1、第第1 10 0章章土在动荷载作用下的特性土在动荷载作用下的特性10.1土的压实性土的压实性10.2砂土和粉土的振动液化砂土和粉土的振动液化10.1土的压实性土的压实性10.1.1土的压实性对工程的意义土的压实性对工程的意义 土的压实是指采用人工或机械对土施以夯压能量(如夯、碾、振动等方式),使土颗粒重新排列压实变密,外部的夯压功能使土在短时间内得到新的结构强度,包括增强粗颗粒土之间的摩擦和咬合,以及增加细粒土之间的分子引力以改善土的性质。实践表明,由于土的基本性质复杂多变,不同土类对外界因素作用的反应不同。同一压实功能对于不同状态的土压实效果完全不同,而为了达到同样的压实效果又可能付出相当大
2、的不符合技术经济要求的代价。因此为了技术可靠和经济合理,需要了解土的压实性及其变化规律。在工程建设中,经常遇到填土,为了改善这些土的工程性质,常采用压实的方法使土变得密实。如路堤、土坝以及10.1土的压实性土的压实性用土作为桥台、挡土墙、埋设的管道或基础的垫层或回填土等,都是把土作为建筑材料,按一定要求和范围进行堆填而成。填土不同于天然土层,经过挖掘、搬运之后,原状结构已被破坏,含水量也已变化,堆填时必然在土团之间留下许多大孔隙。未经压实的填土强度低,压缩性大而且不均匀,遇水易发生塌陷、崩解等。为满足工程要求,必须按一定标准压实。特别是路堤在车辆反复动荷载作用下,可能出现不均匀、过大的沉陷或塌
3、落甚至失稳滑动,路堤填土必须具有足够的密实度以确保通行安全。对于松散土层构成的路堑地段的路基,为改善其工作条件也应予以压实。土的压实也用在地基处理方面,某些松软的地基土,由于其强度低、变形大,直接在其上修建建筑物,不能满足地基承载力、变形的设计要求,需进行加固处理。10.1土的压实性土的压实性 可采用换填垫层法加固,通过分层压实改善土的不良性质。土的压实是在动荷载作用下得到的,提高了土的密实度,从而使土的强度得到提高,土的压缩性降低和透水性减小。还可采用重锤夯实处理软弱地基提高其承载力。本节从土质学和土力学的角度,介绍土体压实的机理及压实土的力学特性与指标。图10-1击锤和导杆(单位:mm)a
4、)2.5kg击锤-落高30cmb)4.5kg击锤-落高45cm1提手2导筒3硬橡皮垫4击锤10.1土的压实性土的压实性10.1.2土的击实试验与土的压实特性土的击实试验与土的压实特性1.土的击实试验 击实试验是研究土压实性能的室内试验方法,主要设备是标准击实仪,如图10-1、图10-2所示。击实仪的基本部分是击实筒和击实锤,前者用来盛装制备土样,后者对土样施以夯实功能。根据击实土的最大粒径,分别采用两种不同规格的击实筒,击实筒的规格如图10-2所示。击实试验方法和相应设备的主要参数应符合表10-1的规定。击实试验分轻型击实和重型击实。轻型击实试验适用于粒径不大于20mm的土,重型击实试验适用于
5、粒径不大于40mm的土。10.1土的压实性土的压实性图10-2击实筒(单位:mm)a)小击实筒b)大击实筒1套筒2击实筒3底板4垫块表10-1击实试验方法种类试验方法类别锤底直径/cm锤质量/kg落高/cm试筒尺寸试样尺寸层数每层击数击实功/(kJ/m3)最大粒径/mm内径/cm高/cm高/cm体积/cm3轻 型-1-2552.52.530301015.212.71712.7129972177332759598.2598.22040重型-1-2554.54.545451015.212.71712.71299721775327982687.02677.2204010.1土的压实性土的压实性 试验
6、时,按土的塑限估计最佳含水量,并依次按相差约2%的含水量制备一组试样(不少于5个),其中有两个大于和两个小于最佳含水量。将含水量一定的土样分层装入击实筒内,每装一层后都用击实锤按规定的落距锤击一定的次数,然后由击实筒的体积和筒内被击实土的总质量计算出被击实土的湿密度,从已被击实的土中取样测定其含水量,由式(10-1)计算击实土样的干密度d,即 d=(10-1)这样通过对一个土样的击实试验就得到一对数据,即击实土的含水量与干密度d。对一组不同含水量的同一种土样按上述方法作击实试验,便可得到一组成对的含水量和干重度,将这些数据绘制成击实曲线,如图10-3所示。击实曲线反映了在一定击实功作用下土的含
7、水量与干密度的关系。110.1土的压实性土的压实性图10-3击实曲线2.土的压实特性 (1)压实曲线形状击实试验得到的击实曲线是研究土压实特性的基本关系图。从图10-3可见,击实曲线上有一峰值,此处的干密度最大,称为最大干密度;与之对应的含水量称为最佳含水量op(或称最优含水量)。峰值点表明,在一定的击实功作用下,只有当压实土为最佳含水量时,土才能被击实到最大干密度,才能达到最佳压实效果。10.1土的压实性土的压实性 最佳含水量op和最大干重度 对于路基设计和施工都很有用。为了在现场控制施工质量,保证在一定的施工条件下压实填土达到设计所要求的压实度标准,需要得到路基土压实的最大干密度和相应的最
8、佳含水量。这样在模拟现场施工条件下,进行击实试验得到击实曲线,再结合现场土密度的测定与控制,既可达到控制填土压实度的目的。最佳含水量与土的塑限含水量p接近,在击实试验时可取op=p或op=p+2%,也可用经验公式op=L等作为选择合适的制备土样含水量范围的参考。表10-2给出了塑性指数小于22的土的最大干密度和最佳含水量的经验值。dmax0.65 0.7510.1土的压实性土的压实性表10-2最大干密度和最佳含水量的经验值 从图10-3的曲线形态还可看到,曲线左段比右段的坡度陡。表明含水量变化对于干密度的影响在偏干(含水量低于最佳含水量)时比偏湿(含水量高于最佳含水量)时更为明显。在d-曲线中
9、还给出了饱和曲线,它表示当土处于饱和状态时的d-关系。饱和曲线与击实曲线的位置说明,土是不可能被击实到完全饱和状态的。试验表明,黏性土在最佳击实状态下(即击实曲线峰值点),其饱和度通常为80%左右,整个击实曲线始终在饱和曲线左下侧。这一点可以这样理解,当土的含水量接近和大于最佳值时,土孔隙塑性指数Ip最大干重度/(g/cm3)最佳含水量op(%)1.851.65g/cm3时,变形模量E0显著提高。这对于作为建筑物地基的填土尤其重要。(2)强度压实土的抗剪强度也主要取决于受剪时的密度和含水量。如图10-6所示为两个含水量不同(偏干和偏湿)的压实土试样无侧限抗压强度试验曲线。由图可见,偏干试样的强
10、度较大,但试样具有明显的脆性破坏特点。如图10-7所示则是对同样条件的击实土试样进行三轴不固结不排水试验和固结不排水试验的对比曲线,试验时所施加的侧压力同为3=175kPa。从图中可见,当试样受到一有效轴向荷载/kPa 填 筑 条 件低于最佳含水量1%时(d=1.76g/cm3)最佳含水量时(d=1.76g/cm3)高于最佳含水量1%时(d=1.76g/cm3)1751.91.92.37002.93.74.512255.25.97.617506.87.89.010.1土的压实性土的压实性定大小的侧压力时,偏干试样强度也较大,但不呈现明显的脆性破坏特性。所以用偏干的土填筑强度较高。这一室内试验得
11、出的结论已为相当多的现场资料所证实。图10-6不同含水量压实土的 图10-7不同含水量压实土的三轴试验 无侧限抗压强度试验 从如图10-8所示曲线可见,当压实土的含水量低于最佳含水量时(偏干状态),虽干密度比较小,强度却比最大干密10.1土的压实性土的压实性度时大得多。图10-8压实土强度与干密度、含水量的关系 这是因为此时的击实虽未使土达到最密实状态,但它克服了土粒引力等的联结,形成了新的结构,能量转化为土强度的提高。即压实土的强度在一定条件下可以通过增加压实功予以提高。关于土的强度试验结果说明,一般情况下,只要满足某些给定的条件,压实土的强度还是比较高的。但正如关于它的压缩性特性的研究所发
12、现的,与压实土遇水饱和会发生10.1土的压实性土的压实性附加压缩问题一样,在强度方面也有潜在危险,即浸水软化会使强度降低(实际上附加压缩可以看作是强度软化的外观表现形态),这就是所谓水稳定性问题。公路、铁路的路堤和堤坝等土工构筑物都无法避免浸水润湿,尤其是那些修筑于河滩地段的过水路堤,其水稳定性的研究与控制更为重要。【例10-1】某填土料场为中液限黏性土,天然含水量=21%,土粒相对密度Gs=2.70。室内标准击实试验得到最大干密度dmax=1.85g/cm3。设计中压实度标准k=d/dmax=95%,要求压实后土的饱和度Sr0.9。问土料的天然含水量是否适用于填筑?碾压时土料应控制在多大的含
13、水量?10.1土的压实性土的压实性解:(1)压实土的干密度为d=kdmax=0.951.85g/cm3=1.76g/cm3 (2)求压实后土的孔隙比。设Vs=1.0,根据干密度d,由三相比例关系求孔隙比e,即d=1.76g/cm3 e=0.534 (3)求碾压含水量。根据题意,按饱和度Sr=0.9控制含水量,由Sr=Vw/Vv计算水的体积,则Vw=SrVv=(0.90.534)cm3=0.48cm3因此,水的质量mw=wVw=0.48g。=100%=17.8%Cr (10-6)deqvf010.2砂土和粉土的振动液化砂土和粉土的振动液化式中Cr考虑室内试验条件与现场差别的修正系数,一般取0.6
14、。在应用式(10-6)时,还要考虑等效动剪应力的作用周数Neq。可以根据可能的地震震级M,按表10-6确定Neq值。表10-6地震震级M与等效动剪应力的作用周数Neq的统计关系3.场地液化危害性评价 前面介绍的方法是对某一土层的液化可能性进行判别。事实上,震害调查表明,对于某一场地而言,液化导致的危害程度,还应该与可液化土层的厚度、埋藏深度以及液化可能性的大小联系起来。因此,GB 500112010建筑抗震设计规范规定,对存在液化砂土层、粉土层的地基,应震级M等效动剪应力的作用周数Neq5.56.056.587.0127.5208.03010.2砂土和粉土的振动液化砂土和粉土的振动液化探明各液
15、化土层的深度和厚度,按式(10-7)计算每个钻孔的液化指数,并按表10-7综合划分地基的液化等级IlE=diWi(10-7)式中IlE液化指数;n在判别深度范围内每一个钻孔标准贯入试验点的总数;Ni、Ncrii点标准贯入锤击数的实测值和临界值,当实测值大于临界值时应取临界值,当只需要判别15m范围以内的液化时,15m以下的实测值可按临界值采用;dii点所代表的土层厚度(m),可采用与该标准贯入试验点相邻的上、下两标准贯入试验点深度差的一半,但上界不高于地下水位深度,下界不低于液化深度;Wii土层单位土层厚度的层位影响权函数值1cr1niiiNN10.2砂土和粉土的振动液化砂土和粉土的振动液化(
16、m-1)。当该层中点深度不大于5m 时应采用10,等于20m时应采用零值,520m时应按线性内插法取值。表10-7液化等级与液化指数的对应关系 对应于不同的液化等级,应采取不同的抗液化措施。不宜将未经处理的液化土层作为天然地基持力层。10.2.4防止砂土液化的工程措施防止砂土液化的工程措施 地震时因砂土地基液化而造成建筑物毁坏的情况十分普遍。所以,当判明建筑物地基中有可液化的砂土层时,必须采取相应的工程措施,以防止震害。砂土液化的处理原则是避开、挖除或加固。如果可能液化的范围不大,可以根据具体情况采取避开或挖除。但如果范围较广较深时,一般只能采取加固的措施。我国目前常用的加固方法有人液 化 等
17、 级轻微中等严重液化指数IlE0IlE661810.2砂土和粉土的振动液化砂土和粉土的振动液化工加密、围封、桩基以及盖重等。1)人工加密是增加砂土层密度,如用振浮法、砂桩挤密法以及国内外近年推行的强夯法等。前两者已经实践证明可有效地提高地基抗液化能力。后者经近年实践证明也是可行的。2)围封是用板桩把有可能液化的范围包围起来。3)桩基建筑物基础采用桩基础,而桩必须穿过可能液化的砂层,支承在下部不液化的密实土层上。4)盖重是加大可液化砂层的上覆压力。如在可能液化范围的地面上加载(如堆土)等,这对防止液化也有一定效果。如果在增加上覆压力过程中同时采取排水措施,还可使砂土进一步加密,抗液化效果更好。习
18、题习题10-1某黏性土土样的击实试验结果见表10-8。该土的颗粒重度s=27.0kN/m3。试绘出击实曲线,确定最佳含水量op及最大干重度dmax,并求出相应于击实曲线峰值点的饱和度与孔隙比。表10-8习题10-1表10-2将土以不同含水量配制成试样,用标准的夯击能使土样击实,测定其重度见表10-9。已知土粒重度s=26.5kN/m3,试求最佳含水量。表10-9习题10-2表含水量(%)14.716.518.421.823.7干重度/(kN/m3)15.916.316.616.516.2(%)17.215.212.210.08.87.4/(kN/m3)20.621.021.621.320.318.9思考题思考题10-1影响土压实性的因素有哪些?10-2什么是土体液化,其工程危害有哪些?10-3影响砂土液化的因素有哪些?10-4如何判别土体液化的可能性?10-5防止砂土液化的工程措施有哪些?本章完本章完 谢谢谢谢！
