土的强度（精选4篇）
土的强度 篇1
石灰土作为道路的底基层和垫层从70年代起就已在北方地区得到广泛应用,它具有较好的板体性、力学强度、水稳定性和一定程度的抗冻性,解决了北方不良地质条件地区由于混合石作为基层垫层而带来的道路翻浆问题。石灰土目前在我国已广泛应用于高等级公路的底基层,在市政工程中也经常采用,当路基回弹模量小于20 MPa时对路床以下至少30 cm路基进行处理。石灰土是采用生石灰(含钙量>70%)和粘土或亚粘土,按重量比,经洒水、搅拌、闷料、碾压后结成板体。初期对土路基能起到稳定作用,后期随着龄期增长可增大板体性和水稳性强度。然而,由于近年来有些道路在施工中石灰土层的施工质量没有得到足够的重视,致使石灰土层强度形成不足、水稳定性差,导致道路在使用早期发生破坏,因此有必要分析施工质量与石灰土强度的关系。
1 石灰土强度形成过程
石灰土强度和稳定性是由于其自身产生的一系列化学、物理化学和物理学变化所形成的,影响石灰土强度和稳定性有内因和外因两个方面:内因有土质灰质、石灰剂量、碾压含水量和密实度;外因有温度、湿度和时间。
一般认为,石灰土强度主要由离子交换、氢氧化钙遇水自行结晶和炭化作用形成。离子交换作用和氢氧化钙自行结晶为石灰土强度早期形成的因素,而炭化作用则在后期作用明显。
2 施工质量对石灰土强度形成的影响
石灰土的施工要做到原材料合格、配灰准确、拌和均匀,必须掌握好最佳含水量,碾压密实,加强初期养护。
2.1 原材料的影响
石灰、土、水的质量决定了石灰土的品质,优质的石灰、土、水及准确的配料是石灰土结构层强度形成的必要条件之一。
1)石灰。
需检验石灰的有效钙和氧化镁含量。如试验碎石、碎石土、砂砾、砂砾土等级配不好的材料,宜先改善其级配。生石灰的主要成份是CaO与MgO,当MgO的含量大于5%时称为镁质灰,小于5%时称为钙质灰,根据CaO和MgO含量等指标划分为优等、一等和合格品3个等级,道路用石灰不宜低于合格品。只有保证石灰中的CaO和MgO的含量才能保证石灰土进行充分的离子交换、炭化作用和结晶作用,并且应尽量缩短石灰的存放时间。
2)土。
在石灰土基层施工前,应取所定料场中有代表性的土样进行以下试验:颗粒分析、液限和塑性指数、击实试验、碎石或砾石的压碎值、有机质含量(必要时做)、磷酸盐含量(必要时做)。一般土类均可配制石灰土,但优先选用塑性指数为12～20的粘性土,比表面积大的粘土更易与石灰发生作用,形成强度。用石灰稳定无塑性指数的级配砂砾、级配碎石、未筛分碎石时,应添加15%左右的黏性土;试验塑性指数偏大的黏性土时,应进行粉碎,粉碎后土块的最大尺寸不应大于15 mm,土的有机质含量不应超过10%,硫酸盐含量超过0.8%时不宜用石灰稳定。使用特殊类型的土壤如级配砾石、砂石、杂填土等应经试验决定。
3)水。
应尽量选择干净的可供饮用的水。
2.2 石灰剂量的影响
石灰剂量对石灰的强度影响比较显著,当石灰剂量低于3%～4%时,石灰主要起稳定作用,随着石灰剂量的增加强度明显提高,石灰剂量过大反而会导致石灰土强度下降并使造价提高。
2.3 石灰土的拌合对石灰土强度的影响
石灰土强度的形成主要靠离子交换、Ca(OH)2自行结晶和炭化作用。离子交换作用原理是:粘土颗粒呈阴极,把土溶液中的K+、Na+等阳离子吸引到粘土颗粒表面的薄膜水中,当石灰加入后,在溶液中离解出来的Ca2+离子与粘土表面的K + 、Na+离子进行交换,呈负极的土颗粒直接吸附溶液中的Ca2+离子,离子交换及土粒吸附钙离子后,使土粒表面的薄膜水水膜变薄,土颗粒之间的分子吸引力加大,土的水稳定性得到提高,土粒间的结构紧密,强度提高。只有将土粒与石灰充分搅拌均匀,增加土颗粒与石灰颗粒的接触面积,才能更有利于这种离子交换,反之,这种离子交换则不能充分地进行,作为整体的石灰土层也会由于存在着没有进行离子交换的原状土团粒和石灰团粒而出现薄弱端面,使石灰土层局部失去板体性能,从而导致道路发生破坏。某城市道路在1994年由16 m扩建为32 m,底基层为石灰土结构。在石灰土施工时,施工单位没有路拌机,用推土机对石灰土进行搅拌。由于工期紧张,石灰土搅拌后没有过筛便进行了摊铺碾压。1997年该路段有2 000 m2发生破坏,1998年城建部门对此进行了翻建。挖除旧路时发现,石灰土层强度极为不均,在土团集中处石灰土层断裂,已无板体性。正是由于石灰土板体性的丧失导致道路使用3年便发生了破坏。
2.4 石灰土碾压时的含水量对强度形成的影响
石灰土强度的形成与石灰土的含水量有着重要的关系,离子交换需要石灰土保持一定的含水量,Ca(OH)2自行结晶的生成物为晶体Ca(OH)2nH2O即Ca(OH)2+nH2O=Ca(OH)2nH2O,结晶作用使得Ca(OH)2nH2O相互之间与土颗粒之间形成晶格,使石灰土强度及水稳定性得到提高。没有水作用的Ca(OH)2自行结晶不能完成,同时为了使石灰土成型密实,达到最大密实度,必须掌握好碾压时的含水量,含水量过低时不但会导致石灰土松散发裂,而且由于石灰土在碾压时土颗粒与石灰颗粒形成嵌挤结构,具有一定的密实度,即使养生撒水也只能湿润石灰表面,缺水的表层以下的石灰土则由于含水量不足不能充分进行离子交换和Ca(OH)2结晶作用,导致石灰土无法形成强度。某城市道路于1990年修建,石灰土层在施工时搅拌均匀,有效钙镁含量测定满足设计要求,在摊铺前过了筛,保证了石灰土的土颗粒与石灰颗粒的接触面积。但由于施工现场附近无水源,石灰土含水量过低,施工碾压时只对石灰土表面洒水。该路段建成通车后2年便开始发现破坏现象。1994年在翻建补强时发现,破坏路段的石灰土几乎为一层松散层,没有形成板体性。也正是由于这一层松散层的存在,大大地降低了道路的使用年限。反之,含水量过大时,待水分蒸发后易干裂,严重时还会翻浆。不同土质的石灰土其最佳含水量有所差异,需通过标准击实实验,求得所施工石灰土的最佳含水量,施工中的实际含水量以最佳含水量为标准,上下波动不应超过1%。
2.5 碾压质量对石灰土强度的影响
碾压应达到密实度设计要求,同时石灰土的强度随密实度的增长而明显增长,且抗冻性、水稳定性、抗缩裂性都有提高,此外碾压应达到无明显轮迹。
2.6 养生的湿度和温度对石灰土强度形成的影响
石灰土成型后必须进行潮湿养生,以防止表层干燥松散和强度受到损失,保证离子交换、炭化作用和结晶作用的进行,使石灰土获得较高的早期强度。
一般认为,温度越高石灰土各种矿物质的活性增大的越大,离子交换、结晶作用都在加速,其强度和水稳定性的增长也在加快。石灰土的强度和稳定性是随着时间而增长,且前期增长较快,3个月龄期的石灰土强度已能达到50%左右,后期强度增长较慢。气温出现负温后,石灰土强度有所损失,气温恢复正常后强度还会继续形成,但增长的速度较慢,所以在北方地区最佳施工期为5～7个月。长春市斯大林大街(后改称人民大街)人民广场至解放广场段,于1993年翻建施工。石灰土层施工时做到了在最佳搅拌、最佳含水量、最佳施工期(6月)施工,道路建成后质量相当好,在1995年全国市政工程检验评比中获优质奖,道路使用至今无破坏现象。
3 结束语
石灰土强度形成与石灰土的施工质量有着密不可分的关系,充分地认识这种关系有利于合理安排石灰土的施工期,抓住关键工序,解决关键问题,保证石灰土具有良好的强度和稳定性及整体性,提高道路的服务年限。
参考文献
[1]李守贵.石灰土强度影响因素分析与对策[J].青海交通科技,2003(3):36-37.
[2]吴军.石灰土施工要加强四种质量控制[J].河南科技,2005(5):35-36.
[3]罗金玲.公路石灰土基层施工质量控制若干问题的探讨[J].西部探矿工程,2004(11):163-165.
[4]张庆凯,任本杰.公路工程石灰土施工的质量控制[J].工程与建设,2006(4):79-81.
[5]张伟.石灰土施工中容易出现的质量问题及处理措施[J].山西建筑,2005(11):96-97.
[6]吕方泉.市政工程施工监理便携手册[M].北京:中国建材工业出版社,2005.
[7]黄兴安.市政工程质量通病防治手册[M].北京:中国建材工业出版社,1999.
分析土的抗剪强度试验的荷重设定 篇2
土是由零散的土粒所组成的集合体, 其抗剪强度取决于土粒间的粘滞力和摩擦力, 而施加了荷载之后会使摩擦力增加, 其抗剪强度将会发生变化。土的抗剪强度是工程设计时所需要的一个重要参数, 直接关系着工程造价、安全性等从多问题, 被应用于工程土坡稳定、地基承载力、土压力等相关计算之中。如何通过试验精确的获取土的抗剪强度, 对于相关计算结果是否可信、设计是否合理等均有着决定性的影响。但是, 土的抗剪强度是由多个因素决定的, 包括如土壤结构、矿物成分、密实度以及含水率等, 而这些都取决于土形成的环境和应力历史以及当前所承受的应力状态。这使得土的抗剪强度和垂直压力并不完全符合库仑方程的直线关系, 还与其它诸多影响因素有关。因此, 在室内试验检测土的抗剪强度时, 应当从多个方面, 包括土的形成环境、应力历史以及当前应力状态等入手, 尽可能的模拟出符合其实际受力状况的荷重条件, 使试验所得抗剪强度数据能更符合土的实际情况, 避免产生过大误差造成安全隐患。
二、土体抗剪强度的影响因素与表达式之间的契合问题
土的抗剪强度受土的摩擦力和粘聚力两个因素的影响, 其中摩擦力来源于剪切面土粒间表面的摩擦和土粒间互相嵌入所产生的咬合力;粘聚力则来源于土粒间胶结作用和电分子引力等作用。但是, 土体并非是连性续性的结构, 呈现出多相性不均匀的特性, 其强度性质和结构机理极为复杂, 而以库仑定律为基础所建立的土的抗剪强度表达式 () 都过于简单, 很难依据这一公式来指导工程中土的剪强度试验时所应当选用的和两个参数。实际上, 对摩擦力和粘聚力这两个因素会造成影响的条件还有很多, 最主要的还有应力历史和土体排水条件, 应力历史条件和土体排水条件, 会对摩擦力和粘聚力两个因素的影响因子形成影响。总的来说, 抗剪强度受剪切面法向总应力、土的初始密度、土粒级配、土粒形状、土粒表面粗糙度、矿物成分、粘粒含量、含水量、土体结构等的影响
因此, 当前我们在进行土体抗剪强度试验时, 不考虑工程实际情况和取土深度, 直接设定竖向压力为100kPa, 200kPa, 300kPa和400kPa进行测试, 再对四次测试结果按平均值计算确定指标的方法, 存在着极大的离散性和可靠性隐患。在测试时, 应当考虑土的应力历史, 尽量使试验现场的应力条件同应力历史条件相同, 对不同应力历史下的数据进行分别处理, 使所得数据可靠性更高。比如从天然土层深处取出的土样, 由于在取出前土样在土层自重应力下具有了一定的强度, 在取出后周围压力卸除, 卸除的应力由土孔隙中水的表面张力所代替, 孔隙中的水受到负压一部分从溶解在水中的气体逸出, 使得土样残余有效应力降低, 体积膨胀, 变为超固结土, 如果不考虑其应力历史条件直接设定竖向压力按四次结果取平均值计算确定指标, 所得数据必然会与实际不符, 甚至产生极大的误差。
三、土的抗剪强度的荷重设定
目前常用的土体抗剪强度试验方法主要有直接剪切试验、三轴剪切试验、十字板剪切试验和大型直剪试验。其中, 直接剪切试验和三轴剪切试验属于室内试验常用的方法, 十字板剪切试验和大型直剪试验属于现场原位常用测试方法, 几种方法中, 进行室内试验时尤其要注意土的应力历史影响问题。实际上, 土的应力历史就是指土体历史上曾受到过的应力状态和应力状态变化, 其本质上也就是应力状态发生了变化。先期固结压力和超固结比, 先期固结压力是指土层在历史上所经受过的最大固结压力, 也就是土体在固结过程中所受的最大有效压。先期固结压力与现有自重压力的比值, 即称为超固结比OCR。对于正常固结土, 也就是天然土层在逐渐沉积到现在地面后, 经历漫长的地质年代, 在土自重作用下达到固结稳定状态的土, 这类正常固结土的先期固结压力等于现有土自重应力, 这类土体称为正常固结土, 其超固结比OCR为1。超固结土是正常固结土在流水、冰川、人为开挖作用下所获取的土体, 这类土体前期固结压力与获取前的地面深度有关, 其前期固结压力超过了现有土体自重压力, 这类历史上所受压力大于了土体现有自重压力的土体称为超固结土。新近从沉积粘性土、人工填土、地下水位下降后水位以下的粘性土, 由于在自重作用下还没有完全固结, 土体孔隙水压力还在消散, 其固结压力小于土自重应力, 称为欠固结土。
基于应力历史对土体抗剪强度试验离散性和可靠性的影响, 我们在进行抗剪试验荷重设定时, 应当首先弄明白土样的应力历史, 再确定试验方法和荷重设定。进行剪切试验时, 每组试验均应取4个试样, 用4种不同荷重, 一个相当于现场预期最大荷重, 一个要大于最大荷重, 另两个要小于最大荷重。在采用三轴试验时, 对试验施加的周围荷重, 则应尽可能和土体现场实际压力一致, 这都是考虑应力历史的原因。
实际上, 从土壤深处取出的软粘土、砂质粘土等不加水也会产生膨胀, 在雨中取样时, 吸水膨胀的可能性很大, 此时试验时的有效应力肯定要比在取土位置更小, 因此如果不考虑应力历史, 即是采用现场测试也不可能准确的得到土体的抗剪强度参数, 在抗剪强度试验时所得结果比较零乱的原因, 这不仅是因为土体自身的不均匀性, 更多的是因为土体的应力历史条件难以把握的问题。因此, 在进行荷重设定时, 一定要将应力历史条件考虑进去, 设定切合应力历史条件的荷重进行试验, 使试验数据更为准确可靠。
摘要：土的抗剪强度是工程设计中的一个重要参数, 但由于土体的不均匀特性使得土的抗剪强度与垂直压力并不完全符合库仑方程直线关系。本文就此进行研究, 发现合理的荷重设定应当与土的应力历史相符合, 充分考虑土壤结构、矿物成分、密实度以及含水率等因素, 才能获得最准确的数据。
关键词：抗剪强度试验,荷重设定,应力历史,土壤结构
参考文献
[1]张求书、宋志伟:《浅谈公路工程中土的抗剪强度试验》, 《中国水运 (下半月) 》, 2010 (02) 。
[2]姚攀峰:《再论非饱和土的抗剪强度》, 《岩土力学》, 2009 (08) 。
[3]刘佩琳、朱红雷:《土的抗剪强度试验的荷重设定》, 《山西建筑》, 2007 (15) 。
土的强度 篇3
电阻率为土的固有属性之一。电流在土内流通有三种通道:土颗粒间传导、孔隙液传导及两者结合的传导。土的电阻率受土的干密度、饱和度、孔隙液及风化程度等因素的影响[1], 而上述因素同时亦影响着土的工程特征, 如抗剪强度、抗压强度等。由此可知, 土的电阻率与其工程特性指标间必定存在着一定的关系。
Sundberg[2]、Archie[3]、Keller[4]、Waxman[5]等提出了适合于不同土的电阻率模型;付伟[6,7]在对冻土的单轴抗压强度与电阻率的关系进行研究后得出, 在一定的干密度与含水率条件下, 冻土的单轴抗压强度与电阻率呈线性关系;孙树林[8]对掺石灰粘土的电阻率进行了研究, 得出灰土比、含水率、饱和度、土的结构和土粒粒径等均会影响土的电阻率, 且对土的含水率变化尤为敏感;刘国华[9]采用改进的Miller Soil Box进行了土的室内试验, 通过正交试验, 发现影响土的电阻率的因素依次为:含水率、孔隙水的导电性、饱和度和土的种类。
据此, 利用土的电阻率可快速便捷获得的技术优势, 尝试以玄武岩残积土的电阻率评价其作为路基土或边坡土的工程特征。
1 残积土的电阻率特性
1.1 电阻率的测试原理
测定土样的电流和电压变化, 根据电阻率定义就可以得到土的电阻率:
式中:ρ为电阻率 (Ω·m) ;U为电压 (V) ;S为土样的横截面积 (m2) ;I为通过土样的电流 (A) ;L为两电极之间的距离 (m) 。
1.2 试验概况简介
采用二极法进行测试, 如图1所示。
试验所用电源为0~30V的直流电源;电极为铜质电极, 厚度为2mm, 大小与试样截面相等, 电极与试样间涂石墨导电胶耦合。试样直径61.8mm、高20mm, 试样制备成型后静置一昼夜。
试验用土取自贵州省毕节—威宁高速公路边坡。土的矿物成分主要为蒙脱石、高岭石、绿泥石、石英、长石。原状土的天然含水率32.9%, 重塑土的风干含水率7.8%, 比重2.86, 液限43.1, 塑限29.0, 塑性指数14.1。
1.3 电阻率的影响因素
(1) 干密度与含水率
地表下1~1.5m深度的原状土的干密度为1.1~1.3g/cm3, 用二级法测得土的电阻率为180~220Ω·m。鉴于随深度的增加, 土的干密度增大, 因此, 设计试样的干密度分别为1.32g/cm3、1.43g/cm3、1.54g/cm3、1.65g/cm3、1.76g/cm3。原状土的含水率平均为32.9%, 考虑到含水率过高时, 干密度1.76g/cm3的试样过于饱和, 为便于比较, 设置含水率为15%、20%、25%。测试结果如图2所示。
由图2可知, 在相同含水率条件下, 土的电阻率随干密度的增大逐渐减小;当含水率为15%时, 土的电阻率对干密度的反应较为敏感, 在干密度为1.32g/cm3到1.54g/cm3范围内电阻率降幅最大;随着含水率的增大, 土的电阻率逐渐降低;当干密度达到1.76g/cm3时, 三种含水率的土的电阻率基本趋于相同。
出现上述结果的主要原因为, 干密度大于1.76g/cm3时, 试样已非常密实, 孔隙率较小, 电流主要通过土颗粒间的接触点或土颗粒间的孔隙水传递, 所以干密度较大的试样, 其导电性能较好。
(2) 含砾率
玄武岩残积土具有风化不完全均匀的特点, 常有较大颗粒 (砾石) 分布于残积土中。含砾率是指砾石质量占试样质量的百分比, 通常将2~20mm间的颗粒称为细砾[10]。
为模拟现场情况, 制备含砾率分别为20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%的试样。当含砾率为80%时, 接近天然状态下全为砾石的状态。含砾率较大时, 试样内残积土含量较少, 这使得粘聚力较小。为使试样可压制成型, 宜选择稍大一点的干密度。考虑到干密度对电阻率的影响, 确定干密度为1.76g/cm3、含水率为20%。试验结果如图3所示。
由图3可知, 随含砾率的增大, 土的电阻率呈均匀增大的趋势。当含砾率由70%增大到80%时, 电阻率增大的幅度加大。
一方面, 因为水分子无法进入砾石内部, 这使得砾石颗粒的电阻率比粘土颗粒的要大。因此, 随含砾率的增大, 试样的电阻率在增大;另一方面, 同质量的砾石与粘土颗粒相比, 砾石的体积要小很多, 所以, 当含砾率增大后, 试样内部必然会多出现一些孔隙, 而填充孔隙的空气的电阻又非常大, 这样就使得含砾率较大的试样电阻率也较大。
(3) 孔隙液
不同孔隙液的电阻率差别也较大, 孔隙液所含离子的数量、离子所带电荷数等均会影响孔隙液的导电性能。自然界土中孔隙液富含各种离子, 一般含Na+较多, 因此首先选择测试孔隙液为Nacl溶液时的试样电阻率;鉴于常用石灰改良玄武岩残积土, 石灰中Ca2+对土的电阻率的影响并不明确, 因此也测试了孔隙液为Cacl2溶液时试样的电阻率。
已知20℃时, 100g蒸馏水中Nacl的溶解度为88g, Cacl2的溶解度为74.5g。分别配置了饱和Nacl溶液与饱和Cacl2溶液, 试样干密度为1.76g/cm3, 孔隙液质量分数为15%、20%、25% (孔隙液的质量分数等于孔隙液的质量与土颗粒质量之比) , 测得不同孔隙液对土电阻率的影响如图4所示。
由图4可以看出, 孔隙液为蒸馏水的试样电阻率较大, 孔隙液为Nacl或Cacl2溶液的电阻率则低得多, 且随着孔隙液质量分数的增大电阻率逐渐下降。因为金属离子的导电性明显要高于水分子, 由孔隙液连通形成的导电通道, 因为金属离子的存在, 其导电性会大大增强, 从而使得孔隙液为Nacl和Cacl2溶液的试样的电阻率小很多。
2 残积土的电阻率与直剪强度关系
残积土的电阻率明显受干密度、含水率、含砾率与孔隙液等因素的影响, 而这些因素又直接影响着土的结构和土的抗剪强度。本次研究对每一个残积土样分别测试其电阻率和直剪强度, 试验所用直剪仪为DJY-4四联等应变直剪仪。
2.1 不同含水率土的电阻率与直剪强度关系
(1) 含水率与直剪强度的关系
为对应之前所测土的电阻率试验, 完成了干密度为1.76g/cm3, 含水率分别为15%、18%、20%、23%、25%试样的直剪试验, 结果如图5和图6所示。
由图5、图6可知, 残积土的粘聚力随含水率的增大总体呈变小的趋势;内摩擦角随含水率的增大逐渐减小, 且当含水率大于20%后, 其减小的幅度逐渐变小。
这主要是因为水分子形成的水膜束缚于土颗粒周围, 水膜的厚度会影响土颗粒表面双电子层的作用力, 含水率增加, 使得水膜的厚度变大, 导致试样的粘聚力逐渐变小。在干密度一定的条件下, 由于水分子的润滑作用, 在很大程度上减小了土颗粒间的摩擦力, 因此随含水率的增加内摩擦角逐渐减小。
(2) 电阻率与直剪强度的关系
不同含水率条件下试样的电阻率与抗剪强度指标的关系如图7和图8所示。
水作为填充土颗粒骨架的重要物质, 对土的导电特性会产生较大影响。由图2可知, 含水率越高, 其电阻率越低。这主要是因为水的导电性良好, 当含水率较高时, 土样孔隙中的水分子也较多, 形成的双电子层较多, 不导电的通道在逐渐减少, 土样的导电性自然会增强。
结果为:土的粘聚力与内摩擦角随含水率增加而减小, 同时土的电阻率也因为水分子的增多而减小。如此, 土的粘聚力与内摩擦角就与电阻率具有了相关性。
由图7、图8可知, 不同含水率下土的电阻率与粘聚力、内摩擦角均成正相关, 其电阻率与直剪强度指标的相关性较高, 且二次函数拟合曲线的相关性高于一次函数。
2.2 不同含砾率土的电阻率与直剪强度关系
(1) 含砾率与直剪强度的关系
为对应之前完成的土的电阻率试验, 对含砾率分别为20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%的试样进行了直剪试验, 试样的干密度为1.76g/cm3、含水率为20%。结果如图9和图10所示。
由图9、图10可知, 土的粘聚力随含砾率的增大逐渐减小, 土的内摩擦角随含砾率的增大逐渐增大, 直剪强度指标与含砾率的相关性非常高。含砾石土的强度主要由细粒土强度、砾石强度及两者间相互作用的强度决定。含砾石土在剪切过程中, 强度主要来自剪切面上细粒土与砾石间的摩擦力及细土颗粒间的粘聚力。
当含砾率较低时, 土的粘聚力主要来自于颗粒间作用力, 由于砾石的直径较大, 其粘聚力极小, 因此随含砾率的增加, 土的粘聚力逐渐降低。对内摩擦角而言, 砾石颗粒的直径较大, 当其处于剪切面时, 有相对运动趋势的颗粒需要克服更大的摩擦力, 因此随含砾率的增加, 所需克服的摩擦力增大, 使得含砾石土的内摩擦角逐渐增大。
(2) 电阻率与直剪强度的关系
不同含砾率土的电阻率与抗剪强度指标间关系如图11和图12所示。
由图11、图12可知, 不同含砾率土的电阻率与粘聚力成负相关, 与内摩擦角成正相关, 同样用二次函数拟合两指标的相关性均大于一次函数。
因为砾石的直径较大, 使得随含砾率的增加土的粘聚力变小, 而电阻率随砾石含量增多而增大, 因此土的粘聚力与含砾率成负相关;当砾石处于剪切面时, 颗粒相对运动所需克服的摩擦力较大, 使得随含砾率的增大土的内摩擦角变大, 而电阻率随含砾率增大而增大, 因此土的内摩擦角与含砾率之间成正相关。
3 高密度电阻率法的现场检验
以土的电阻率特性表征土的工程特性具有快速直观的优势, 可探测的空间也较大, 从而弥补传统勘察手段以点带面的缺点。高密度电阻率法是土的电阻率理论的延伸应用, 是以土的电性差异为基础, 人工建立地下电流场, 通过采集地下空间不同位置点的电阻率值, 进而研究相关地质问题的方法。
选取贵州省毕节—威宁高速路段有代表性的边坡进行探测, 图13和图14分别为1号、2号边坡纵向剖面的电阻率测试结果。
由高密度电法反演剖面图13、图14显示, 在垂直测线方向地层没有明显的成层特性, 在沿测线方向成局部高阻分布, 无可能的滑动带。在阶梯处出现明显的低电阻率区域, 表明阶梯处的土导电性较好, 现场观察发现阶梯处土均为开挖后形成, 土质较均匀且含水率较高, 因此电阻率较低。在测试空间底部均出现高电阻率区域, 结合地质资料, 证实边坡覆盖土层厚仅10m左右, 高电阻区域应为基岩区。
高密度电阻率法可快速直观地了解边坡内部的情况, 对于初步判断边坡内部裂隙发育及可能的滑动带有很大帮助。
4 结论
(1) 玄武岩残积土的电阻率随干密度的增大逐渐减小, 随含水率的增大逐渐降低, 随含砾率的增大逐渐增大;孔隙液为蒸馏水的土样的电阻率较大, 孔隙液为Nacl或Cacl2溶液的土样的电阻率非常低。
(2) 玄武岩残积土的粘聚力随含水率的增大先增加后减小, 内摩擦角随含水率的增大逐渐减小。土的粘聚力随含砾率的增大逐渐减小, 土的内摩擦角则随含砾率的增大逐渐增大。
(3) 不同含水率与含砾率条件下, 残积土的电阻率与抗剪强度指标相关性均较强, 可作为高密度电阻率法测试结果的分析依据之一。
摘要：西南地区的玄武岩残积土具有结构性强、孔隙比大、塑性指数高等不良工程特征, 其原位地基承载力较高, 但遇水后强度降幅较大。依托在建的贵州省毕节—威宁高速公路工程, 运用现场原位测试、室内试验和理论分析等手段, 测试了玄武岩残积土的电阻率和工程特性指标, 讨论了以玄武岩残积土电学特性评价其工程特性的可行性, 最后通过对比现场高密度电阻率法的实测结果, 证实了以玄武岩残积土的电阻率评价其工程特性是可行的。
关键词：电阻率,高密度电阻率法,直剪强度,残积土
参考文献
[1]查甫生, 刘松玉, 杜延军等.土的微结构特征对其电阻率的影响试验研究[J].工程勘察, 2008, (10) :6~10.
[2]Sundberg K.Effect of impregnating waters on electricalconductivity of soil and rocks[J].Trans.AIME, 1932, 97:367~391.
[3]Archie G E.The electric resistivity log as aid in determiningsome reservoir characteristics[J].Transaction, AmericanInstitute of Mining, Metallu, 1942, 146:54~61.
[4]Keller G, Frischknecht F.Electrical methods in geophysicalprospecting[M].New York:Pergamom Press, 1966.
[5]Waxman.M H, Smits.M J.Electrical conductivity in oil-bearing shaly sand[J].Society of Petroleum Engineers Journal, 1968, 65:1577~1584.
[6]付伟, 汪稔.饱和粉质黏土反复冻融电阻率及变形特性试验研究[J].岩土力学, 2010, 31 (3) :769~774.
[7]付伟, 汪稔, 胡明鉴等.不同温度下冻土单轴抗压强度与电阻率关系研究[J].岩土力学, 2009, 30 (1) :73~78.
[8]孙树林, 李方, 谌军等.掺石灰黏土电阻率试验研究[J].岩土力学, 2010, 31 (1) :51~55.
[9]刘国华, 王振宇, 黄建平.土的电阻率特性及其工程应用研究[J].岩土工程学报, 2004, 26 (1) :83~87.
土的强度 篇4
1. 杂填土。
杂填土是指由人类活动所形成的建筑垃圾、生活垃圾和工业废料等无规则堆填物。杂填土成分复杂、结构松散、分布极不均匀, 因而均匀性差、压缩性大、强度低。未经人工处理的杂填土不得作为建筑物基础的持力层。
2. 软土。
软土包括淤泥及淤泥质土。其特点是含水量高、孔隙比大, 压缩高, 内摩擦角小, 因此软土地基承载力低, 在外荷载作用下地基变形大。软土的另一特点是渗透系数小, 固结排水慢, 在比较深厚的软土层上, 建筑物基础的沉降往往持续数年甚至数十年之久。
3. 砂卵石地基。
对于中小型水闸、泵房等建筑物及一般的堤防工程而言, 砂卵石地基的承载力通常能满足要求。但砂卵石地基有着极强的透水性, 当挡水建筑物存在上下游水头差时, 地基极易产生管涌, 造成严重事故。因此水利工程中的砂卵石地基包括粉细砂地基必须采取适当的防渗排水措施。
4. 特殊土地基。
特殊土地基一般带有地区性特点, 包括湿陷性黄土、膨胀土和冻土等。湿陷性黄土的主要特点是受水浸润后土的结构迅速破坏, 在自重应力和上部荷载产生的附加应力的共同作用下产生显著的附加沉陷, 从而引起建筑物的不均匀沉降。膨胀土是一种吸水显著膨胀而失水显著收缩的高塑性土, 这种地基土的特性容易造成建筑物隆起或下沉, 从而带来严重危害。冻土是指气温在零度以下时出现固态冰的土, 包括瞬时冻土、季节性冻土和多年冻土。其中, 季节性冻土对水利工程的危害较大。季节性冻土因其周期性的冻结和融化, 从而造成地基的不均匀沉降。
二、水利工程中基础土抗剪强度指标的确定
土的抗剪强度是指土的某一受剪面上抵抗剪切破坏的最大应力。土的抗剪强度一般由黏聚力和内摩擦力两部分组成。黏聚力主要由包围在土颗粒周围的黏结水产生的, 它是以吸附水膜的形式使颗粒在接触面上相互黏结。显然, 颗粒越细, 颗粒的比表面积越大, 黏聚力越大, 而对无黏性土来说, 黏聚力很小甚至可认为不存在。内摩擦力是指颗粒之间的摩擦阻力, 它来自颗粒接触面上的摩擦作用和颗粒棱角的链锁作用。这种摩擦力取决于土的滑动面的粗糙程度和该面所受的法向压力。
土的抗剪强度指标的正确选择, 取决于剪切实验方法的正确运用。而剪切实验方法的选定, 又必须保证土样所处的实验条件 (如受力和排水条件等) 应尽可能与实际情况相一致。下面对三种用于近似模拟土体在现场遇到的不同受剪排水条件的剪切试验做简单介绍。
第一, 不固结不排水剪 (UU) 或快剪 (Q) 。不固结不排水剪或快剪通常用来模拟弱透水性黏土地基受建筑物的快速加载或土坝在快速施工中被剪破的情况。这类试验要求饱和土样在受剪之前以及剪切过程中, 始终保持原有水分不变。不排水剪 (UU) 在三轴压缩仪中进行, 快剪在直接剪切仪中进行。
第二, 固结不排水剪 (CU) 或固结快剪 (R) 。完全符合固结不排水剪或固结快剪试验中受力排水条件的实际工程情况是不存在的。有时, 这种试验用来模拟中等透水性土或黏土在中等加荷速率下被剪破的情况。通常, 固结不排水剪试验主要用来测定土的有效强度指标和推求原位不排水强度。CU试验在三轴仪中进行, 固结快剪试验在直剪仪中进行。
第三, 固结排水剪 (CD) 或慢剪 (S) 。这种试验用来模拟黏土地基和土坝在自重荷载作用下已压缩稳定后, 受缓慢荷载被剪破的情况或砂土受静荷载被剪破的情况。CD试验在三轴仪中进行, 慢剪试验在直剪仪中进行。
三、渗流危害及基础土渗透系数的确定
1. 渗流的危害。
水利工程中由于广泛建造堤、坝、围堰、水闸等挡水建筑物形成了水头差, 这些建筑物或其地基通常是透水的多孔介质 (土或风化岩石) , 因此, 渗流现象十分普遍。渗流不仅会造成水库、渠道水量损失, 还会使堤坝、围堰土体饱和, 降低坝体的有效应力, 从而降低抗剪强度, 可能导致坝坡失稳;当渗透坡降过大时, 甚至使堤坝中的土体颗粒流失, 发生渗透变形, 从而使堤坝塌陷溃决。
2. 基础土渗透系数的确定。
渗透系数的大小是直接衡量土的透水性强弱的一个重要的力学性指标。土的渗透性除了与水的动力黏滞系数和温度有关之外, 还与土的种类、孔隙比、颗粒级配、颗粒形状等因素有关。确定渗透系数值的方法包括野外原位试验、室内试验、经验公式或查表估计。一般认为野外现场测定渗透系数得到的结果比较可靠, 当然现场试验所要投入的人力和经费也较多。室内试验测定渗透系数一般存在较大偏差, 因此室内试验测定值一般不能直接采用, 只能作为野外原位试验的辅助资料。对于一些无条件进行野外原位渗透试验的工程, 在初步设计阶段或可行性论证阶段, 可由验公式或查表来进行估算。
四、结语
总之, 不同性质土基的缺陷会给水利工程建筑物造成不同形式的破坏, 而要控制地基沉陷、防止地基发生渗透变形, 就必须准确的把握土的抗剪强度、渗透性等物理性质。
参考文献
[1]吴楚权.谈小型水利工程地基处理[J].广东科技.2007, 170 (6) :226-227