CN110514807A - 一种黄土自重湿陷量测定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种黄土自重湿陷量的测定方法，该方法根据室内固结试验结果绘制出各深度层土样的e‑lgP压缩曲线，根据该压缩曲线确定黄土的先期固结压力；根据饱和状态下黄土的先期固结压力即为湿陷起始压力，推出欠固结黄土即为自重湿陷性黄土，因此，通过计算各深度层土样的超固结比(OCR)来判定土样的固结状态，通过计算欠固结土样的湿陷量得到黄土的总的自重湿陷量。与传统的室内压缩实验相比，大大缩小与室外实测值的测量误差，提高室内黄土自重湿陷量的测量精度，为确定黄土自重湿陷量提供一条新的途径。

Description

一种黄土自重湿陷量测定方法
技术领域
本发明属于黄土湿陷性评价技术领域，具体涉及一种黄土自重湿陷量测定方法。
背景技术
黄土在我国中西部分布较广，是一种具有湿陷性的特殊的土，很多地区的黄土还具有自重湿陷性。自重湿陷性黄土对我国的各类工程建设产生了严重的危害。确定黄土的自重湿陷层厚度对工程中黄土的处理深度确定具有深远意义，可以减少许多工程事故。
根据我国的《湿陷性黄土地区建筑规范》(GB50025-2004)规定，目前黄土的自重湿陷下界深度可通过现场试坑浸水试验和室内试验确定。现场试坑浸水试验结果较准确，但试验费用较高，在工程中难以大量推广。按照该规范，采用室内试验所得的自重湿陷系数确定的自重湿陷量与野外实测值往往存在较大差异。因此开发一种室内精确测定黄土的自重湿陷量的方法，对于湿陷性黄土地区的公共建设具有重要意义。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的是提出一种黄土自重湿陷量测定方法，本发明通过湿陷性黄土浸水后进行室内固结试验，用所得e--lgp压缩曲线得到各土层的先期固结压力，用先期固结压力和饱和自重应力计算的超固结比OCR判定土层的固结状态，计算每层欠固结土样的湿陷量，从而确定该黄土的自重湿陷量。本发明方法基于室内固结试验，可以为确定黄土的自重湿陷量提供一条新的途径。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以解决。
一种黄土自重湿陷量测定方法，包括以下步骤：
步骤1，选定自重湿陷性黄土场地，预估自重湿陷性土层深度；在自重湿陷性黄土场地开挖探井；在所述探井的不同深度进行取土；
步骤2，分别测定各深度层土样的密度、含水率、比重；采用固结仪对各深度层土样进行固结试验，得到各深度层土样的压缩变形量Δhi与荷载Pi的关系；
步骤3，计算各深度层土样的自重应力；
步骤4，根据各深度层土样的相对密度、土样初始含水量和土样初始密度，计算每个深度层土样的每级荷载下的孔隙比ej；基于每个深度层土样的每级荷载下的孔隙比ej与其对应的荷载Pj，绘制e-lgP压缩曲线；通过Casagrande作图法在e-lgP压缩曲线上确定各深度层土样的先期固结压力Pc和压缩指数；
其中，土样的相对密度即为步骤2测得的土样比重，土样初始含水量即为步骤2测得的土样含水率，土样初始密度即为步骤2测得的土样密度；
步骤5，基于各深度层土样的的自重应力和对应的先期固结压力Pc，计算各深度层土样的超固结比OCR，并判断各深度层土样的固结状态；基于各深度层土样的压缩指数，计算每个欠固结层土样的湿陷量，将所有欠固结层的湿陷量求和即得到黄土的自重湿陷量。
进一步地，步骤1中，所述预估自重湿陷性土层深度为：按照《湿陷性黄土地区建筑规范》(GB50025-2004)中的黄土湿陷性测定方法进行室内压缩试验即得。
进一步地，步骤1中，所述取土为：人工在探井侧壁剖面刻槽进行取土，从地面至探井井底在同一竖直线上沿探井深度方向依次取土，取土间隔为1.0m。
进一步地，所述探井的深度为预估自重湿陷性土层深度以下3～5m。
进一步地，步骤2中，所述分别测定各深度层土样的密度、含水率、比重，其具体为：按照《土工试验方法标准》(GB/T50123-1999)的相关规定进行测定；其中，土样的密度通过“环刀法”测定，土样的比重通过“比重瓶法”测定。
进一步地，所述采用固结仪对各深度层土样进行固结试验，其具体为：按照《土工试验方法标准》(GB/T50123-1999)规程进行。
进一步地，步骤3，计算各深度层土样的自重应力，其具体步骤为：
首先，计算各深度层土样的上覆土的饱和密度，其计算公式为：
上式中，ρs表示土样的饱和密度，单位为g/cm3，ρd表示土样的干密度，单位为g/cm3，ρ为土样密度，w为土样含水率；sr表示土样的饱和度，e0表示土样的初始孔隙比，ds表示土粒相对密度，wo表示土样初始含水量，ρw表示水的密度，ρ0表示土样初始密度；Gs表示土样比重。
然后，根据各深度层土样的上覆土的饱和密度，计算各深度层土样的自重应力，其计算公式为：
其中，Pi表示第i深度层土样的自重应力，n表示深度层土样的总层数，hi表示第i深度层土样的厚度，单位为m；γi表示第i深度层土样的饱和重度，且γi＝ρsig，ρsi表示第i深度层土样的饱和密度，单位为g/cm3；g表示重力加速度，单位为N/Kg。
进一步地，步骤4中，所述计算每个深度层土样的每级荷载下的孔隙比ej，其具体为：
各深度层土样受压后的孔隙比的计算公式为：
其中，ej表示土样在第j级荷载Pj作用下竖向变形稳定后的孔隙比，ΔHj表示土样在第j级荷载Pj作用下的稳定压缩量，H0表示土样的初始高度；e0表示土样的初始孔隙比，ds表示土粒相对密度，wo表示土样初始含水量，ρw表示水的密度，ρ0表示土样初始密度。
进一步地，所述计算各深度层土样的超固结比OCR，其计算公式为：
其中，Pc表示土样的先期固结压力，Pg表示土样的饱和自重应力。
进一步地，所述判断各深度层土样的固结状态，其具体为：若OCR＝1.0，则判断为正常固结；若OCR＞1.0，则判断为超固结；当OCR＜1.0，则判断为欠固结。
进一步地，步骤5中，所述基于各深度层土样的压缩指数，计算每个欠固结层土样的湿陷量，其计算公式为：
其中，hi表示第i深度层土样的厚度，单位为m；e0i表示第i深度层土样的初始孔隙比，pzi表示第i深度层土样的自重应力，单位为kPa；Δpi表示第i深度层土样的附加应力，单位为kPa；pzi+Δpi表示第i深度层土样的饱和自重应力单位为kPa；pci表示第i深度层土样的先期固结压力，Cci表示第i深度层土样的压缩指数，即为第i深度层土样对应的压缩曲线中直线段的斜率。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明根据室内固结试验结果绘制出各深度层土样的e-lgP压缩曲线，根据该压缩曲线确定黄土的先期固结压力；根据饱和状态下黄土的先期固结压力即为湿陷起始压力，推出欠固结黄土即为自重湿陷性黄土，因此，通过计算各深度层土样的超固结比(OCR)来判定土样的固结状态，通过计算欠固结土样的湿陷量得到黄土的总的自重湿陷量。与传统的室内压缩实验相比，本发明方法能够大大缩小与室外实测值的测量误差，提高室内黄土自重湿陷量的测量精度，为确定黄土的自重湿陷量提供一条新的途径。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
图1为本发明方法的实现流程图；
图2为探井示意图，其中，(a)为探井的俯视示意图，(b)为探井的截面示意图；
图3为本发明实施例通过室内固结试验所得到的e-lgP压缩曲线图；
图4为本发明实施例通过Casagrande经验作图法确定先期固结压力和直线段斜率示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例及效果作进一步详细描述。
参考图1，本发明实施例提供一种黄土自重湿陷量测定方法，包括以下步骤：
步骤1，选定自重湿陷性黄土场地，预估自重湿陷性土层深度；在自重湿陷性黄土场地开挖探井，在所述探井的不同深度进行取土；
示例性地，本实例的黄土场地选定在渭北黄土塬，行政隶属于陕西省成阳市底张镇布里村，在该黄土场地开挖探井，如图2所示，探井的直径以方便人工下井采样为宜，测量按照《湿陷性黄土地区建筑规范》(GB50025-2004)中的黄土湿陷性测定方法进行室内压缩试验，测得预估自重湿陷性土层深度为18.5m，再根据该地区的工程实践经验，取探井深度为预估自重湿陷性土层深度以下3.5m，则确定的探井深度为22m。然后，人工在探井侧壁剖面刻槽进行取土，从地面至探井井底在同一竖直线上沿探井深度方向依次取土，取土间隔为1.0m，共取土22组。
本发明中，在取土时保证土样不扰动，所取土样表明自然方向和深度，且在现场以保鲜袋包装，并于实验室当天进行蜡封处理，即用纱布将保鲜袋包装的土样包裹好，外面封一层蜡，最外面贴土样标签。
步骤2，分别测定各深度层土样的密度、含水率、比重；采用固结仪对各深度层土样进行固结试验，得到各深度层土样的压缩变形量Δhi与荷载Pi的关系。
具体地，首先，对每组土样采用相同环刀进行取样，选用环刀的内径为79.8mm，高度20mm，底面积50cm2，不同深度土各取1个环刀，得到不同深度层土样。
其次，按照《土工试验方法标准》(GB/T50123-1999)的相关规定测定各深度层土样的密度、含水率、比重；其中，土样的密度通过“环刀法”测定，土样的含水率通过“烘干法”测定，土样的比重通过“比重瓶法”测定。例如，测得深度为3m的土样的密度为1.40g/cm3、含水率为11.30％、比重为2.71。
最后，采用固结仪对各深度层土样进行固结试验，得到各深度层土样的压缩变形量Δhi与荷载Pi的关系。
具体固结试验按照《土工试验方法标准》(GB/T50123-1999)相关规定进行；其具体加载步骤为：
试验前根据《土工试验方法标准》(GB/T50123-1999)的规定确定需要施加的各级载荷；本实施例中确定的各级载荷依次为25、50、100、200、400kpa共五级。施加的第一级压力根据土层深度及土性确定，待下沉稳定后，再于浸水饱和状态下分级加载，待分级压力下土样下沉稳定后继续加载至试验终止，最后一级压力值保证压缩曲线出现直线段，能够计算出压缩指数即可。
步骤3，计算各深度层土样的自重应力；
首先，计算各深度层土样的上覆土的饱和密度，其计算公式为：
上式中，ρs表示土样的饱和密度，单位为g/cm3，表示土样的干密度，单位为g/cm3，ρ为土样密度，w为土样含水率；Sr表示土样的饱和度，e0表示土样的初始孔隙比，ds表示土粒相对密度；wo表示土样初始含水量，ρw表示水的密度，ρ0表示土样初始密度；Gs表示土样比重。
然后，根据各深度层土样的上覆土的饱和密度，计算各深度层土样的自重应力，其计算公式为：
其中，Pi表示第i深度层土样的自重应力，n表示深度层土样的总层数，hi表示第i深度层土样的厚度，单位为m；γi表示第i深度层土样的饱和重度，且γi＝ρsig，ρsi表示第i深度层土样的饱和密度，单位为g/cm3；g表示重力加速度，单位为N/Kg。
例如，深度为3m的土样的饱和密度为：
式中，sr取85％，Gs为步骤2中测得的2.71，g/cm3；
则计算出深度为3m的土样的饱和重度γ3＝ρs3g＝1.72×10＝17.2×103N/m3；依据同样方法可计算出1m土样的饱和重度γ1为17.6×103N/m3，2m土样的饱和重度γ2为18.3×103N/m3。
进一步可计算出深度为3m的土样的自重应力为：
P3＝γ1h1+γ2h2+γ3h3＝17.6×103×1.0+18.3×103×1.0+17.2×103×1.0＝53.1kPa。
步骤4，测定各深度层的土粒相对密度；并根据各深度层的土粒相对密度、土样初始含水量和土样初始密度，计算每个深度层土样的每级荷载下的孔隙比ej；基于每个深度层土样的每级荷载下的孔隙比ej与其对应的荷载Pj，绘制e-lgP压缩曲线；通过Casagrande作图法在e-lgP压缩曲线上确定各深度层土样的先期固结压力Pc和压缩指数。
其中，土样的相对密度即为步骤2测得的土样比重，土样初始含水量即为步骤2测得的土样含水率，土样初始密度即为步骤2测得的土样密度。
具体地，首先，计算各深度层土样的初始孔隙比，其计算公式为：
其中，e0表示土样的初始孔隙比，ds表示土粒相对密度，即为土样的比重Gs；wo表示土样初始含水量，即为土样含水率；ρw表示水的密度，ρ0表示土样初始密度，即为土样密度。
然后，计算各深度层土样受压后的孔隙比，其计算公式为：
其中，ej表示土样在第j级荷载Pj作用下竖向变形稳定后的孔隙比，ΔHj表示土样在第j级荷载Pj作用下的稳定压缩量，H0表示土样的初始高度。
示例性的，计算深度为3m土样的初始孔隙比：
由受压后的孔隙比计算公式，分别求得在25、50、100、200、400kPa下竖向变形稳定后的孔隙比，绘制e-lgP压缩曲线，如图3所示，在e-lgP压缩曲线中由Casagrande法得到3m土样的先期固结压力为50kPa；如图4所示，图4所示为Casagrande提出的经验作图法示意图，在e-lgP曲线中找到最小曲率半径(rmin)点，在该点处作水平线、曲线切线及两线之间的角平分线，则角平分线与曲线后半段直线的延长线的交点所对应的垂向压力值即为先期固结压力。图4中ab直线段的斜率为深度为3m土样的压缩指数，其斜率为Cc3＝0.684。
步骤5，基于各深度层土样的的自重应力和对应的先期固结压力Pc，计算各深度层土样的超固结比OCR，并判断各深度层土样的固结状态；基于各深度层土样的压缩指数，计算每个欠固结层土样的湿陷量，将所有欠固结层的湿陷量求和即得到黄土的自重湿陷量。
具体地，首先，计算各深度层土样的超固结比OCR，其计算公式为：
其中，Pc表示土样的先期固结压力，Pg表示土样的饱和自重应力；
其次，判断各深度层土样的固结状态，其具体为：若OCR＝1.0，则判断为正常固结；若OCR＞1.0，则判断为超固结；当OCR＜1.0，则判断为欠固结。
例如，深度为3m土样的超固结比因此判定该层土为欠固结土。依次判断所有深度层土样的固结状态为：
而本实施例中的各深度层土样的固接状态为：1-2m深度层土样为超固结土，3-11m深度层土样为欠固结土，12m以下深度层土样为超固结土。
根据欠固结黄土即为自重湿陷性黄土，可以知道欠固结黄土的湿陷量即为黄土的自重湿陷量，因此，只需计算欠固结深度范围内黄土的湿陷变形量即可。
基于深度为3m土样的压缩指数Cc3＝0.684，计算得深度为3m土样的自重湿陷量为：
根据以上计算过程，分别计算剩余8组不同深度的欠固结土样的湿陷量，并对所有欠固结土样的湿陷量求和，可以得到欠固结土层的总沉降量，即得到黄土自重湿陷量为351.2mm。
对比例
在本发明实施例的探井附近进行黄土自重湿陷量的野外实测，按照《湿陷性黄土地区建筑规范》(GB50025-2004)进行现场试坑浸水试验，在黄土场地现场采用试坑浸水试验确定自重湿陷量的实测值，测得黄土自重湿陷量为380.5mm。
由以上结果可以看出，采用传统室内测试方法测得的黄土自重湿陷量为733～742.5mm，采用本发明方法最终得到的黄土自重湿陷量为351.2mm，两者分别与对比例中的野外实测结果进行比较，可以看出，本发明方法的误差为29.3mm，与野外实测值接近。与传统室内测试方法相比，大大缩小了黄土自重湿陷量的测量误差，说明本发明方法能够提高室内黄土自重湿陷量的测量精度，且节省测量成本和测量周期，为确定黄土的自重湿陷量提供一条新的途径。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种黄土自重湿陷量测定方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，选定自重湿陷性黄土场地，预估自重湿陷性土层深度；在自重湿陷性黄土场地开挖探井；在所述探井的不同深度进行取土；
步骤2，分别测定各深度层土样的密度、含水率、比重；采用固结仪对各深度层土样进行固结试验，得到各深度层土样的压缩变形量Δhi与荷载Pi的关系；
步骤3，计算各深度层土样的自重应力；
步骤4，根据各深度层土样的相对密度、土样初始含水量和土样初始密度，计算每个深度层土样的每级荷载下的孔隙比ej；基于每个深度层土样的每级荷载下的孔隙比ej与其对应的荷载Pj，绘制e-lgP压缩曲线；通过Casagrande作图法在e-lgP压缩曲线上确定各深度层土样的先期固结压力Pc和压缩指数；
其中，土样的相对密度即为步骤2测得的土样比重，土样初始含水量即为步骤2测得的土样含水率，土样初始密度即为步骤2测得的土样密度；
步骤5，基于各深度层土样的的自重应力和对应的先期固结压力Pc，计算各深度层土样的超固结比OCR，并判断各深度层土样的固结状态；基于各深度层土样的压缩指数，计算每个欠固结层土样的湿陷量，将所有欠固结层的湿陷量求和即得到黄土的自重湿陷量。
2.根据权利要求1所述的黄土自重湿陷量测定方法，其特征在于，步骤1中，所述预估自重湿陷性土层深度为：按照《湿陷性黄土地区建筑规范》(GB50025-2004)中的黄土湿陷性测定方法进行室内压缩试验，即得。
3.根据权利要求1所述的黄土自重湿陷量测定方法，其特征在于，所述探井的深度为预估自重湿陷性土层深度以下3～5m。
4.根据权利要求1所述的黄土自重湿陷量测定方法，其特征在于，步骤1中，所述取土为：人工在探井侧壁剖面刻槽进行取土，从地面至探井井底在同一竖直线上沿探井深度方向依次取土，取土间隔为1.0m。
5.根据权利要求1所述的黄土自重湿陷量测定方法，其特征在于，步骤2中，所述分别测定各深度层土样的密度、含水率、比重，其具体为：按照《土工试验方法标准》(GB/T50123-1999)的相关规定进行测定；其中，土样的密度通过“环刀法”测定，土样的比重通过“比重瓶法”测定。
6.根据权利要求1所述的黄土自重湿陷量测定方法，其特征在于，步骤3，所述计算各深度层土样的自重应力，其具体步骤为：
首先，计算各深度层土样的上覆土的饱和密度，其计算公式为：
上式中，ρs表示土样的饱和密度，单位为g/cm3，ρd表示土样的干密度，单位为g/cm3，ρ为土样密度，w为土样含水率；sr表示土样的饱和度，e0表示土样的初始孔隙比，ds表示土粒相对密度，wo表示土样初始含水量，ρw表示水的密度，ρ0表示土样初始密度；Gs表示土样比重；
然后，根据各深度层土样的上覆土的饱和密度，计算各深度层土样的自重应力，其计算公式为：
其中，Pi表示第i深度层土样的自重应力，n表示深度层土样的总层数，hi表示第i深度层土样的厚度，单位为m；γi表示第i深度层土样的饱和重度，且γi＝ρsig，ρsi表示第i深度层土样的饱和密度，单位为g/cm3；g表示重力加速度，单位为N/Kg。
7.根据权利要求1所述的黄土自重湿陷量测定方法，其特征在于，步骤4中，所述计算每个深度层土样的每级荷载下的孔隙比ej，其具体为：
各深度层土样受压后的孔隙比的计算公式为：
其中，ej表示土样在第j级荷载Pj作用下竖向变形稳定后的孔隙比，△Hj表示土样在第j级荷载Pj作用下的稳定压缩量，H0表示土样的初始高度；e0表示土样的初始孔隙比，ds表示土粒相对密度，wo表示土样初始含水量，ρw表示水的密度，ρ0表示土样初始密度。
8.根据权利要求1所述的黄土自重湿陷量测定方法，其特征在于，所述计算各深度层土样的超固结比OCR，其计算公式为：
其中，Pc表示土样的先期固结压力，Pg表示土样的饱和自重应力。
9.根据权利要求1所述的黄土自重湿陷量测定方法，其特征在于，所述判断各深度层土样的固结状态，其具体为：若OCR＝1.0，则判断为正常固结土；若OCR>1.0，则判断为超固结土；当OCR<1.0，则判断为欠固结土。
10.根据权利要求1所述的黄土自重湿陷量测定方法，其特征在于，步骤5中，所述基于各深度层土样的压缩指数，计算每个欠固结层土样的湿陷量si，其计算公式为：
其中，hi表示第i深度层土样的厚度，单位为m；e0i表示第i深度层土样的初始孔隙比，pzi表示第i深度层土样的自重应力，单位为kPa；△pi表示第i深度层土样的附加应力，单位为kPa；pzi+△pi表示第i深度层土样的饱和自重应力单位为kPa；pci表示第i深度层土样的先期固结压力，Cci表示第i深度层土样的压缩指数，即为第i深度层土样对应的压缩曲线中直线段的斜率。
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