基于固结试验的膨胀土地基变形预测方法(2)

3912 岩石力学与工程学报 2005年

土地基变形是造成膨胀土地区地质灾害的主要原因。因此，对膨胀土地基变形的有关问题进行研究具有十分重要的意义。

当净法向应力或基质吸力的数值发生变化时，非饱和膨胀土的体积就会发生变化。膨胀土地基的变形取决于土的性质和初始状态。在净法向应力为常数的情况下，非饱和膨胀土会由于环境变化造成基质吸力的改变而发生膨胀和收缩。一些研究人员提出了基于基质吸力状态变量发生变化的地基变形预测方法[1]，由于在基质吸力的测量方面遇到了很大困难，这种测量方法难于在工程实际中得到广泛的应用。文[2，3]给出了基于一维固结试验结果的膨胀土地基的变形预测方法，在这种确定地基变形的预测方法中，毋须量测基质吸力。基于一维固结试验结果的膨胀土地基的变形预测方法主要有自由膨胀固结试验法、常体积固结试验法和双固结试验法。这些方法的应用必须考虑现场的应力路径，并且必须考虑取样扰动的影响，否则地基变形的计算结果会与实际情况有较大的出入。文[4，5]认为体积收缩与含水量的变化呈线性关系，可以利用体积收缩系数进行膨胀土地基变形预测，但没有考虑应力的变化对地基变形的影响。

本文在广西膨胀土固结试验的基础上，进行了膨胀土地基变形计算，为膨胀土地基的分类和膨胀土地基上的建筑的基础选型提供了依据。

2 建立在固结试验基础上的膨胀土地

基变形预测

2.1 固结试验数据的校正

文[6]认为恒体积固结试验是预测膨胀土变形最好的方法。用等效基质吸力的概念，最大膨胀压力可以用常规的恒体积得到。如果没有基质吸力，理论上最大膨胀压力就等于产生初始体积条件的有效应力。由于土样扰动的影响，传统的试验方法过低地估计了膨胀压力σs′，因此需对膨胀压力进行

修正，从而得到修正后的膨胀压力σ′sc。图1中OMN代表原始压缩曲线，某一个地质时期，土层沿虚线M1卸载，在干燥或者吸力增加的情况下(假定有效应力没有变化)，孔隙比沿1→2减小。土样在点2从地面取出，取出过程中假定土样体积变化忽略不计。恒体积膨胀试验沿着2→3→4路径，如果没有土样扰动影响，点4对应的压力即为膨胀压力。由于土样扰动影响，吸力松弛很快，实际测得的膨胀压力在点3。

图1 扰动土样恒体积膨胀试验数据的修正 Fig.1 Correction of constant volume swell test data for

disturbed sample

因此，膨胀压力可以按下列方法进行修正：(1) 画出实验室实测的固结压缩曲线2′→3′→5′；(2) 找出最大曲率点5′；(3) 过点5′画切线与2′→3′直线的沿长线交于点A；(4) 点A对应压力即为校正

的膨胀压力σ′sc

。 校正的膨胀压力σ′sc

比未校正的膨胀压力σs′大得多。一旦得到初始有效应力条件和校正的膨胀压力σ′sc

，膨胀土的变形就可以从常规膨胀回弹曲线得到的膨胀指数和最终应力条件求出。 2.2 应力状态的确定

膨胀土的总隆胀量的主要因素有3个，即体积的变化指数、现在的应力状态和将来的应力状态。除了土的性质，如干密度和含水量外，膨胀土的总变形量也是施加于土样上的总应力的函数。在试验中，将当前的原位应力状态投影到净法向应力平面上，称为“校正”膨胀压力。测得的校正膨胀压力代表了等效的上覆压力与基质吸力之和。等效基质吸力是指土的基质吸力在净应力平面上的投影。这样，通过固结试验就可以测到原位应力状态(在总应力平面上)，而不必去测应力的各个分量。图2为膨胀土在浸水过程中“实际”和“分析”用应力路径。

在通过固结试验确定目前原位应力状态和膨胀指数后，就可进行分析，预测应力状态将来的可能变化。根据地区经验和气候条件，可以预测施工结束若干年后的应力状态。总应力可能因开挖基坑、置换土料或其他加荷而发生变化。将来可能发生的应力状态通常假定为在常净法向应力作用下，土的最终基质吸力变为0，即假定膨胀土100% 饱和，最后的应力状态为