北京地铁五号线11标段区间及车站工程非饱和土特性试验研究报告(编辑修改稿)

北京地铁五号线11标段区间及车站工程非饱和土特性试验研究报告(编辑修改稿)内容摘要：

保持不变的假设是正确的。 表 14 试样干燥收缩阶段特征参数 土样种类 收缩曲线 吸力－孔隙比曲线 土水特征曲线 ws (%) e s (kPa) e 39。 s (kPa) 砂土 368 319 粉土 528 458 黏土 633 583 粉质黏土 2882 2367 从表 14 中可以看到，不同类型土体的缩限吸力大小并不相等。 试样的塑性指数越大，缩限吸力也越大，如图 15 所示。 12 13 14 15 16 1705001000150020xx25003000基质吸力s /kPa塑性指数 Ip /% 图 15 塑性指数与缩限吸力之间的关系 鉴定资料之四 — 非饱和土特性试验研究 报告 9 在干燥收缩过程中试样的饱和度可由公式 ss wG e 求出，则试样的饱和度与孔隙比之间关系如图 16 所示。 从图中可以看到，对于这四种试样，当饱和度在减小至 过程中试样孔隙比迅速减小；试样饱和度处于 和 之间时，试样孔 隙比缓慢减小；当试样饱和度减小到 时，试样的孔隙比基本保持不变。 由此可见，试样干燥过程中当饱和度减小到 时，试样的收缩变形基本在此阶段完成。 砂土粉土黏土粉质黏土 孔隙比 e饱和度sr 图 16 干燥过程中试样饱和度与孔隙比之间的关系 固结试验 对于非饱和土，基质吸力与平均净应力均可使土样压缩变形。 为了对比分析这两种不同应力对土体的压缩性，本章进行了饱和土的固结试验。 固结试验是研究土体一维变形特性的测试方法。 它是测定土体在压力作用下的压缩特性，土体的压缩性实际上表示孔隙体 积随压力的增加而减小。 本文所测四种试样的固结试验成果整理成 elgp 曲线，如图 17 所示。 对于压缩曲线，先期固结压力 cp 可将压缩曲线分为两个阶段，即弹性阶段和弹塑性阶段。 对于这四种试样的回弹指数和在弹塑性阶段的压缩指数  sc lgC C e p  如表 15 所示。 鉴定资料之四 — 非饱和土特性试验研究 报告 10 1 10 100 1000砂土粉土黏土粉质黏土 平均净应力 p /kPa孔隙比e 图 17 elgp 关系曲线 从图 14 和图 17 可以看到，随着基质吸力或净平均应力的增大，都可以使试样压缩变形。 但是，屈服吸力和缩限吸 力将干燥收缩过程（即基质吸力不断增大过程）分为三个阶段： 弹性阶段、弹塑性阶段和缩限阶段。 当吸力增大到缩限吸力后，基质吸力的增大对于土样的压缩并无明显影响，即试样孔隙比基本保持不变。 而对于固结压缩曲线， 压缩曲线只分为弹性阶段和弹塑性阶段，即随着净平均应力的增大试样不断地被压缩。 表 15 压缩性试验的收缩、压缩指数 土样种类 收缩试验 固结试验 弹性区域 弹塑性区域 缩限区域 压缩指数 回弹指数 砂土 粉土 黏土 粉质黏土 小结 本章利用高进气值压力板仪，针对非饱和重塑砂土、粉土、黏土和粉质黏土，通过结合试样收缩曲线和土水特征曲线方法，考察了干燥收缩过程中试样在净平鉴定资料之四 — 非饱和土特性试验研究 报告 11 均应力 为 0kPa 下 基质吸力和孔隙比的关系；采用常规固结试验考察了试样在基质吸力 为 0 kPa 下经受不同净平均应力时的压缩性。 根据对试验结果的系统分析， 得到以下结论： (1) 试样在干燥过程中，随着试样饱和度的降低，基质吸力增大使得试样发生收缩变形。 一般认为，屈服吸力 0s 将试样收缩过程分为弹性和弹塑性两个阶段。 但试验结果表明，当基质吸力达到一定值后，基质吸力的增大不引起试样的进一步收缩 ，本文称此吸力为 缩限吸力 s。 屈服吸力和缩限吸力将整个收缩过程分为三个阶段，即弹性阶段、弹塑性阶段和缩限阶段。 (2) 根据试验结果分析可知， 缩限吸力 s 可假定为试样的缩限含水率在土水特征曲线中所对应的基质吸力。 并且不同类型土的缩限 吸力大小并不相等， 塑性指数越大缩限吸力也越大。 (3) 虽然净平均应力和基质吸力的增大，均可使土体压缩变形。 对于固结压缩曲线， 压缩曲线只分为弹性阶段和弹塑性阶段；而试样在干燥收缩过程中，屈服吸力和缩限吸力将收缩过程分为弹性阶段、弹塑性阶段和缩限阶段。 并且在干燥收缩过程中，当饱和度在减小至 过程中试样孔隙比迅速减小，试样的收缩变形基本在此阶段完成；当试样饱和度减小到 时，试样的孔隙比基本保持不变。 鉴定资料之四 — 非饱和土特性试验研究 报告 12 第 2 章 非饱和重塑 粉 黏土的三轴试验研究 引言 在上述试验中，试样在干燥收缩过程中基质吸 力和孔隙比的关系曲线是通过间接方法测得，并且在无压状态下进行的，试验结果并不能反映不同应力状态下非饱和土收缩特性和土水特征曲线。 但在实际工程中土体所受压力一般都是三维的，有关资料表明非饱和土的体积变形特性与土体所受应力状态相关，即基质吸力与平均净应力存在耦合关系；而且非饱和土的土水特征曲线也是与土体所受的应力状态密切相关。 土水特征曲线描述了非饱和土含水率和基质吸力的关系。 土水特征曲线是非饱和土研究中的一个重要内容，非饱和土的强度和渗透性等都可以从该曲线得到。 非饱和土体变本构关系也是非饱和土理论的重要研究内容 ， 仅仅有土结构的本构关系尚不能全面描述非饱和土的体积变化，还必须建立气相或液相的本构关系。 对于非饱和土样 ， 因土中含有气体，土样的体积变化与排出的水的体积并不相等，所以常规三轴仪不能测量非饱和土的体积变形。 采用 GDS非饱和土三轴仪，在分别控制试样基质吸力和净平均应力条件下，对重塑非饱和粉 黏土的体积变化和含水率变化特性进行了详细试验研究。 非饱和土三轴试验系统－ GDS 三轴试验系统简介 非饱和土三轴仪硬件配置如图 21 所示，它是由一个 Bishopamp。 Wesley 应力路径三轴仪、四个压力控制仪器、六个传感器 、一个数据交换器和一台电脑组成。 Bishopamp。 Wesley 应力路径三轴仪可容纳最大直径为 100 mm 的试样。 四个压力控制器中，两个是电子式气压控制器，分别用于控制围压和孔隙气压力；另外两个是 GDS 高精度的数字式液压控制器，分别用来控制孔隙水压和轴压，同时可以用来精确测量水体积变化。 有了这四个控制器，试样的围压、轴压、孔气压和孔水压都可以独立控制。 六个传感器包括一个电子荷重器 (测量轴力 )、一个位移传感器 (测量轴向位移 )、一个差压传感器 (用于体变测量系统 )和三个压力传感器 (分别鉴定资料之四 — 非饱和土特性试验研究 报告 13 测量围压、孔水压和孔气压 )。 六个传 感器均连到数据交换器湿陷自动采集和控制。 两个数字式液压控制器通过 IEEE 交换器连到电脑实现自动采集和控制。 该测试系统的控制软件可实现四维控制，即独立、任意控制四个参变量 (围压、轴压、孔气压和孔水压 )。 除了常规的应力路径外，该系统可实现许多复杂的应力路径，如各种应力状态下的干湿循环、等平均主应力剪切、等偏应力吸湿等。 GDS 三轴试验系统的主要性能指标包括： HKUST 型内置压力室； 1 kPa 差压传感器；最大室压力为 1700 kPa；最大轴压为 7 kN；水下荷重传感器，量程为 2 kN，精度为全量程的 %； GDS 线性应变传感器，量程为 25 mm，精度为全量程的 %； GDS 线性孔压传感器，量程为 2 MPa，精度为全量程的 %；压力 /体积控制器，体积精度为 %，压力精度为 %，体积变化测量和显示至 1立方毫米，压力调节和显示至 1 kPa；反压 /体积控制器，体积精度为 %，压力精度为 %，体积变化测量和显示至 1 立方毫米，压力调节和显示至 1 kPa。 图 21 计算机控制的非饱和土三轴应力路径测试系统 鉴定资料之四 — 非饱和土特性试验研究 报告 14 图 22 GDS 三轴试验系统全貌 非饱和土三轴仪与常规三轴 仪相比有以下特点： (1) 可以同时测量孔隙水压力和孔隙气压力。 孔隙水压力是通过与土样底部的高进气值陶土板相连的孔压传感器来测量的，孔隙气压力是通过土样顶端的孔隙气压传感器来测量的。 (2) 具有反压装置。 为了扩大基质吸力的测量范围，实现轴平移，从土样帽上的小孔向土样施加反压。 (3) 具有两个压力室。 为了提高土样体变的测量精度，该非饱和土三轴仪利用双室体变测量系统来测量非饱和土试样的总体变。 该体变系统是由开顶瓶状内室、参照管和高精度的差压传感器组成， 如图 23 所示。 图 23 非饱和土双压力室测量系统 鉴定资料之四 — 非饱和土特性试验研究 报告 15 其基本工作原理是通过差压传感器自动连续地测量内室里的水位变化来获得试样体积的变化。 试验方案与试样制作 试验用土的液限 %，塑限为 %，比重为。 抽气饱和后，试样的初始孔隙比为 ，饱和含水率为 %。 土样的制作严格按照土工试验规程进行。 首先 碾碎 试验用土 后过 2 mm 筛 ，然后在烘干箱中烘干 24 小时。 制作的所有重塑土样干密度控制为 g/cm3，试样大小为 H80，体积为 96 cm3。 配制土样的含水率为 18 %，所以单个试样的干土重为 g，湿土重为 g。 用击实器分三层击实，每层需要土 g，注意击实前每层土之间应先刮毛。 经多次试击，每层土的击实次数最终确定为 14 次。 这样，制备好的试样具有相同的密实度和相同的初始含水率，可以视为初始状态相同的土样。 把制备好的试样装入饱和器放入真空缸内，将抽气机与真空缸接通，对试样进行抽气饱和后进行三轴试验。 针对重塑非饱和黏土，进行了如图 24 所示的 2 组不同应力路径试验： (1) 各向同性压缩试验：在控制试样基质吸力 s a wu u u 的条件下施加不同的净平均应力mapu； (2) 三轴收缩试验：在控制试样净平均应力条件下施加不同的基质吸力。 在试验过程中，所施加的孔隙水压力始终为 0，按照要求分步施加孔隙气压力和围压。 0 100 200 300 400050100150200基质吸力s /kPa净平均应力 p / kP a 50A2B2 C 2 D 2 E2A3 B3 C 3 D 3 E3A4 B4 C 4 D 4 E4A5 B5 C 5 D 5 E5 A1 B1 C 1 D 1 E1A0 (a) 各向同性压缩试验 鉴定资料之四 — 非饱和土特性试验研究 报告 16 050100150200250基质吸力s /kPa净平均应力 p / k P a 50100 20xx 15050E6 E7 E8 E9D 6 D 7 D 8 D 9C 6 C 7 C 8 C 9A6 A7 A8 A9B6 B7 B8 B9 (b) 三轴收缩试验 图 24 试验应力路径 从试验的应力路径可知，非饱和土三轴体变试验主要包含两个方面内容，即吸力平衡和等吸力固结。 在非饱和三轴仪中，试样 的基质吸力是通过往试样顶端施加孔隙气压和底端施加孔隙水压完成的。 此试验过程中所施加的孔隙水压力始终为 0，所以试样的基质吸力即等于所施加的孔隙气压。 在试样吸力平衡过程中 ，本文标准是土样在连续 6 小时内测得水流变化总量小于 20 mm3 时试样吸力达到平衡状态。 三轴压缩试验 在实验中发现若试样的净平均围压不稍大于孔隙气压，试样上端的孔隙气压会导致土样和橡皮膜之间存在气泡，而影响试样总体积变化的测量。 所以，在本试验中，饱和试样首先在各向等压为 20 kPa 下固结。 然后按照图 24 所给的应力路径来分步施加孔隙气 压力和围压。 饱和试样首先在各向等压为 20 kPa 下固结。 固结完成后，对于这 5 个试样，分别施加基质吸力 0， 20， 50， 100 和 200 kPa。 其中施加 0 kPa 吸力的试样，没有吸力平衡阶段。 在这 4 个试样的吸力平衡过程中，当试样含水率变化稳定时即认为吸力平衡结束，试样吸力平衡的时间约为 9～ 13 天。 鉴定资料之四 — 非饱和土特性试验研究 报告 17 0 .140 .120 .100 .080 .060 .040 .02 0 水比容的变化时间 / h s =2 0 k Pa s =5 0 k Pa s =1 0 0 k Pa s =2 0 0 k Pa 0 40 8 0 120 1 60 20 0 2 40 28 0 3 20 图 25 在平衡阶段试样水比容变化随时间的关系 0 .070 .060 .050 .040 .030 .020 .01 0 比容的变化时间 / h s =2 0 k Pa s =50 k Pa s =10 0 k Pa s =20 0 k Pa0 40 8 0 120 16 0 200 2 40 28 0 3 20 图 26 在平衡阶段试样比容变化随时间的关系 0 50 100 150 200 比容 v 水比容 vw 基质吸力 s /kP a比容和水比容 图 27 基质吸力与比容、水比容之间的关系 鉴定资料之四 — 非饱和土特性试验研究 报告 18 本文采用比容 ev 1 来描述试样的总体积变化。 对于水相体积变化，在此采用了 提出的水比容概念来描述试样在试验过程中的试样含水率变化。 水比容的定义为： w r s11v S e w G    (21) 式中， vw为水比容， Sr为饱和度， e 为孔隙比， Gs 为土粒比重。 吸力平衡过程中，试验记录了试样的总体 积变化和试样的排水量。 图 25 和图 26 描述了四个试样在经受不同吸力的平衡阶段过程中试样的水比容和比容随时间变化情况。 从图中可以看到，试样在吸力平衡阶段发生收缩和含水率降低。 并且试样受到的基质吸力越大，试样往外排水速率和排水量越大，试样收缩的速率和收缩量也越大。 在试样吸力平衡后，图 27 分别给出了各个试样的比容和水比容值。 试样基质吸力达到平衡后，在保持基质吸力不变条件下分别对各个试样分步施加不同净平均应力进行压缩试验，其中在 0 kPa 基质吸力条件下的压缩试验就是饱和土在各向等压条件下的固结试验。 在试验过程 中，所测得各个试样的总体积变化和含水率变化分别如图 28 和图 29 所示。 从图 28 可以看到，饱和试样 (即s=0。