膨胀土地基膨胀变形计算方法研究
膨胀土地基膨胀变形计算方法研究*
王年香章为民
(南京水利科学研究院南京210024)
摘要:含水率增加会引起膨胀土地基膨胀变形.室内试验和现场测试结果表明,膨
胀率和膨胀力随含
水率的增加呈线性增大,大气影响深度范围内膨胀土地基含水率变化随深度呈
线性减小,膨胀率与上覆压力
可用椭圆形曲线表示.在推导膨胀率计算公式的基础上,
建议
关于小区增设电动车充电建议给教师的建议PDF智慧城市建议书pdf给教师的36条建议下载税则修订调整建议表下载
采用分层总和法计
算膨胀土地基膨胀变形.
计算表明,计算结果与模型试验结果较吻合,而
规范
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方法计算结果偏大.
关键词:膨胀土膨胀变形计算方法含水率膨胀率
CALCULATIoNMETHoDFoRSWELLINGDEFoRMATIoN
oFEXPANSIVESoILFoINDATIoN
WangNianxiangZhangWeimin
(NanjingHydraulicResearchInstituteNanjing210024)
Abstract:Theincreaseofwatercontentwillcauseswellingdeformationofexpansivesoilfo
undation.Theswellingrateand
pressureareraisedlinearlywithwatercontent.Thechangeofwatercontentofexpansivesoi
lfoundationdecreaseslinearly
withdepthwithintheatmosphere.effectdepth.Theexpansiverateisellipticwithoverburde
npressure.Aformulaof
expansiverateisobtained.Acalculationmethodforswellingdeformationofexpansivesoil
foundationisproposedwithlayer—
wisesummationmethod.Theresultsofproposedmethodareidenticalwiththatofthemodel
test,andtheresultsofthecode
areonthelargeside.
Keywords:expansivesoilswellingdeformationcalculationmethodwatercontentexpansi
verate
0前言
上部荷载和含水率的变化都能引起膨胀土地基变
形.上部荷载引起的膨胀土地基沉降计算方法与其他
地基沉降的计算方法一样.由于膨胀土含有特殊的膨
胀矿物,膨胀矿物吸水膨胀,失水收缩,含水率的变化
必然引起膨胀土地基上升或下沉,且其严重性不亚于
荷载变化引起的膨胀土地基上升或下沉,因此,有必要
研究含水率变化引起地基上升或下沉量的估算方法.
在预估膨胀土地基浸水膨胀变形方面,工程设
计中较为流行的是分层总和法.其基本思路是考虑
土层在某一压力下的膨胀率,土层或某一区域土的
影响系数,土层厚度,从而推求膨胀土的变形量.索
洛昌…通过室内,外试验提出了考虑不同压力下土
体膨胀率非线性的浸水变形计算公式为:
n
s=>kh(1)
z
式中,,k.一h为第i土层在某一压力下的膨胀
率,土层工作系数,土层厚度.
87) 《膨胀土地区建筑技术规范》(GBJ112—
采用的浸水变形公式为:
58IndustrialConstructionVo1.38,No.6,2008
s=>:~epih(2)
式中,,,h为经验系数,第i层土在该层土的
平均自重压力与平均附加压力之和作用下的膨胀
率,土层厚度.
式(2)用综合影响系数代替了式(1)的土层工作
系数.分析上述模型,可以发现它们均忽略了土层
初始相对膨胀势差异性的影响,而这种影响对真实
反映土体的实际变形是相当重要的,室内小试样测
定的土层膨胀率…是各土层在某一干密度和初始
含水率条件下进行的,而实际工程中大气影响深度
是有限的,且不同深度土层含水率变化不同,一般深
度越浅,含水率变化越大;越深,变化越小.
1膨胀力和膨胀率与含水率的关系
膨胀力和膨胀率与含水率变化值有关.在试验
中,通过控制膨胀土样的干密度而改变其含水率,再
*交通部西部交通建设科技资助项目(200231874616).
第一作者:王年香男1963年2月出生博士教授级高级工程师
E—mail:nxwang@nbri.cn
收稿日期:2007—11—21
工业建筑2008年第38卷第6期
测定其膨胀力,从而得出膨胀力与土样起始含水率
的关系(图1).这种关系一般为反…S’形曲线,存
在两个拐点,曲线近似于由第一拐点之前和第二拐
点之后的两段水平线以及两拐点之间的近似直线段
所组成.第_拐点对应的含水率为缩限含水率
(W),起始含水率W.<W时,膨胀力为最大膨胀
力,并不随W而变化.第二拐点对应的含水率为
胀限含水率(W),W.>W时,膨胀力为0.当W.
介于W,W时,膨胀力与W.呈反比线性关系.因
此,含水率增加引起的膨胀力P可按式(3)计算:
P=AAw(3)
式中,A为某一干密度下P一W.曲线直线段斜率,
kPa/%,可由不同初始含水率的膨胀力试验求得;
?为含水率增加值,%,可按式(4)确定:
?zcJ=
0
W1一Ws
W1一W0
WH—Ws
WH—WO
式中,W.,W.分别为起始含水率,最终含水率,%.
同样道理,通过控制膨胀土样的干密度而改变其
含水率,再测定其无荷载下的膨胀率,从而得出膨胀率
与土样起始含水率的关系(图1).膨胀率与土样起始
含水率的关系同膨胀力与土样起始含水率的关系相
似,因此,含水率变化引起的膨胀率可表示成:
e0=BAw(5)
式中,B为某一干密度下一W.曲线直线段斜率,
可由不同初始含水率的膨胀率试验求得.
0wsH’_l
WO/%
图1膨胀力和膨胀率与起始含水率的关系
Fig.1Expansivepressureandexpansive
rate—initialwatercontentCllive
2膨胀土中含水率的变化规律
现场测试和调查研究表明,在平坦地面下,土体
含水率主要受大气降雨和地表蒸发的影响,因而表
膨胀土地基膨胀变形计算方法研究——王年香,等
现出季节性变化和沿深度方向变化的规律.如图
2所示,在长期干旱期间,土体含水率随深度增大而
增加,并在某一深度之后趋于一个定值.在雨季,土
体含水率随深度增大而略有减小,并很快趋于一定
值.变化的幅度远比旱季要小.因此,土体含水率
的变化值随深度增大而逐渐减小,并在气候影响层
深度处()趋近于0.即是含水率季节性变化的
影响深度,其值与降雨量,雨强,植被,地形,土体结
构和渗透性等地质地理因素有关,一般在5m以内.
含水率w/%
1O2O3O4O5O
\\.
一
r-
旱季\雨季:
}
-
t
:
图2土体含水翠随深度的变化曲线
Fig.2Watercontent-depthCllivesofexpansivesoil
关于膨胀土地基含水率变化?随深度的关
系,蒋忠信等提出如下的对数曲线形式:
Aw=Aw0e,(6)
式中,?为土体含水率最大变化值,即地表处含
水率变化值;a为与气候条件,膨胀土性质等有关的
系数,a>0;为深度.
由式(6)计算不同深度处含水率的变化值,存在
以下两个问题:一是系数a的确定需要通过长时期
的现场不同深度处含水率变化,通常较难实现;二是
只有一?时,?一0,与实际情况不符.因此,可
以简单地认为在大气影响深度范围内,?随深度
线性减小,在大气影响深度以下,含水率不变化,可
表示为:
Aw:
)(7) (一
【0(?)
式中,为大气影响深度.
3膨胀率与上覆压力的关系
室内有侧限条件下膨胀率与上覆压力关系(图
3)表明,在某一初始含水率情况下,膨胀率随着压
力的增大而减小,且压力较小时,膨胀率减小率较
大,随着压力增大,膨胀率减小率逐渐减小.当压力
达到膨胀压力P时,膨胀率就等于0.图3还表明,
初始含水率不同,相同的压力下的膨胀率也不同,初
始含水率越低其所对应的膨胀率越高,但不同初始
59
O23456
1_?
4
\,\,\,\,
HH?
或帅
?
r%r\4r\4r\4一
\\
rnr\4rr\4r
00s0s
Bd?
含水率的膨胀率与上覆压力的关系形状相似,可用
椭圆形曲线来表示,即
((?
式中,为含水率增加Aw条件下,无荷载时的膨
胀率,%;.为含水率增加Aw条件下,上覆压力为
P时的膨胀率,%;P为含水率增加?条件下的膨
胀压力,kPa;P为上覆压力,kPa.
?Wo=16.65%;??o=13.83%;??o=7.99%
图3膨胀率与上覆压力的关系
overburdenpressureCHIVESofexpansivesoil Fig.3Expansiverate—
4膨胀变形的计算方法
设地面水平,任一深度处附加压力为q,土体密
度为y,则上覆压力P:q+Zz,将式(3),式(5)和式
(7)代人式(8)可得膨胀率为:
.=4
B
?
Aw
.
o
【
[A?.—Zw--Z一
?2A?.(g+)一(g+)J
(9)
从式(9)可见,膨胀率与A,B,Aw.,,q,y有
关.在地基表面,膨胀率最大,随着深度的增加,膨
胀率减小,在膨胀影响深度处,膨胀率为0:
AAw0一q
—AAw1z,且8<.(10)
对于深层均匀浸水情况,式(9)和式(1O)可简化为:
[A?1’?.一AAOe.——
wo
LA?埘0—
2AAw0(q+)一(q+)](1la)
6=(1ib)—?,
从理论上来说,对式(9)积分,就可以得出膨胀
变形量,但从式(9)可以看出,膨胀率与地基附加压
力q有关,而q又与基础形式,尺寸,基底压力分
布,深度等有关,即q随深度变化的关系式较为复
杂,一般情况下得出式(9)的积分比较困难,因此,建
议采用分层总和法计算膨胀变形,计算公式为:
n
5=>3er,ih(12)
式中,为基础底面下第i层土的膨胀率,可由式
(9)计算得出;h为第i层土的计算厚度;n为自基
础底面至计算深度内所划分的土层数,计算深度日
取膨胀土层厚度日和膨胀影响深度的小值.
式(12)与式(2)的区别在于:式(12)在计算膨胀
率时考虑了大气影响使膨胀土含水率变化值随深度
减小情况,无需修正,式(2)的膨胀率未考虑大气影
. 响,从而引入经验系数
5模型试验验证
为研究深层浸水条件下膨胀土地基变形规律及
其对构造物的影响,在内部尺寸为10m×2.5m×
4,1m(长×宽×高)的大型模型槽里进行了模型试
验.试验布置了静止挡墙,可动挡墙,桩基础等构
造物,进行了含水率,表面隆起,深层隆起,挡墙水平
位移,挡墙土压力,地基承载力,桩基承载力,桩基胀
切力等测试.
试验用膨胀土取自南京汤山的灰白色膨胀土,
其主要性质指标见表1.土料经过烘干,粉碎,含水
率约为17%.将模型槽分隔成两个区,其中一区长
7.5m,填筑土层干密度为IDd=1.45g/cm,另一区长
2.5m,填筑土层干密度为IDd=1.6g/cm.土料分层
填筑,采用振动碾碾压夯实,每层控制压实后的厚度
为20cm,填土高度为3.6m.
图4给出了IDd:1.45g/cm区土体膨胀变形随
深度变化的试验和计算结果,从图4可见,计算与试
验的膨胀变形的变化规律基本一致,且误差较小,表
明所建议的膨胀变形的计算方法符合实际.
表1膨胀土的主要性质指标
Table1Mainindicesofexpansivesoil
60工业建筑2008年第38卷第6期
膨胀变J~/mm
O2O406080JO0J2Ol40
一
.一试验;——计算
图4土体膨胀变形计算和试验结果的比较
Fig.4Comparisonofcalculatedswelling
deformationswiththoseofthetest
6规范方法的适用性
“技术规范”(GBJ112—87)建议采用式(2)计算
地基土的膨胀变形量时,宜根据当地经验确定,
若无可依据经验时,三层及三层以下建筑物,可采用
0.6.根据式(12)可以分析AAw.,BAw.,,q.,L,
y对的影响.从图5可见,曲线1为=3m,基
底压力q.=0,土体密度y=20kN/m3条件下,随
着AAw.和BAw.的增大而减小,但减小幅度越来
越小.曲线2为A?.=150kPa,BAw.=15%,基
底压力q.=0,土体密度y=20kN/m3条件下,
随着的增大而增大,但增加幅度较小;曲线3为
AA0=150kPa,BA0=15%,=3m,基底尺寸
2m×2m,土体密度y=20kN/m3条件下,随着
q的增大而几乎线性减小,且减小幅度较大;曲线4
为A?0=150kPa,BAw0=15%,=3m,基底压
力q=40kPa,土体密度y=20kN/m3条件下,随
着基底尺寸的变化而变化不大.综上可见,膨胀土
O.8
0.6
O4
0.2
O.O
012345
AAw0/50kPa,BAw0/5%,Zw/m,qo/20kPa,L/m
注:曲线1一曲线4说明见文中.
图5的变化规律
Fig.5Variationof
膨胀特性和基底压力对的影响较大,进一步分
析可以看出(如图6所示),只有在基底压力彳艮小且
膨胀率和膨胀压力不大的情况下,取=0.6才恰
当,其他情况明显小于0.6.因此,规范建议的
方法计算的膨胀变形偏大.
O?8
O-6
O.4
0.2
0.0
0l2345
AAw0/50kPa,BAw0/5%
一=一qo:0;一?一20kPa;一?一40kPa;
一×一
60kPa:一80kPa:一.一1130kPa
图6.随AAw0和BAw0的变化
Fig.6VariationofwithAAw0andBAw0
7结论
1)建议的计算方法综合考虑了膨胀力,膨胀率
与含水率,含水率与深度,膨胀率与上覆压力的关
系.
2)建议的计算方法共有4个计算参数,其中A,
B由常规试验测定,.,根据当地经验资料确定.
3)与模型试验结果比较表明,建议方法计算结
果较符合实际,而规范方法偏大.通过进一步对比
分析后,可推广应用.
参考文献
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设计
领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计
与施工.徐祖森,译.北京:
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7王年香,章为民,顾行文,等.膨胀土地基浸水膨胀变形模型试验
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膨胀土地基膨胀变形计算方法研究——王年香,等61
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