降演变的信息载体,这对地面研究具有重 隙结构的变化,要的指示意义_l 。地层中蒙脱石的底面间距值有~10h,~12A, 6 ~6 6 15.5 A,~18.5A,其中~10A的蒙脱石层间区域几乎完全不含 6 水分子,且层问区域的空间大小几乎等于0;~15.5A层间区域的 6 含水量为20wt%;~18.5A则为25wt%。事实上,蒙脱石的层间 水化状态及层间失水作用与2:1层间的组成(层间电荷及大小)、 层问阳离子(种类、电荷及水化能)和外在的环境条件(温度、水溶 a)骨架体的空间尺度变化 b)孔隙结构的变化 图2粘土微结构变形示意图 软粘土的变形是内外因素影响的共同结果。软粘土的变形 的内在因素主要有骨架体的类型、骨架体之间的接触关系、胶结 类型。外在影响因素主要为受力状态、孔隙中的流体的类型和性 质。1)在外力加载逐渐加大或由于孔隙水逐渐排出导致的孔隙 压力降低,而增加了骨架体之间的作用力,从而使得变形程度变 大;2)软粘土的含水量越大,变形越易发生。 液的盐浓度、水压力、有效应力、相对湿度)等有关。 杨献忠等 U'“ 以蒙脱石结构特征为基础,以蒙脱石层间水膨 胀压,层间含水量及底面间距与化学热力学固溶体理论为依据, 以地下水超采造成有效应力增大,致使蒙脱石矿物发生失水作用 为事实,提出“层间水失水固溶体理论计算地面沉降”,建立了地 面沉降量与成岩过程中蒙脱石失水作用相关因子间的数学模型。 随着固结压缩变形的发展,颗粒周围结合水不断丧失,从而 导致粘土的稠度状态也发生变化,从流动状态一可塑状态一半固 态(以至固态)。根据粘土压实中孔隙度的变化,可以将压实过程 需要指出的是,Liu等 (2001年)曾讨论了地面超载和抽水沉降 引起地层蒙脱石失水对中国云林地区地面沉降的影响,指 出,虽然这种影响在地面沉降总量中比例较小,但更需引起重视。 蒙脱粘土的失水收缩曲线可以分为三个阶段(如图1所示): 1)随着含水量的减少,体积急剧缩小阶段,直至含水量为2l%~ 分为四个阶段:1)孔隙度(9O%一75%),主要表现为自由水的排 出和颗粒的机械重排列,同时可能部分的结合水亦被排出;2)孔 隙度(75%~35%),主要表现为结合水的排出,并且颗粒发生变 形;3)孔隙度(35%一10%),主要表现为颗粒的机械变形,同时伴 22%,其体积都是缩小,粘土的体积收缩与孔隙水丧失和表面张 随部分重结晶作业;4)孑L隙度(<10%),主要机理是在高压下的 力的压缩有关,这个阶段后期,形成稳定的粘土结构,能基本上抵 重结晶作用,孔隙体积的减小进展缓慢,并且与巨大的压力增量 抗住压缩力;2)当含水量介于10%~22%之间时,随着含水量的 相伴生。Hamilton指出:从粘土向页岩的过渡可能发生在孔隙度 减少,粘土的体积基本不发生变化,反而略有增加,这个阶段内粘 大约35%时,因为颗粒之间的化学变化和胶结作用赋予了此时粘 土颗粒表面张力产生的压缩力不断衰减,而颗粒之间的弹性作用 土结构的一种刚性。 力增大,两种效应近乎抵消;3)当含水量低于10%时,随着进一步 失水,粘土体积发生第二次收缩,这与层间水从蒙脱石的层间挤 3结语 出有关,并且粘土体积变化与荷载大小无关。 工程地质学和岩土工程界通常所探讨的粘土固结问题仅是 粘土压实过程中第一阶段前期部分,即以机械压实为主的阶段。 在软粘土中粘土矿物的特性控制着其物理力学性质,粘士中的蒙 脱矿物的失水收缩特征对宏观地面沉降的计算产生重要影响,若 忽略其影响将会导致计算结果偏小。同时,软粘土的性质与其微 结构及微结构的稳定性有着密切的关系。根据微观结构模型分 析,软粘土的变形可以分成土颗粒骨架变形和结构变形两种,颗 粒间的连接刚度和微结构的受力状态对微结构的稳定性起着控 制性影响。 =6.0 MPa % 注:1—口=0.5 MPa;2--o'=1.0 MPa;3--o'=2.0 MPa;4 ̄参考文献: 图1 I1/II,与 关系曲线… [1] 李智毅,杨裕云.工程地质学概论[M].武汉:中国地质大学 出版社.1994. 2软粘土微观变形机制 软粘土一般具有较高的孑L隙率,孔隙的种类、大小和形状不 [2] 陈仲颐,周景星.土力学[MJ.北京:清华大学出版社,1994. 第37卷第8期 2 0 1 1年3月 文章编号:1009—6825(201 1)08—0061—03 山 西 建 筑 SHANXI ARCHITECTURE ]J] ]jVo1.37 No.8 Mar. 2011 ・61・ 有限元强度折减法确定滑坡多滑面的方法研究 程 可 摘要:利用有限元分析软件ANSYS,采用强度折减法确定了典型工点边坡的安全系数,将塑性区贯通作为边坡破坏的 判据,计算出滑坡体的滑动面位置和形状,分析结果表明,此方法可以有效的计算出滑动面特征,有较强的实用价值。 关键词:剪出口,有限元强度折减法,安全系数,塑性区 中图分类号:TU413.62 文献标识码:A 0 引言 随着国民经济的发展,特别是西部大开发以来,大量铁路、公 算技术的发展,有限元强度折减法近年来在国内外受到广泛的关 注。现采用有限元强度折减法对多个潜在剪出口典型工点进行 了分析,证实了用于工程的可行性,得到了滑坡体滑动面的位置 路、水利、矿山等设施的修建,特别是在山区建设中人类活动产生 和形状。 的边坡数量越来越多,坡度越来越陡,高度越来越大。然而滑坡 是一个非常复杂的开放系统,针对其滑动面的位置和形状的研究 一1 工程概况 本文研究的边坡为兰渝线第16标段K136+600~K138+100 直是土木工程师们研究的重点。目前滑坡滑动面位置和形状 的传统方法主要是在现场钻探的基础上,通过技术人员的分析来 边坡。本段属中山溶蚀残丘地貌,地形平缓,多为农田。段内地  +p1)层软 判断提出滑带位置。这种方法存在如下问题:1)必须有足够的钻 处上三叠系陆相碎屑岩地层中,上覆第四系坡洪积(Q:松软土、红粘土,下伏三叠系嘉陵江组(T{)灰岩、泥质灰岩、白 孔才能判定整个滑带,这样就会提高工程造价。2)当滑坡体处于 土、蠕变阶段尚未形成时,传统的钻探法无法找出滑面。3)有些滑坡 云岩夹角砾状灰岩。地下水有覆土中的孔隙水及基岩裂隙水两 孔隙水主要赋存于沟槽覆土之中,因覆土以粘性土为主,地下 可能有多个潜在剪出口,传统方法容易造成滑面遗漏…。随着现 类,基岩裂隙水赋存于基岩裂隙中,其中泥岩、页岩隔水性 代计算机技术的发展,特别是岩土材料的非线性弹塑性有限元计 水较发育,刘传正.环境工程地质学导论[M].北京:地质出版社, 1995. [J].岩土工程学报,1999,21(6):651—656. [9] 沈珠江.理论土力学[M].北京:中国水利水电出版社, 2000:133—186. 孙更生,郑大同.软土地基与地下工程[M].北京:中国建筑 工业出版社,1984. [10] 杨献忠,陈敬中,叶念军.论蒙脱石的脱水作用及其对地面 沉降的影响[J].资源调查与环境,2003,24(2):89-95. 杨献忠,杨祝良,陈敬中,等.蒙脱石脱水作用与地面沉降 关系的研究展望[J].岩石矿物学杂志,2005,24(6):659— 665. 赵成刚,白 冰,王运霞.土力学[M].北京:清华大学出版 社,2004. Ranson B.,Helgeson H.C..A chemical and thermodynamic model of aluminous dioctahedral 2:1 layer clay minerals in digenrtie processes:regular solution representation of interlayer dehydra— [12] Liu C W,Lin W S,Shang C,et a1.The effect of clay dehydra— tion in smectite[J].American Journal of Science,1994,294 (4):449—484. Ranson B.,Helgeson H.C..A chemical and thermodynamic model 0f aluminous dioctahedral 2:1 layer clay minerals in digenrtie processes:dehydration of dioctahedral aluminous smectite as a tion on land subsidence in Yunlin coastal area,Taiwan[J]. Environmental Geology,2001,40(4):518-527. [13] 李生林,薄遵昭,秦素娟,等.土中结合水译文集[M].北 京:地质出版社,1982. 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Key words:saturated soft clay,micro—characteristics,connection stifness,consolidation compression 收稿日期:2010—11—19 作者简介:程可(1984一),男,工程师,重庆市交通规划勘察设计院,重庆401121 

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