文摘

基础沉降的预测是一个重要的主题在黄土填工程。基于基金会在延安,中国,本研究探讨了压实黄土的固结特性与不同的压实能量和固结压力通过整合测试,分析了strain-time曲线和改进中的曲线2 h,把中小学合并,获得中小学合并之间的关键时间点。应变率 和累积变形年代t介绍了分析 −年代t在次固结阶段曲线;次固结系数来描述压实黄土的次固结特性。根据次固结特性,考虑不同的压实黄土的预测模型解决能源和填充厚度,提出了模型的适用性和进一步分析。模型将促进在指导黄土填工程的设计和施工。

1。介绍

随着中国西部大开发战略的进步和提高城市化水平,西部黄土地区建设用地越来越有限,因此,大量的黄土填项目出现了。填充一些作品的高度超过100米。相应地,工程问题与填充项目吸引更多的关注,如地面和墙开裂(图1由于基础的不均匀沉降。除了充填体变形在施工阶段,填补基金会继续生产高自重应力下的次固结变形后完成。其沉降往往持续数年甚至数十年,已成为一个重要因素影响工程的安全建设和经济发展在西部黄土地区。因此,调查postconstruction黄土高填方地基的沉降预测已经成为一个重要的主题在基础稳定性的研究。

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图1
次生灾害引起的不均匀沉降后的基础工程。(一)道路开裂引起的高填方路基沉降的部分。(b)墙开裂引起的不均匀地基沉降。

次固结研究,许多实验和数值计算进行了最近几十年(1- - - - - -3]。一些学者研究了应力历史的影响,加载比和加载时间对次固结系数(4- - - - - -6]。在预测postconstruction解决高填充、当前的焦点主要是新模型和方法。梅和阴7)建立了一个settlement-time关系曲线,可以考虑瞬时沉降、固结沉降和次固结沉降的特点和解下瞬时加载。根据剑桥模型,阴et al。8)提出了一个简单的elastoviscoplastic模型能够模拟软土的老化特性。一些研究人员专注于高填土的次固结变形,但结果有很大的不同。泰勒和商人9]提出的次固结压缩固结试验是塑料粘土结构的调整。纽兰和等位基因10)认为,次固结系数与固结压力无关。Mesri和Godlewski11]相信系数是与增量的比例加载和由最后固结压力决定。阴et al。4)表明,次固结系数随时间变化由固结压力,负载增量比率,和超载预压法,基于实验结果在实验室。Leroueil et al。12)发现,在相同的负载水平下,次固结系数不是一个恒定值,但附近达到最大值,当初始固结压力和随时间减少。阿隆索et al。13)提出了一个经验公式计算施工后的次固结沉降分析现场预加载和重构压缩测试的结果;他们认为,次固结系数在固结比的函数与时间无关。通过理论分析Bjerrum蠕变图、纳什(14)认为固结土的次固结系数随时间逐渐增加,最后趋于一个常数的值。这项研究显示,高填土的研究是复杂的。土壤是一个复杂的多孔三相材料许多现象同时发生。由于其复杂性,许多土力学问题必须解决数值或实验室调查(15]。通用电气等。16]对重塑黄土进行了一维固结蠕变试验;他们分析了压实度、含水量和垂直压力,发现他们是影响黄土的次固结特性的重要因素。徐et al。17- - - - - -19)对黄土进行了实验室测试和研究相关的变形影响因素。纳什et al。20.)的影响进行了一维固结试验,研究深度和屈服应力应变率,在压缩Bothkennar粘土蠕变和各向异性。Augustesen et al。21]总结以前的实验研究软土的蠕变特性,限于一维和三轴条件;有一些不合理的方面,比如结构性土和重塑土之间的混淆。

对于高填方工程,次固结在自身重量的作用下填充完成后需要很长时间才能稳定。因此,次固结的分析是重要的长期稳定的项目。在这项研究中,一个室内一维固结试验进行了压实黄土,和压实的影响能源和固结压力对压实黄土的次固结特性进行了研究。解决预测模型提出了考虑压实能量和填充厚度,及其适用性进行了分析。

2。一维固结试验

2.1。土壤特性

测试黄土抽样从在山西省北部的延安填项目,在3米的深度。表中给出的基本物理性质1。

表1
黄土的物理性质测试。
2.2。确认压实能量

系统地研究压实能量和固结压力的影响在黄土的固结特性,动态压实的施工技术在黄土高填方工程区域进行了研究,根据四种单一捣固能源,广泛应用于工程。相似系数是用来确定相应的室内测试捣固能量。一个室内重塑黄土进行了压实试验,和样品的含水量控制在最优含水量。

本研究认为四个施工参数:单捣固能量E夯锤的重量W夯锤的直径D和土壤参数(干密度,γd)。具体的流程描述如下:

撞击坑的深度设置为H;然后,

在方程(1),有五个物理量:E,W,D,γd,H。W和D被选中为基本维度。根据白金汉定理(π定理),π数量是3;通过剩下的三个物理量的量纲分析,三个无量纲π数字了

用方程(2)方程(1),我们得到

根据相似原理,相似条件下可以获得从方程(3)。 在哪里C是每个施工参数的相似系数(下标)。

在实际工程中,压实后质量检验的主要指标γd。以反映实际施工条件的基础上,室内测试,让相似系数Cγd= 1。根据方程(4),每一个过程参数的相似系数在室内测试可以确定

利用相似系数比较锤夯的直径和重量以下方程,相对应的压实能量室内测试可以获得。 在哪里E压实能量,kJ / m3;G万有引力夯,kN;h是夯落差,m;N撞击的次数;n是撞的数量土壤层次;V有效撞击土壤体积,m3。

2.3。样品制备

系统地研究了压实能量对黄土的固结特性的影响,样品的含水量控制在最优含水量。描述的具体步骤如下。(1)最佳含水量的测定:改造土壤样本准备使用压实方法在岩土试验方法标准(GB / t50123 - 2019);相对应的最佳含水量每个压实能量由一个室内光线压实试验,表中给出2。(2)制备最优含水率:筛分后的土壤水分和空气干燥制备最优含水率,表中给出2。(3)合并样品的制备:重塑土室内轻型压实试验样本demolded和削减根据标准圆柱合并样本,用50厘米的大小2×2厘米。

表2
固结压力和稳定性标准。
2.4。测试计划

一维固结试验进行了不同土壤压实后的成绩。水平最终固结压力的测试方案选择500,1000,1500,2000 kPa和压实的能量E0= 592.2 kJ / m3(标准光压实试验能量),E1= 743.8 kJ / m3,E2= 1420.8 kJ / m3,E3= 2169.0 kJ / m3。共16组整合进行了测试研究整合重塑土样的变形。

标准固结试验是根据标准进行岩土测试方法GB / t50123 - 2019。描述的具体步骤如下:(1)测试使用了WG单杠杆整合仪器和刻度盘读取数据(2)确保良好的样品之间的接触和加载系统,土壤样本加载和稳定在25 kPa土壤样本预加载和稳定在25个kPa (0⟶25⟶50⟶100⟶200⟶500 kPa, 0⟶25⟶50⟶100⟶200⟶400⟶1000 kPa, 0⟶25⟶50⟶100⟶200⟶400⟶800⟶1500 kPa和0⟶25⟶50⟶100⟶200⟶400⟶800⟶1600⟶2000 kPa)逐步加载。表2只提供最终固结压力加载水平。这个测试的稳定标准是指一项研究[22];加载的稳定标准是垂直累积变形后24 h小于0.002毫米。(3)在测试期间,湿毛巾是用来包装样本,以防止水分的蒸发,确保含水率不随时间变化(4)在沉降速度测量,测量仪表应根据增压后的时间,直到它是稳定的(5)次固结沉降的测试可以继续主固结试验完成后,在整合是稳定的

2.5。分析测试结果

数据2和3展示标本的整合测试不同压实能量和固结压力在不同的计划和情节strain-time (ε- - - - - -t)曲线。为简单起见,只有最后加载固结应变曲线样本的四级加载方案包括(500、1000、1500、2000 kPa)。应变曲线的零点稳定的应变值加载前阶段。应变曲线具有相同的趋势。试样的变形速率大于在每个级别的即时加载;随着时间的推移,变形速率逐渐减小并趋于稳定;垂直应变增加而增加垂直压力。比较数据2(一个)- - - - - -2 (d),3(一个)- - - - - -3 (d),ε- - - - - -t曲线有四个压实能量,它是发现,当样品最优含水率,随着压实能量的增加,试样的纵向应变相同的垂直应力逐渐减小。考虑到稳定1500 kPa为例,垂直应变为6.38%,以应对压实能量592.2 kJ / m3;对压实能量743.8 kJ / m3,稳定的垂直应变是6.10%;至于压实能量1420.8 kJ / m3,稳定的垂直应变是5.41%;和压实能量的2169.0 kJ / m3,稳定的垂直应变为5.36%。根据测试数据分析,更大的压实土壤颗粒之间产生一个更小的差距和更少的自由水,鼓励土壤粒子扩散的蠕动,对应于一个薄电影,伟大的土壤颗粒分子之间相互吸引,弹性、小变形。

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图2
Strain-time与不同的压实能量曲线和垂直压力。(一)E 0= 592.2 kJ / m3。(b)E 1= 743.8 kJ / m3。(c)E 2= 1420.8 kJ / m3。(d)E 3= 2169.0 kJ / m3。
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图3
Strain-time曲线不同垂直压力和压实能量。(一)垂直压力σ= 500 kPa。(b)垂直压力σ= 1000 kPa。(c)垂直压力σ= 1500 kPa。(d)垂直压力σ= 2000 kPa。
2.6。中小学合并的分离

许多研究已经进行中小学合并的机制和分裂。人们认为的高填充黄土一般非饱和土,这是不同于饱和土的排水固结。非饱和土是一种三相体组成的土骨架,水和气体。上覆岩层的作用下,土壤颗粒的孔隙之间的气体排放。与负载的连续动作,气体逐渐耗尽,只有水孔隙之间的土壤颗粒。这个时候,可以认为土壤由非饱和土饱和土壤,并且负载继续行动。饱和土的排水固结后,即。,the completion of primary consolidation, the soil particles are adjusted under the constant effective stress, such that the volume of the soil continues to decrease; this is the secondary consolidation process.

传统观点认为参与中小学合并的部门是次固结完成后发生主固结量(23];另一种观点是,当装载上部土层时,主要的整合和次固结同时发生。主要的整合过程完成后,次固结启动(4]。

本研究采用的分离方法主要和次要合并提出了文献[24),介绍了应变率年代t和累积变形参数年代t次固结过程中,证明了 在次固结阶段的关系可以安装一条直线,这决定了次固结系数,见下面的方程。

特定的分离方法描述如下。根据一维固结试验,解决rate-settlement体积的关系曲线 可以获得,如图4。从这条曲线,可以看出在加载的初始阶段, 曲线是陡峭和土壤样本有一个很大的应变率。这部分代表了变形引起的瞬态非饱和土加载后排气。曲线突然放缓,出现一个拐点,和变形率突然减少。认为这是主固结阶段,继续扩展和曲线。主固结阶段后,曲线进一步放缓,第二个拐点出现。这个阶段可以看作一种次固结阶段。主要有短和次固结的部分。考虑主要和次要的交叉整合中出现的时期 关系曲线作为中小学整合之间的边界,在确定主要和次要边界的时间点,曲线段在strain-time曲线边界点后用于建立 曲线。根据方程(7),曲线的斜率是次固结系数 。


图4
沉降体积和沉降速率之间的关系。

在这项研究中,strain-time曲线得到的一维固结试验是雅致,strain-time曲线可获得2 h。考虑到 曲线(图5(图)和strain-time曲线6)与标准轻型压实能量E0= 592.2 kJ / m3和σ= 1500 kPa为例,主固结阶段,主要和次要的重叠阶段合并,可以区分和次固结阶段,和时间点之间的边界中小学合并。在确定的时间点主要和次要边界,边界点后的曲线段strain-time曲线是用于建立 曲线,如图7。根据方程(7),曲线的斜率是次固结系数 。次固结系数反映了土壤的固结速度。更大的次固结系数表明土的次固结特性更加明显。基于这种方法,strain-time与不同的压实能量曲线和垂直载荷可以分为初级和中级整合,和中小学合并的分割时间点可以获得样品。中小学合并的时间点划分为所有样品约39∼60分钟。


图5
曲线在E 0= 592.2 kJ / m3和σ= 1500 kPa。

图6
Strain-time曲线在E 0= 592.2 kJ / m3和σ= 1500 kPa。

图7
曲线在E 0= 592.2 kJ / m3和σ= 1500 kPa。

按照曲线数据的趋势5和6,发现黄土变形立即装货,变形速率随时间逐渐减少,最后变形速率基本稳定,但仍有轻微的变形。整个变形过程的规则是反映在应变率的变化从主固结阶段的次固结阶段。综合分析曲线特征可以理解如下:不饱和后测试土样受竖向荷载,孔隙之间的体积被压缩压缩,导致相对明显的初始应变;随着时间的继续,毛孔逐渐压实,坏了身体和土壤结构;相互粒子运动,颗粒之间的摩擦增加,土壤颗粒逐渐达到相对稳定。

根据方程(7)和次固结系数的关系曲线和不同压实能量图所示8,同样的压缩能量,次固结系数 随着垂直压力的增加。与压实能量的增加,垂直应力对次固结系数的影响逐渐减少。当垂直压力是恒定的,与压实能量更大负荷的增加,次固结系数 表现出下降趋势不明显,因为合并样本准备相应最优含水量不同压实能量。土壤的三相状态复杂,较小的垂直应力不足以克服土壤的粘度和颗粒之间的摩擦,证明压实的影响能源和固结压力对次固结系数很小。然而,在更大的垂直压力,次固结系数的增加逐渐减少与增加压实能量。


图8
次固结系数与不同的压实能量。

分析表明,压实能量和固结压力有一个很大的影响压实黄土的次固结。在实际项目中,为了控制postconstruction解决黄土高填方的身体,应该充分考虑施工压实能量。由于灵敏度高的压实黄土的次固结系数与高压压实能量水平,应该仔细考虑它在高等loess-fill项目。

3所示。沉降预测模型

基于变形中小学合并之间的时间点,次固结的起点是确定。数据处理后,曲线的关系 和 可以获得不同的压实能量不同垂直压力σ在次固结阶段的标本。本研究使用E3= 2169.0 kJ / m3作为一个例子,如图9。

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图9
曲线在E 3= 2169.0 kJ / m3。(一)垂直压力σ= 500 kPa。(b)垂直压力σ= 1000 kPa。(c)垂直压力σ= 1500 kPa。(d)垂直压力σ= 2000 kPa。

它是观察图9那 和 有很好的线性关系,表示为

在方程(8),一个和b是待定系数。在图9,不同的压实能量和不同垂直压力条件下,曲线的斜率一个展品范围小,一个=−0.9538。拦截b与垂直应力变化σ。图10显示了截距的变化规律b与垂直应力σ在回应的压实能量E3= 2169.0 kJ / m3。


图10
截距之间的关系b和垂直应力σ。

在图10的变化,b与垂直应力σ符合指数关系,表示为

用方程(9)方程(8),一个=−0.9538,模型表达式描述不同压实黄土的次固结变形特征能量可以获得,见以下方程:

随时应变值,σ垂直应力,t是时间,c和d显示在表3。

表3
参数c和d不同压实能量。

获取时间的偏导数t两岸的方程(10),应变速率和时间的关系可以得到:

方程(11)反映了应变率之间的关系 和时间t。作为t增加,应变率逐渐降低;应变率最终趋于0,这是符合实际的工程。

4所示。模型验证

验证的可行性方程(10),同样的时间点来计算压实能量和压力在不同负载下,和测试结果的结果进行了比较。直观地理解之间的差异计算和测试结果,结果与不同的压实能量了。点在图11代表从测试获得的数据,曲线代表strain-time曲线在不同垂直载荷的基础上预测公式;这是规定,应变值t= 0是稳定应变在加载过程。

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图11
计算结果和试验结果的比较。(一)E 0= 592.2 kJ / m3。(b)E 1= 743.8 kJ / m3。(c)E 2= 1420.8 kJ / m3。(d)E 3= 2169.0 kJ / m3。

它是观察图11方程(10)最能描述黄土样品在测试的变化趋势,表明应变率是相对较大的初始阶段的测试;随着时间的推移,应变率降低,最终稳定。

缺乏相关的实际现场监测结果,发现通过比较模型的预测结果与试验结果预测结果略大于实验结果在早期阶段;偏差随时间逐渐减小,曲线趋于一致。从这个实验,分析偏差的主要原因是测试土壤标本准备在相对应的最优含水率不同压实能量,以及土壤颗粒之间的相对位置的安排是复杂的。开始加载,当土样受到垂直整合的压力,孔隙之间的体积被压缩,粒子相互移动,和相对位置发生了改变。土壤标本solid-liquid-gas三相耦合的复杂状态,土壤的应力-应变关系是复杂的,没有规律。因此,模型的预测结果拟合得到的次固结曲线大于初始阶段的测试。通过比较模型的预测和分析测试数据,在这项研究中提出的预测模型能够准确地描述黄土的固结变形发展趋势实验室测试,适用于预测黄土的长期postconstruction解决灌装。

5。结论

本研究对延安压实黄土进行了一维固结试验和分析的影响压实能量和固结压力对次固结特性。黄土沉降预测模型提出了考虑不同的压实能量和不同填充厚度,和模型进一步验证。并给出了主要结论如下:(1)strain-time曲线和不同压实能量和不同垂直压力是雅致,和strain-time曲线2 h。中小学合并进行了分离;中小学合并之间的边界时间点大约是39∼60分钟。(2)通过分析二次整合之间的关系 和 ,一个表达式拟合后得到。根据测试结果,模型表达式描述不同压实黄土的次固结变形特性的能量。(3)在这项研究中提出的预测模型展品的初始误差预测沉降略大;然而,偏差随时间逐渐减少。预测模型通常反映了测试结果,从而显示出一个明显的优势在指导黄土填项目的设计和施工。

在这项研究中提出的预测模型不包含水分含量和密实度的影响长期postconstruction高填方工程结算;这将是在未来的研究学习。

数据可用性

使用的数据来支持这项研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究是由中国国家自然科学基金(41672305)和山西的关键研究和发展项目(2020 sf - 431)。