正文 第四章 土壤工藝元素(二)(2 / 3)

還須注意分辨土壤特征的差別。比如,大孔性土是具有孔隙較土顆粒大的土。當土體中大孔隙的總體積小於常規孔隙的總體積時,浸水時土體膨脹;反之,則浸水壓縮。又如對剪敏感性不同的土壤,在承壓下土內應力的分布就不相同。

此外,各種土壤都有一個最適宜於壓密的含水量,此含水量通常在土壤塑限下2-5%處。對無凝聚性土壤,例如砂,用振動的方法要比用水衝的壓密效果好,而水衝又比用碾壓的壓密效果好。對略具凝聚性的土壤,即使凝聚力C很小,也會阻止顆粒落人較為穩定的位置,振動和水衝的方法對壓密效果都較差,用分層壓密的方法效果較好。對凝聚性大的土壤,比如粘土,采用像羊腳碾這樣的工具才能獲得較好的壓密效果。

土體的壓密量不僅與壓力和時間有關,還與土體的受載曆史有關。對同一種土來講,其中一個曆史上從未受過比目前更大的壓力作用;另一個曆史上曾受過比現在更大壓力的作用,則兩者的壓縮性顯然是不同。土建上,將土在其生成曆史中在現場所曾經受過的最大有效固結壓力稱為前期固結壓力。從此土層取土樣時,若目前土層所承受的固結壓力即其現存上複壓力小於前期固結壓力,則稱為超固結土,此時,前期固結壓力與當前土層所受的有效固結壓力之比稱為超固結比;若目前固結壓力與前期固結壓力一樣,即稱為正常固結土;若前期固結壓力小於土層現存上複壓力即新近沉積的堆積物,在其現存上複壓力作用下尚未完全固結的土稱為欠固結土。對於這三種土,沉降計算公式是不同的。在土機係統領域裏,機具作業的對象多為表土,這類土作業前往往曾經擾動(破壞或耕鬆)、卸載,然後又經過一段時間的間歇,結構得到不同程度的恢複。因此,可根據具體情況不同,而分別視為擾動土或欠固結土或正常固結土來處理。然而土建上超固結的概念,對處理土機係統壓密問題仍是有用的。

土體的壓密過程,在時序上可分為三個階段:初始壓縮(載荷施加後即行發生的壓縮),固結(隙水緩慢外溢引起的壓縮)和次壓縮(超孔隙水壓力消失後,由蠕變所引起的壓縮)。對於幹土(包括非敏感幹粘土),壓密的計算可忽略固結階段和次壓縮階段;這時又有兩種做法:無側向變形和考慮有側向變形。前者一般應用每步加載都等候穩定,從而得出不含時間因素的側限平麵壓縮曲線計算,後者一般應用Skempton和Bjermm的半經驗公式計算。在飽和土的情況下,若載荷作用時間較長,則需要考慮固結階段和次壓縮階段;若載荷作用時間短暫,也可采用不排水狀態下的初始壓縮量。

在本節下麵將概要地介紹這些計算方法,然後討論預估機具作業中的土體密度場問題。

4.4.1固結壓縮

在載荷作用時間較長的濕土情況下,對土體密度場和壓縮量進行預估時,這時可能需要考慮壓縮過程的全部三個階段或其中一、兩個階段的壓縮量,現逐一介紹如下。

一、初始壓縮

在載荷作用時間很短或在幹土的情況下,主要的壓縮發生在初始壓縮階段。隻有載荷作用時間很長的飽和土,壓縮量才主要發生在固結階段,這時可能有些場合可不計初始階段的壓縮。初始壓縮量通常采取用彈性理論計算,然後對塑性發展量作校正。粘性土是非線性體,其-和不是常數,而是隨應力大小而變。然而剛加載時,可認為體積不可壓縮,這樣泊鬆比"等於或近於0.5,尤其是飽和土更是如此。對於變形模量-,可從三軸不排水試驗或單軸壓縮試驗所得應力應變曲線上確定初始切線模量。將土樣在三軸儀中先行固結,然後在不排水情況下施加大小近似於現場大小的軸向載荷,然後減至零,這樣反複5-6次,得出最後一次的最大軸向壓力一半時的切線模量,稱為反複加載模量。

在加載之前土體已受有現場剪應力以及所加載荷一開始就超過土體的承載能力的情況下,隻按彈性理論估算初始壓縮量,誤差會是較大的,應對式作塑性發展量的校正。校正是根據有限元計算的結果。

二、次壓縮

次壓縮是有效應力已基本上不變,土體體積在壓力不變的情況下,由於蠕變而發生的壓縮。次壓縮的速率比固結壓縮的速率慢得多,與隙水流出速率無關,因而可直接從室內土樣試驗得出。次壓縮發生於主固結完成之後,在半對數坐標上接近於直線。

三、砂性土的固結壓縮

砂性土滲透性強,固結時間延遲的唯一原因是土粒間的摩擦,短時間內即可克服。砂性土的特點是總的壓縮量不大,由於剪切和壓力所引起的壓縮幾乎全部在短期間內發生。

根據模型試驗和現場實測以及非線性材料有限元分析的結果表明,砂性土中應變分布的形狀與彈性體相似,但最大鉛垂應變發生在約等於承壓麵積寬度一半的地方。

在土體中,三角形範圍內有剛性邊界,應變影響因素,但去掉剛性邊界以下的部分。對於不同深度變形模量的測定,由於砂性土取原狀土樣很困難,這時用靜力觸探試驗,將整個裝置壓入預定深度後,使鑽杆不動,用內杆將錐頭以1-2cm/s的速度緩慢壓四、固結壓縮土體在承壓中發生有水流動時,可有兩種情況:一種是加載之後,隙水壓力的增量隨著水的流出而減少,致使土的容積減少,是為固結;一種是加載後隙水壓力的增量為負,隨著水的流入而隙水壓力增高,致使土的容積增加,是為膨脹。在固結中,長寬為單位長度而厚為的土體微元的容積變化為厚度為H的土層的固結壓縮量為固結理論是描述超孔隙壓力—的消失和所伴隨的土容積變化過程的數學模型。

Terzaghi的固結理論作了如下的簡化假設:①固結土層中每一點在固結的任何時刻滲透係數尺和體積壓縮係數不變;②固結土層含水隻自垂直方向溢出;③逐漸固結的原因完全由於隙水滲透的展延而不考慮塑性變形的展延。

由於實際問題中滲水邊界條件及幾何邊界條件的複雜性,對於多維問題的固結方程,數學上很難用精確解法來處理,而經常用差分法來求解。

Biot的固結理論有所不同,作了三個基本假設:①土骨架變形是線性彈性的;②變形是微小的;③滲流符合達賽定律。另外,還有水不可壓縮,滲流速度很小不計慣性力等。同樣從土元.的平衡方程、線性彈性變形的應力應變關係,以及飽和土的連續性方程得出比奧固結方程比奧固結方程包含四個偏微分方程組,也包含四個未知數,它們都是坐標係X,y,z和時間(的函數。在一定的初始和邊界條件下,可解出這四個函數。但是在實際問題中也與大沙基方程一樣,數學上求解是很困難的,需要利用有限單元等數值方法求解。

比奧理論與太沙基理論的假設基本上一致,但太沙基多了一個假設,即在固結過程中法向總應力不隨時間而變,而事實上h不能是常量。又由於假設總應力不變,導致孔隙壓力變化不依賴於位移,而在有些情況下,不聯係土骨架位移與孔隙壓力的相互作用就不能作出正確分析。同時,得出的孔隙壓力隨時間變化結果也就不相同,有效應力不相同,固結不相同。

4.4.2實際工作中密度場的計算

機具實際作業中的壓密問題,往往涉及作用時間較短,承載麵積壓力不均勻,初始條件、邊界條件不確切,要求預估的不僅是壓陷沉降深度,常還需要知道土體的密度場變化。因此,4.4.3中所介紹的均布載荷作用下初始壓縮、固結壓縮和由於土骨架蠕變所導致的次壓縮等的計算,有助於對過程的理解,是實際計算的重要參考,但須結合具體情況適當地處理。下麵介紹在土壤機器領域中比較常用的,按集中載荷預計土體內應力場,然後按土的曲線預計密度場的簡易方法及有關問題。

4.4.4土的振動壓密

無粘性土受振動可被壓密,尤其是在幹燥和飽和的狀態下。部芬飽和時,毛細管作用力將使土具有一定的粘聚性,減低變密程度。在振動壓密的實驗中有關的測定值一般包含應力條件的影響和加速度的影響,考察動載荷效應時往往需要將兩者加以區別。

應力的影響可以通過三軸試驗將試件在恒定的作用下,然後外加周期性調和函數增量應力ATA。當試件固定於剛性支架上,則試件中任意點的加速度可以導出-但值較小,即加速度所引起的變形值是較小的。這時應力所起影響是主要的。周期應力對無粘性土也會造成一定的體積壓縮;對於鬆砂,體積壓縮很小,變形主要由剪應力所引起。

這可通過將不同的氣壓導入橡皮薄膜來實現,盒放在振動台上並使之受到振動。當盒中應力保持不變,則振動期間僅有的應力變化是由於慣性力所引起的。由於試件質量很小,這時應力變化也很小。直至加速度達1個才有微小的壓縮作用。加速度大,體積壓縮的速率也增大。需要注意,當振動台的加速度向上時,土體慣性力使得土顆粒接觸力增大;而當振動台的加速度向下,情況相反。當盒中氣壓為零而向下加速度在1個或以上時,土中鉛垂應力為零,土顆粒間連接受到破壞,成散粒落下,起了有利於產生密度更大的擠壓作用。若盒中氣壓很大,則向下加速度在很高時才能產生鉛垂應力為零的狀態。