膨胀土的蠕变特性研究高填方渠道的南水北调工程

文摘

在南洋部分midroute的南水北调工程,膨胀土通常用作填料的高填方渠道。通道是稳定后,膨胀土进行蠕变变形。研究膨胀土的蠕变特性在不同环境中尤为重要,对高填方渠道的安全运行。在最近的研究中,膨胀土的蠕变试验进行了不同含水率和干密度下。提出了拟合直线的斜率在膨胀土的压缩曲线可以用来代表非饱和膨胀土的次固结系数,和次固结系数的变化规律在不同的环境因素。修改后的Bjerrum计算方法考虑附加载荷和横向变形的影响收益率postexpansion土壤沉降曲线模型来确定控制指数范围项目的网站。此外,还观察到非饱和膨胀土的次固结系数随含水量的增加,随干密度的增加而减小。非饱和膨胀土的二次压缩系数是线性相关的干密度和含水率。预固结处理后的膨胀土,当负载级别小于预加载,次固结系数越小,否则,次固结系数比较大。

1。介绍

南水北调工程是一项战略工程缓解中国北方水资源严重短缺。的主要供水渠道midroute南水北调工程是1472公里长,经过大量的膨胀土地区沿线(1]。膨胀土部分的累积长度约为340公里,占总长度的20%(图1)。其中,中线工程是一个重力流项目。沿着线由于地形起伏大,以满足通道一致性指数和施工工艺的要求,有必要以最近的土壤为填充(图2)。midroute的南水北调工程,运河的长度与填充高度大于6米(约144公里2]。在南洋的南水北调工程的部分,大部分的加密是膨胀土。完成后的高填方渠道,虽然土压力趋于稳定,土壤也会产生一些蠕变变形随着时间的发展。

蠕变是指现象,固体材料的应变随时间保持压力不变的情况下(4]。它不同于塑性变形。塑性变形通常发生在应力超过弹性极限之后,和蠕变变形可能发生当压力小于弹性极限,只要压力徒在很长一段时间。蠕变间接影响所有进程的土壤力学,土力学中一个重要的问题。在南水北调工程膨胀土往往处于不饱和状态。非饱和膨胀土的蠕变变形是非常缓慢,难以监控。随着时间的推移和环境的变化,如通道发生变形和结算,这造成巨大威胁项目的安全运行。学习的蠕变特征的填充在不同环境中尤为重要,对于评估高填方渠道的安全运行,同时也为其他填充项目提供参考。

研究人员在土壤蠕变测试中取得快速进展。太阳et al。5)北方红粘土的蠕变特性进行了研究。使用非饱和三轴蠕变实验研究进行了仪器。研究发现,红粘土的含水量增加也增加了蠕变。赖et al。6)进行了一系列的非饱和土三轴蠕变试验的滑带土在三峡库区滑坡为研究对象。不同吸力条件下的蠕变试验曲线。这是得出的结论是,随着吸水力逐渐降低,蠕变变形和蠕变速率继续上升。陈等人。7]研究了初始含水率和纤维含量的影响纤维增强膨胀土的蠕变特性通过室内非饱和三轴蠕变试验。试验结果表明,蠕变变形与水分含量的减少,减少和纤维加固能显著地提高膨胀土的长期强度。李等人。8在南宁)进行了一系列的蠕变测试不饱和膨胀土。通过分析蠕变变形的膨胀土在每一个阶段,是获得膨胀土的蠕变包括粘弹性的非线性蠕变变形和粘塑性的变形。李等人。9)进行了蠕变试验研究合肥地区非饱和地基土。研究表明,非饱和地基土的蠕变变形特性在不同初始含水率和不同垂直压力很小。在土壤蠕变试验研究取得了丰硕的成果。然而,有相对较少的实验目前非饱和膨胀土的蠕变,因为高的测试要求,测试时间长,膨胀土的复杂特征。

基于蠕变测试,取得了很多成果研究土的蠕变模型。帕尔(10)建立了对数模型之间的累积塑性应变和循环载荷的数量通过执行一个循环软土三轴试验在伦敦。Monismith et al。11]建立了指数模型之间的累积塑性应变和循环载荷对膨胀土进行试验研究。基于Monismith的研究,茶和三浦12)建立了一个指数塑性应变经验公式考虑初始剪切应力因素。辛格和米切尔(13]提出了Singh-Mitchell实证蠕变模型基于三轴蠕变试验,并使用三个参数的应力、应变,和时间来描述蠕变变形的机理。Mesri et al。14]基于双曲蠕变模型和Singh-Mitchell实证模型,进一步推导和分析了土壤应力应变的双曲函数和时间获得Mesri蠕变模型。朱和阴15]分析了实验数据的局部应力和时间的关系,并使用双曲蠕变方程来描述土壤蠕变加速阶段。目前,软土的蠕变特性常常被描述定量的次固结系数(16- - - - - -18,学者们进行了大量的研究。马等。19]研究南宁膨胀土的长期压缩特性,发现预压改良膨胀土最低中等压缩性。阴et al。20.基于Bjerrum的同步e-lg]p曲线理论,建立了一个计算二次固结系数的新方法。在此基础上计算方法,周和陈21]讨论了应力历史的影响,加载率,超载预加载原状软土的次固结在广州南沙。Ng et al。22)将土壤分为中度土壤通过研究上海粘土的压缩。Lei et al。23]表明,二次压缩系数先增加然后减少随着负载的增加,然后趋于稳定后,研究天津沿海粘土。罗等。24]发现汕头软土的次固结系数先增加随着固结压力的增加,当增加到一定程度时,不受负载的影响。Ladd和普雷斯顿25)发现,膨胀土的次固结系数不受时间影响,样品厚度、分级加载系数比,是一个可靠的参数。Mesri [26和你们et al。27)认为,次固结系数与固结压力有关。

它可以观察到,次固结系数的研究结果显示差异,和软土的蠕变特性的身体明显不同是由于土壤质量的差异和区域(28,29日]。虽然土壤蠕变理论已经取得了很多成就,很少有研究软土的蠕变特性填写南水北调的通道。在南水北调工程中,通道面板衬砌渠道边坡变形有很高的要求,和蠕变变形是运河边坡变形的一个重要组成部分。因此,本文着重于研究南阳膨胀土的蠕变特性的高填方渠道。南水北调的南洋部分位于中国北部和南部的结。特殊的温带季风经常引起外部环境的变化,这直接导致含水率和干密度的变化。在实际工程中,由于地质条件变化,施工控制的不确定性,和环境的影响,水分含量的差异和密实度的膨胀填补经常发生。摘要室内密闭压缩试验在不同条件下进行了网站上的非饱和膨胀土改造土壤样本的高填方渠道河南南阳的南水北调工程。通过改变含水率、干密度和预加载条件下,长期荷载作用下膨胀土的蠕变特性进行了研究。研究结果提供相应依据现场控制指标的南水北调工程。

2。材料和实验方法

2.1。测试土壤样本的特征

试验土样来自广阔的填充的高填方渠道在南洋部分midroute南水北调工程,和样本重新塑造。其物理和力学性能如表所示1。

膨胀土的矿物成分是由x射线衍射确定。D8推进x射线衍射仪使用的测试。结果如表所示2。

2.2。样品制备方法

土壤样本被重塑成圆柱不饱和的标准样品φ×61.8毫米h20毫米,具体的制作步骤如下:(1)碎风干土壤样本经过2毫米筛和干在烤箱(T= 105 - 110°C,t> 8 h);然后,取出,冷却到室温干燥器。(2)水的质量要求准备土壤样品水分含量为15%,18%,21%计算。加水后,土壤样品放入塑料袋. .随后,这是放置在一个保湿箱超过24小时的水在土壤样品混合均匀。(3)土样的含水率测量的干燥方法(T= 105 - 110°C,t> 8 h),误差在0.2%以内。(4)计算所需的土壤质量准备下的环刀样例设计干密度。(5)环刀被卡住了背靠背,放在一个大平垫,重的土壤是均匀地涌入。一个金属块大小相同的环刀被选中,和金属块与杰克被压入环刀。

2.3。测试方法

试验加载设备采用了WG单杠杆整合仪器(中压)由南京拧土壤仪器公司,如图3,总共有15个单位同时进行测试。在测试期间,电脑自动显示并记录整个过程的数据。揭示不同含水率下膨胀土的蠕变特性,干密度和预加载条件,下面的测试方案。

2.3.1。蠕变试验方法考虑含水率的影响(表3)

(1)加载方法。加载序列是50、100、200、400和800 kPa,前四个负载持续24小时。然后,5^th期间负载应用到标本达到蠕变稳定标准。

2.3.2。蠕变试验方法考虑干密度的影响(表4)

(1)加载方法。加载序列是50、100、200、400和800 kPa,前四个负载持续24小时。然后,5^th期间负载应用到标本达到蠕变稳定标准。

2.3.3。蠕变试验方法考虑预加载的影响(表5)

(1)加载方法。预加载应用程序的方法:负载应用于预加载载荷值一次24小时;然后,它是24小时卸到0。

应用负载级别的方法:采用分步加载方法;除了最后的负荷水平,其余的每个级别持续24小时。最后加载持续时间,直到试样达到蠕变稳定标准。

2.4。膨胀土的蠕变特性

2.4.1。次固结系数

饱和土壤的孔隙度在二级压缩阶段时间的对数线性相关。根据Mesri的研究(26),次固结系数C_α可以获得从土样的吗elgt曲线,见以下方程: 在哪里C_α次固结系数(单位:MPa⁻¹),e孔隙率,t添加一个负载后的运行时间,t₁是主要的整合完成时间。

从方程(1),饱和土的次固结系数的数学意义之间的直线的斜率t和t₁在elgt曲线。时的值t的值是相同的,t₁将影响二次固结系数的值。图4显示之间的关系e和lgt非饱和膨胀土一次性加载条件下和不同固结压力的50 kPa, 100 kPa, 200 kPa, 400 kPa, 800 kPa。之间的关系e和lgt非饱和膨胀土,经过大变形发生瞬间加载的时候,随后的曲线相对平坦。与饱和膨胀土的蠕变曲线相比,非饱和膨胀土的曲线没有明显的拐点后瞬时变形。

如果饱和土的次固结变形的计算理论应用于非饱和膨胀土,t的值₁将很难确定。如果根据理论计算饱和膨胀土,当t= 14400分钟和t₁是1分钟,12.25分钟,100分钟,次固结系数的计算结果见表6。

从表可以看出6当负载200 kPa,t= 14400分钟,次固结系数对应于1分钟,当t 12.25分钟和100分钟₁分别是0.001824,0.001280和0.001563。次固结系数对应于1分钟1.39倍的次固结系数对应12.25分钟。可以看出,t的值₁有更大影响的次固结系数的计算结果。为了消除这种影响,获得更合理的非饱和土的次固结系数,直线拟合方法的选择。

一种方法表达非饱和土的次固结系数试图适应测试点提出了一条直线。根据非饱和土的蠕变试验,e-lg下的散点图t坐标系统。所有的测试点都符合1分钟后成一条直线,直线的斜率是用来表示次固结系数。在拟合过程中,相关系数的平方R²≥0.95是必需的。如果R²< 0.95,那么它必须符合所有的测试点后下次成一条直线。等等,直到R²≥0.95,直线的斜率是用来代表了次固结系数。

拟合直线的斜率的方法被用来取代非饱和土的次固结系数的次固结系数更为准确。

2.4.2。含水率对次固结系数的影响

膨胀土的主要土壤物质由高填方渠道在南阳段南水北调工程,和其特殊的结构和湿肿胀,减少属性对水有特殊的敏感性。含水率变化引起的地下水位上升,表面蒸发,和大气降水入渗影响膨胀土的蠕变变形,进而可能会影响高填方渠道的正常使用。控制含水量的变化对膨胀土尤为重要。通过进行蠕变试验的膨胀土在不同含水量条件下,膨胀土的固结蠕变试验曲线在不同含水率条件下如图5。膨胀土的固结蠕变曲线在不同负荷水平下如图6。膨胀土的次固结系数在不同含水率条件下表所示7。根据测试结果,含水量的影响规律对膨胀土的固结蠕变特性进行了分析。

从数据可以看出5和6当含水率较低,负载级别小,非饱和膨胀土的蠕变变形很小,它很快会达到一个稳定状态。随着含水量的增加和负荷水平的增加,蠕变变形变得更加重要。当水分含量很低,大部分的水包含在膨胀土结合水,只有少量的游离水。在小负荷水平的影响下,加载瞬间产生瞬时大变形由于土壤颗粒的重排和土骨架的位移,但这个过程持续很短的时间内,土壤中的孔隙水还没有出院。完成瞬时变形后,由于样品的水分含量小,土壤上的水的润滑效果也弱,和土壤之间的结合力骨架很大。此时,土壤的结构是相对稳定的一个小负荷水平,和土骨架的变形很小。宏观上,膨胀土的竖向变形很小,而且它很快会达到一个稳定状态。随着含水率的增加,水在土壤的身体的润滑效果加强,和土骨架之间的结合力很弱。在这个阶段,更大的负载级别的作用下,土壤结构的破坏,土骨架的变形比较大。宏观上,它表明水分含量的增加,膨胀土的蠕变变形是更重要的。

它可以观察到从表7水分含量的变化会改变样品的蠕变速率。相同的负载水平下,随着水分含量的增加,样品的蠕变速率逐渐加速,和次固结系数逐渐增加。的负载级别400 kPa,次固结系数的土样含水率15%的是0.002084,而土壤样本的次固结系数与含水率21%是0.006022,这是前者的2.9倍。变形机制而言,土壤有三种结构形式:单粒结构、蜂窝结构,絮状结构。土壤结构的稳定性和强度主要与土壤粒子本身的强度有关,颗粒之间的接触支持的力量,和化学粘接强度。三越强,土壤结构越强,强度越高,稳定性越好。这三个优势是直接关系到水。其中,影响最大的力量被水是颗粒之间化学键的强度。一旦溶解在水中,这力量将会大大削弱,甚至为零。粒间胶结的疲软会导致晶间支持的削弱效果。 At this time, the displacement of the soil between the grains is very easy to occur, which eventually causes the strength and stability of the soil to weaken. In severe cases, the strength decreases rapidly to zero, and the structure is completely destroyed. The greater the moisture content in the soil, the stronger the effect of water, the weaker the bonding and contact support between the soil particles, the weaker the strength of the soil, and the greater the deformation.

南阳膨胀土的主要亲水矿物伊利石,具有较强的吸水。在土壤孔隙水的存在,一方面,水本身起着润滑的作用;另一方面,水和亲水性物质伊利石、蒙脱土等土壤颗粒表面性质的变化。类似润滑油的材料形成,从而减少粒子之间的吸水力,破坏了土壤的结构,促进在蠕变过程中土壤颗粒的方向。此外,水的存在会改变膨胀土的物理性质。随着水分含量的增加,膨胀土将进行软化效应从固态到液态的塑性状态。泥泞的组件形成的凝聚力在膨胀土也将减少由于水的软化效应。随着含水率的增加,水润滑的作用,软化,污泥,剥落的膨胀土颗粒增加。在数值方面,随着含水率的增加,次固结系数逐渐增加。

在同一固结压力下,不同水分含量之间的关系和相应的次固结系数如图7。随着含水率的增加,次固结系数逐渐增加;有一个近似线性的次固结系数与含水量之间的关系。

根据图7之间的关系,C_α−ω在不同固结压力下可以表示为方程(2),回归分析方程含水率的影响下表所示8。当加载条件是800 kN,R²当使用线性拟合低,所以使用线性插值,如图7 (b): 在哪里C_α次固结系数,ω水分含量,一个和C拟合系数。

2.4.3。干密度对次固结系数的影响

不饱和压实膨胀土的固结蠕变试验进行了不同干密度条件下,压实膨胀土的固结蠕变试验曲线在不同干密度条件下得到,如图8和9。膨胀土的次固结系数在不同干密度条件下表所示9。基于获得的测试结果,干密度的影响膨胀土的固结蠕变特性进行了分析。

数据显示8和9,在不同的负载级别,膨胀土的固结试验曲线在不同干密度条件下大致相似,随着干密度的增大,次固结系数逐渐降低。楔入效应的水膜在土壤样品分离土壤颗粒。样品的干密度越小,也就是说,土壤颗粒越少,颗粒之间的距离就越大。在负载下,相对较少的土壤颗粒需要通过一个更大的距离相互吸引作用下粘土吸最后达到一个稳定的粒子之间的间距。这一过程显示了宏观形式更大程度的萎缩;也就是说,次固结系数增加。干密度较高的土壤样本,粒子之间的间距相对较小。在相同载荷下,减少粒子之间的间距相对较小,和它成为一个土壤样本宏观上。收缩变形的程度相对较小;也就是说,次固结系数降低。

另一方面,随着干密度的增加,样品的密度也逐渐增加,孔隙度减小,孔隙率逐渐减小。在测试期间,在相同的负载级别,样本小干密度的气体更容易被释放,以及颗粒之间的孔隙水更容易移动比样品大的干密度。压缩特征越明显,次固结系数比较大。

不同干密度之间的关系和相应的次固结系数在固结压力如图10。随着干密度的增加,次固结系数逐渐减小;之间有良好的线性关系,次固结系数与干密度。

之间的关系C_α-ρ_d在不同固结压力下可以表示为方程(3),回归分析方程来源于图9表所示10: 在哪里C_α次固结系数,ρ_d干密度,B和D拟合系数。

2.4.4。的前期固结压力对次固结系数的影响

在南水北调工程,高填方填充物通常预压,预固结后土壤的强度增加。研究非饱和膨胀土的二次压缩特性预固结处理后,压缩测试下预加载200 kPa和预加载400 kPa。测试结果如图11和12。数据显示11和12压实膨胀土的次固结系数在不同预加载条件下表所示11。

从表可以看出10土壤样品的次固结系数与预加载预压密治疗后逐渐减少相对于没有预固结处理土样。预固结处理有很大的影响在膨胀土的次固结特性。在膨胀土预压,当最后的负载级别小于预加载,次固结系数越小,当最后的负载级别大于预加载,次固结系数比较大。这表明预固结处理一定范围内可以大大降低膨胀土的次固结速率。当负载水平增加到一定值,这种治疗效果将会消失。这是因为预固结后,土颗粒重新排列和土骨架的变化,土壤结构逐渐达到稳定状态,能抵抗预固结应力水平。这个过程和预应力越大,越快发展和更大的程度。预加载时,即使是重载,只要外加负载小于预加载,此时土骨架的变形将会“淹没”在变形预加载期间,显示较低的次固结系数。只有在达到预加载,土骨架继续变形,次固结系数增加。

2.4.5。Postconstruction住区膨胀土蠕变特性的影响

古典模型计算工程沉降变形是Bjerrum公式,这是派生的情况下没有侧向变形。然而,在实际工程中,由于高填方渠道的长度远远大于它的宽度,该频道是一个平面应变状态。频道在灌装过程中,随着通道高度的增加和不断发展变化的,土壤的应力水平和围压在斜坡的底部附近频道显著增加。塑性区发展,通道是流离失所的外侧,导致额外的结算。在高填方渠道,高压力的作用下,土壤的横向变形有很大的影响的解决渠道,以及由此产生的附加沉降是不容忽视的。此外,对于高填方渠道,随着附加沉降,频道也会减少侧向位移通道本身的稳定性。因此,解决由单向压缩必须纠正。增加额外的压力造成的面板和蓄水的解决每一层都有不同的影响填补由于影响范围和分布特征,与传统Bjerrum公式很难考虑。

基于Mesri [26)同步elgt曲线,戴et al。3)提出了一种修改Bjerrum计算公式考虑附加载荷和横向变形的影响: 在哪里年代_年代的蠕变沉降量;K₁和K₂沉降修正系数;H_我的高度吗我th层填满;e_我的孔隙度比吗我th层填满;和C_αi的subcompression系数我th层填满。

基于固结蠕变试验的结果,右岸通道部分TS95 + 670 - 95 + 770年南水北调工程被用作工作地点计算蠕变变形的通道。测试部分的长度为100米,设计填充高度12米。地基土的结构层粉质粘土层(5米),一个膨胀土层(10.00米),一层粘土岩(31.23)从上到下。填充层充满了压实粉质粘土。修改后的Bjerrum公式用于计算postwork膨胀土的蠕变沉降层。主要计算参数如表所示12。

在计算过程中,需要对土层分层。考虑室内蠕变试验的数据有限,土层现在分为两层,每一层都是5米高,也就是说,H₁=H₂= 5米。次固结系数选择计算蠕变沉降值对应于第一层后50 kPa的室内固结压力。次固结系数用于计算蠕变沉降后,第二层是室内固结压力的值对应于100 kPa。

根据修改后的Bjerrum计算公式,蠕变变形结果如图13- - - - - -15。

它可以从图13随着水分含量的增加,膨胀土的postwork蠕变沉降也增加。的时候是1000 d和含水率ω= 18%,膨胀土的postwork蠕变沉降层为27.50毫米。在含水率postwork蠕变沉降ω= 21%迅速增加到43.95毫米,这是前者的1.6倍。因此,在实际的建设和以后使用,膨胀土的含水量高填方渠道层应严格控制,以防止过多的水分造成的损害。当弱扩展填充的含水率大于18%,由此产生的蠕变变形将超过postconstruction沉降控制标准。因此,膨胀土的含水量高填方渠道在这一节中应严格控制,不超过18%。

在相同的干密度,postconstruction沉降随时间逐渐增加;在同一时间,干密度越小,越postconstruction解决膨胀,但postconstruction结算时间历史曲线的变化趋势是一致的。当膨胀填充的干密度小于1.52克/厘米³,由此产生的蠕变变形将超过postconstruction沉降控制标准。因此,膨胀土的干密度的高填方渠道在本节应严格控制不低于1.52克/厘米³。

它可以注意到从图15预压法治疗有更大影响施工后进行结算。在设计高度,在相同的负载级别,postconstruction结算预固结处理后将显著低于没有预固结,和预加载越大,postconstruction沉降越小。有利于稳定的渠道衬砌面板。当时间是1000 d, postwork膨胀土的蠕变沉降层没有预压为28.90毫米。200 kPa和400 kPa prepressure治疗后,postwork蠕变定居点成为12.89毫米和5.54毫米,分别。

在南洋的南水北调工程的测试区,可以得出结论,含水率和干密度是严格控制根据修改Bjerrum计算公式,其中含水量不应大于18%,干密度应大于1.52克/厘米³。在测试区建设,测试条件的预加载0 kPa,干密度为1.6克/厘米³,18%的水分含量。实际postconstruction沉降值和预测沉降值的测试部分如图16。相比之下,预测曲线如图16,预测曲线可以更好地反映postconstruction沉降变化。

3所示。结论

的midroute南水北调工程就是一个承压水转移项目。由于大型沿线的地形,大量的膨胀土高填方渠道出现在南洋部分满足通道的一致性指标的要求和施工工艺。工程事故引起的蠕变引起的土壤的长期行动不时发生,并研究非饱和膨胀土的蠕变特性为项目有很强的指导意义。室内密闭压缩试验在不同条件下进行high-filled频道的网站充满了非饱和膨胀土来自河南的南阳部分在南水北调中线工程项目,通过改变含水率的条件下,压实,预加载研究长期负荷条件下的膨胀土的蠕变特性。结论如下:(1)主固结变形和非饱和膨胀土的次固结变形的南洋部分的南水北调工程虽小,以及它们之间没有明显的区别。根据这一特性,提出了用拟合直线的斜率代表了次固结系数,而不是使用之间的连接两个点的斜率来表示次固结系数。(2)由于膨胀土对水的特殊敏感性,非饱和膨胀土的次固结系数大大受含水量影响,随着含水率的增加,次固结系数继续增加。非饱和膨胀土逐渐的二次压缩系数随干密度的增加而减小。(3)非饱和膨胀土的含水量和干密度有很好的线性相关与次固结系数的含水率和次固结系数呈正相关,和干密度和次固结系数负相关。(4)预加载将影响非饱和膨胀土的次固结系数。在膨胀土预压,当最后的负载级别小于预加载,次固结系数越小,当最后的负载级别大于预加载,次固结系数比较大。(5)基于非饱和膨胀土的蠕变特性,postconstruction解决模型high-filling膨胀土建立了南水北调工程。根据沉降曲线,在右岸通道部分TS95 + 670 - 95 + 770的南水北调工程,可以得出结论,含水率和干密度是严格控制,其中含水量不应大于18%,干密度应大于1.52克/厘米³。

数据可用性

没有数据被用来支持本研究。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究是由中国国家自然科学基金批准号41702337。

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