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粉质粘土路基沉降变形等问题研究 ——学习笔记 土力学中包含饱和土和非饱和土两个主要研究对象。地球表面广泛分布的低含水率湖泊沉积物以及工程中的压实土都属于非饱和土范畴。非饱和土除了土颗粒、孔隙水、孔隙气三相外，还存在第四相——收缩膜。通常将作用于收缩膜上的孔隙气压力和孔隙水压力的差值，称为基质吸力。与饱和土不同的是，非饱和土的孔隙水压力相对于孔隙气压力而言是负值。由于非饱和土内部结构复杂，这类土的性状难以用经典土力学来解释，从而引起实际工程设计和计算中出现较大偏差，甚至是错误。此外，外界环境的变化常常会引起土体的饱和度发生改变，进而对土体的工程力学性质产生直接影响，因此深入研究非饱和土的固结压缩特性和变形机理显得尤为重要，对非饱和土在工程实际中的应用具有重要意义。 目前，软土路基的沉降机理已经有较为完善的理论基础，但对于非饱和土路基沉降方面的研究还不多见。高速路尤其是高速铁路对路基的稳定性和沉降变形控制提出了很高的要求。这在高速铁路路基设计研究中主要体现在，一方面，最终沉降量和最终沉降完成时间的分析和预测；另一方面，沉降变形过程中非饱和土的物理力学性质的变化。同时，由于引起非饱和土地基沉降的因素较多，加之对非饱和土的物理力学性质和沉降机理认识不清，非饱和土路基的沉降特性对路基的长期稳定性和线路的施工时间起着决定性作用，因此有必要对非饱和粉土和粉质粘土的固结沉降特性进行研究。 非饱和土沉降特性研究已取得的一些成果 根据武广高铁、郑西高铁咨询，目前国内外均无较为成熟的非饱和土沉降计算理论,很难确定非饱和土沉降变形与时间的关系。但有一个共识：非饱和土地基加载后,地基大部分沉降可在较短时间完成。 根据“九寨黄龙机场高填方体复杂地基处理及填筑体施工关键技术问题研究”的研究报告中有“结合现场观测和室内大型离心模型试验，得出了非饱和土工后变形仅占总变形量的10～15％，且这部分变形能在5个月内完成80％的重要结论。 铁四院在“软土地基沉降估算方法及不同地基处理方法加固效果的研究”的研究报告中有“填筑完成时，中等压缩性土层沉降完成比例约为50％，预压9个月后，完成比例约为90～95％”结论。 “深圳地区花岗岩残积土工程特性的研究”认为：“残积土的固结系数相当于粉土一级， 在工程中常具有较快的固结速度，变形稳定时间在最初加荷阶段稳定所需时间较短，一般80％ ～ 90％的沉降量发生在施工期’’。 研究实验概述 对非饱和土而言，饱和度高低决定其内部结构特征和孔隙介质类型，直接影响土体的固结压缩特性及变形机理。试验中重点考虑不同饱和度下土体的变形规律，尤其是非饱和土固结过程中的水气运动规律。但要将土中水和孔隙气分离开非常困难，因此非饱和土试验对试验仪器和操作过程的精度要求很高，由于粘性土的固结渗流速度缓慢，导致非饱和土的试验时间相对较长。 试验土样取自胶济高铁客运专线试验工点，基本物理力学参数见表 试验分3部分完成： (1)采用WG-IA三联固结仪进行常规固结试验。试验方法采用24h加荷标准固结法，试验过程严格按照《铁路工程土工试验规程》(JTJ057--2004)、《土工试验方法标准》(GB／T50123--1999)进行。 (2)采用GDS非饱和三轴试验仪进行K0固结试验。试样由原状土切削而成，试验尺寸D×H=50mm×100mill。试验前对陶土板底座进行反压饱和，并且彻底排除试验管路中的空气。为避免出现气蚀现象，采用轴平移技术量测非饱和土的初始基质吸力。试验中同步施加围压和气压力，并始终保持围压高于气压5kPa，以模拟试样的无压状态。试验过程中围压的加载速率控制在10kPa／h。以防止试样发生过大的侧向变形导致轴向传感器来不及调整。 (3)进行控制基质吸力的非饱和粉质粘土固结试验。将土样控制在常基质吸力下，改变净围压。按照相同的固结比进行分级加载以模拟现场实际的应力状态。固结稳定标准：轴向变形量不超过0.01 mm／h，排水量2 h不超过 ，每级荷载固结时间不少于24小时。 粉质粘土水土特性 OA段土体含水量较高，土中孔隙充满水，土颗粒接触点的水膜是连续的，基质吸力随含水量的变化显著。 AB段基质吸力随含水量的变化幅度较OA段小，该阶段是土体由水封闭向气封闭转化的过程。 BC段土的含水量较低，土中孔隙气连通，水量的微小变化会引起基质吸力的剧烈增加。 图中A、B两点分别对应土体的进气值和残余含水量，非饱和粉质粘土的进气值约为25kPa，含水量23．6％，残余含水量约11．87％。 根据图1把气相形态与水土特征曲线对应起来，将非饱和粉质粘土按照气相形态分为3种类型： (1)气相完全连通(饱和度 55％)； (2)气相内部连通( =55％—85％)；