膨胀土地基膨胀变形计算方法研究

膨胀土地基膨胀变形计算方法研究 膨胀土地基膨胀变形计算方法研究* 王年香章为民 (南京水利科学研究院南京210024) 摘要:含水率增加会引起膨胀土地基膨胀变形.室内试验和现场测试结果明,膨 胀率和膨胀力随含 水率的增加呈线性增大,大气影响深度范围内膨胀土地基含水率变化随深度呈 线性减小,膨胀率与上覆压力 可用椭圆形曲线表示.在推导膨胀率计算的基础上,建议采用分层总和法计 算膨胀土地基膨胀变形. 计算表明,计算结果与模型试验结果较吻合,而规范方法计算结果偏大. 关键词:膨胀土膨胀变形计算方法含水率膨胀率 CALCULATIoNMETHoDFoRSWELLINGDEFoRMATIoN oFEXPANSIVESoILFoINDATIoN WangNianxiangZhangWeimin (NanjingHydraulicResearchInstituteNanjing210024) Abstract:Theincreaseofwatercontentwillcauseswellingdeformationofexpansivesoilfo undation.Theswellingrateand pressureareraisedlinearlywithwatercontent.Thechangeofwatercontentofexpansivesoi lfoundationdecreaseslinearly withdepthwithintheatmosphere.effectdepth.Theexpansiverateisellipticwithoverburde npressure.Aformulaof expansiverateisobtained.Acalculationmethodforswellingdeformationofexpansivesoil foundationisproposedwithlayer— wisesummationmethod.Theresultsofproposedmethodareidenticalwiththatofthemodel test,andtheresultsofthecode areonthelargeside. Keywords:expansivesoilswellingdeformationcalculationmethodwatercontentexpansi verate 0前言 上部荷载和含水率的变化都能引起膨胀土地基变 形.上部荷载引起的膨胀土地基沉降计算方法与其他 地基沉降的计算方法一样.由于膨胀土含有特殊的膨 胀矿物,膨胀矿物吸水膨胀,失水收缩,含水率的变化 必然引起膨胀土地基上升或下沉,且其严重性不亚于 荷载变化引起的膨胀土地基上升或下沉,因此,有必要 研究含水率变化引起地基上升或下沉量的估算方法. 在预估膨胀土地基浸水膨胀变形方面,工程设 计中较为流行的是分层总和法.其基本思路是考虑 土层在某一压力下的膨胀率,土层或某一区域土的 影响系数,土层厚度,从而推求膨胀土的变形量.索 洛昌…通过室内,外试验提出了考虑不同压力下土 体膨胀率非线性的浸水变形计算公式为: n s=>kh(1) z 式中,,k.一h为第i土层在某一压力下的膨胀 率,土层工作系数,土层厚度. 87) 《膨胀土地区建筑技术规范》(GBJ112— 采用的浸水变形公式为: 58IndustrialConstructionVo1.38,No.6,2008 s=>:~epih(2) 式中,,,h为经验系数,第i层土在该层土的 平均自重压力与平均附加压力之和作用下的膨胀 率,土层厚度. 式(2)用综合影响系数代替了式(1)的土层工作 系数.上述模型,可以发现它们均忽略了土层 初始相对膨胀势差异性的影响,而这种影响对真实 反映土体的实际变形是相当重要的,室内小试样测 定的土层膨胀率…是各土层在某一干密度和初始 含水率条件下进行的,而实际工程中大气影响深度 是有限的,且不同深度土层含水率变化不同,一般深 度越浅,含水率变化越大;越深,变化越小. 1膨胀力和膨胀率与含水率的关系 膨胀力和膨胀率与含水率变化值有关.在试验 中,通过控制膨胀土样的干密度而改变其含水率,再 *交通部西部交通建设科技资助项目(200231874616). 第一作者:王年香男1963年2月出生博士教授级高级工程师 E—mail:nxwang@nbri.cn 收稿日期:2007—11—21 工业建筑2008年第38卷第6期 测定其膨胀力,从而得出膨胀力与土样起始含水率 的关系(图1).这种关系一般为反…S’形曲线,存 在两个拐点,曲线近似于由第一拐点之前和第二拐 点之后的两段水平线以及两拐点之间的近似直线段 所组成.第_拐点对应的含水率为缩限含水率 (W),起始含水率W.<W时,膨胀力为最大膨胀 力,并不随W而变化.第二拐点对应的含水率为 胀限含水率(W),W.>W时,膨胀力为0.当W. 介于W,W时,膨胀力与W.呈反比线性关系.因 此,含水率增加引起的膨胀力P可按式(3)计算: P=AAw(3) 式中,A为某一干密度下P一W.曲线直线段斜率, kPa/%,可由不同初始含水率的膨胀力试验求得; ?为含水率增加值,%,可按式(4)确定: ?zcJ= 0 W1一Ws W1一W0 WH—Ws WH—WO 式中,W.,W.分别为起始含水率,最终含水率,%. 同样道理,通过控制膨胀土样的干密度而改变其 含水率,再测定其无荷载下的膨胀率,从而得出膨胀率 与土样起始含水率的关系(图1).膨胀率与土样起始 含水率的关系同膨胀力与土样起始含水率的关系相 似,因此,含水率变化引起的膨胀率可表示成: e0=BAw(5) 式中,B为某一干密度下一W.曲线直线段斜率, 可由不同初始含水率的膨胀率试验求得. 0wsH’_l WO/% 图1膨胀力和膨胀率与起始含水率的关系 Fig.1Expansivepressureandexpansive rate—initialwatercontentCllive 2膨胀土中含水率的变化规律 现场测试和调查研究表明,在平坦地面下,土体 含水率主要受大气降雨和地表蒸发的影响,因而表 膨胀土地基膨胀变形计算方法研究——王年香,等 现出季节性变化和沿深度方向变化的规律.如图 2所示,在长期干旱期间,土体含水率随深度增大而 增加,并在某一深度之后趋于一个定值.在雨季,土 体含水率随深度增大而略有减小,并很快趋于一定 值.变化的幅度远比旱季要小.因此,土体含水率 的变化值随深度增大而逐渐减小,并在气候影响层 深度处()趋近于0.即是含水率季节性变化的 影响深度,其值与降雨量,雨强,植被,地形,土体结 构和渗透性等地质地理因素有关,一般在5m以内. 含水率w/% 1O2O3O4O5O \\. 一 r- 旱季\雨季: } - t : 图2土体含水翠随深度的变化曲线 Fig.2Watercontent-depthCllivesofexpansivesoil 关于膨胀土地基含水率变化?随深度的关 系,蒋忠信等提出如下的对数曲线形式: Aw=Aw0e,(6) 式中,?为土体含水率最大变化值,即地表处含 水率变化值;a为与气候条件,膨胀土性质等有关的 系数,a>0;为深度. 由式(6)计算不同深度处含水率的变化值,存在 以下两个问题:一是系数a的确定需要通过长时期 的现场不同深度处含水率变化,通常较难实现;二是 只有一?时,?一0,与实际情况不符.因此,可 以简单地认为在大气影响深度范围内,?随深度 线性减小,在大气影响深度以下,含水率不变化,可 表示为: Aw: )(7) (一 【0(?) 式中,为大气影响深度. 3膨胀率与上覆压力的关系 室内有侧限条件下膨胀率与上覆压力关系(图 3)表明,在某一初始含水率情况下,膨胀率随着压 力的增大而减小,且压力较小时,膨胀率减小率较 大,随着压力增大,膨胀率减小率逐渐减小.当压力 达到膨胀压力P时,膨胀率就等于0.图3还表明, 初始含水率不同,相同的压力下的膨胀率也不同,初 始含水率越低其所对应的膨胀率越高,但不同初始 59 O23456 1_? 4 \,\,\,\, HH? 或帅 ? r%r\4r\4r\4一 \\ rnr\4rr\4r 00s0s Bd? 含水率的膨胀率与上覆压力的关系形状相似,可用 椭圆形曲线来表示,即 ((? 式中,为含水率增加Aw条件下,无荷载时的膨 胀率,%;.为含水率增加Aw条件下,上覆压力为 P时的膨胀率,%;P为含水率增加?条件下的膨 胀压力,kPa;P为上覆压力,kPa. ?Wo=16.65%;??o=13.83%;??o=7.99% 图3膨胀率与上覆压力的关系 overburdenpressureCHIVESofexpansivesoil Fig.3Expansiverate— 4膨胀变形的计算方法 设地面水平,任一深度处附加压力为q,土体密 度为y,则上覆压力P:q+Zz,将式(3),式(5)和式 (7)代人式(8)可得膨胀率为: .=4 B ? Aw . o 【 [A?.—Zw--Z一 ?2A?.(g+)一(g+)J (9) 从式(9)可见,膨胀率与A,B,Aw.,,q,y有 关.在地基表面,膨胀率最大,随着深度的增加,膨 胀率减小,在膨胀影响深度处,膨胀率为0: AAw0一q —AAw1z,且8<.(10) 对于深层均匀浸水情况,式(9)和式(1O)可简化为: [A?1’?.一AAOe.—— wo LA?埘0— 2AAw0(q+)一(q+)](1la) 6=(1ib)—?, 从理论上来说,对式(9)积分,就可以得出膨胀 变形量,但从式(9)可以看出,膨胀率与地基附加压 力q有关,而q又与基础形式,尺寸,基底压力分 布,深度等有关,即q随深度变化的关系式较为复 杂,一般情况下得出式(9)的积分比较困难,因此,建 议采用分层总和法计算膨胀变形,计算公式为: n 5=>3er,ih(12) 式中,为基础底面下第i层土的膨胀率,可由式 (9)计算得出;h为第i层土的计算厚度;n为自基 础底面至计算深度内所划分的土层数,计算深度日 取膨胀土层厚度日和膨胀影响深度的小值. 式(12)与式(2)的区别在于:式(12)在计算膨胀 率时考虑了大气影响使膨胀土含水率变化值随深度 减小情况,无需修正,式(2)的膨胀率未考虑大气影 . 响,从而引入经验系数 5模型试验验证 为研究深层浸水条件下膨胀土地基变形规律及 其对构造物的影响,在内部尺寸为10m×2.5m× 4,1m(长×宽×高)的大型模型槽里进行了模型试 验.试验布置了静止挡墙,可动挡墙,桩基础等构 造物,进行了含水率,表面隆起,深层隆起,挡墙水平 位移,挡墙土压力,地基承载力,桩基承载力,桩基胀 切力等测试. 试验用膨胀土取自南京汤山的灰白色膨胀土, 其主要性质指标见表1.土料经过烘干,粉碎,含水 率约为17%.将模型槽分隔成两个区,其中一区长 7.5m,填筑土层干密度为IDd=1.45g/cm,另一区长 2.5m,填筑土层干密度为IDd=1.6g/cm.土料分层 填筑,采用振动碾碾压夯实,每层控制压实后的厚度 为20cm,填土高度为3.6m. 图4给出了IDd:1.45g/cm区土体膨胀变形随 深度变化的试验和计算结果,从图4可见,计算与试 验的膨胀变形的变化规律基本一致,且误差较小,表 明所建议的膨胀变形的计算方法符合实际. 表1膨胀土的主要性质指标 Table1Mainindicesofexpansivesoil 60工业建筑2008年第38卷第6期 膨胀变J~/mm O2O406080JO0J2Ol40 一 .一试验;——计算 图4土体膨胀变形计算和试验结果的比较 Fig.4Comparisonofcalculatedswelling deformationswiththoseofthetest 6规范方法的适用性 “技术规范”(GBJ112—87)建议采用式(2)计算 地基土的膨胀变形量时,宜根据当地经验确定, 若无可依据经验时,三层及三层以下建筑物,可采用 0.6.根据式(12)可以分析AAw.,BAw.,,q.,L, y对的影响.从图5可见,曲线1为=3m,基 底压力q.=0,土体密度y=20kN/m3条件下,随 着AAw.和BAw.的增大而减小,但减小幅度越来 越小.曲线2为A?.=150kPa,BAw.=15%,基 底压力q.=0,土体密度y=20kN/m3条件下, 随着的增大而增大,但增加幅度较小;曲线3为 AA0=150kPa,BA0=15%,=3m,基底尺寸 2m×2m,土体密度y=20kN/m3条件下,随着 q的增大而几乎线性减小,且减小幅度较大;曲线4 为A?0=150kPa,BAw0=15%,=3m,基底压 力q=40kPa,土体密度y=20kN/m3条件下,随 着基底尺寸的变化而变化不大.综上可见,膨胀土 O.8 0.6 O4 0.2 O.O 012345 AAw0/50kPa,BAw0/5%,Zw/m,qo/20kPa,L/m 注:曲线1一曲线4说明见文中. 图5的变化规律 Fig.5Variationof 膨胀特性和基底压力对的影响较大,进一步分 析可以看出(如图6所示),只有在基底压力彳艮小且 膨胀率和膨胀压力不大的情况下,取=0.6才恰 当,其他情况明显小于0.6.因此,规范建议的 方法计算的膨胀变形偏大. O?8 O-6 O.4 0.2 0.0 0l2345 AAw0/50kPa,BAw0/5% 一=一qo:0;一?一20kPa;一?一40kPa; 一×一 60kPa:一80kPa:一.一1130kPa 图6.随AAw0和BAw0的变化 Fig.6VariationofwithAAw0andBAw0 7结论 1)建议的计算方法综合考虑了膨胀力,膨胀率 与含水率,含水率与深度,膨胀率与上覆压力的关 系. 2)建议的计算方法共有4个计算参数,其中A, B由常规试验测定,.,根据当地经验资料确定. 3)与模型试验结果比较表明,建议方法计算结 果较符合实际,而规范方法偏大.通过进一步对比 分析后,可推广应用. 参考文献 1CopoqaHEA.膨胀土上建筑物的设计与施工.徐祖森,译.北京: 中国建筑工业出版社,1982 2GBJ112—87膨胀土地区建筑技术规范 3ZhangYingjun.TheThreeDimensionalSwell—ShrinkingPrope~iesof ExpansiveSoilandltsInfluenceonSlopeStability//Proceedingsofthe FirstNationalConferenceonExpansiveSoils.China:1990 4陈孚华.膨胀土上的基础.石油化学工业部化工设计院,译.北 京:中国建筑工业出版社.1979 5蒋忠信,秦小林.侧向膨胀压力的一种近似计算方法//蒋忠信,陈 国亮.地质灾害国际交流论文集.1993:137—142 6李献民,王永和,杨果林,等.击实膨胀土工程变形特征的试验研 究.岩土力学,2003,24(5):826—830 7王年香,章为民,顾行文,等.膨胀土地基浸水膨胀变形模型试验 研究.公路交通科技,2008,25(5):5l一55 ,’’……………………’’’’’……………………………………’, 欢迎登陆《工业建筑》杂志网站:www.industria1c.nstr.cn -t’I’I’’’’’’’’I’’’’’’’’’I’I’I’II’’I’’’I’I’I’I’I’’’I’’’’’I’III’I’I’I’I’III’’- 膨胀土地基膨胀变形计算方法研究——王年香,等61 05O5O5O5 OO2233