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风积沙回弹模量的影响:粉黏粒含量研究

时间:2023-08-27 理论教育 版权反馈
【摘要】:回弹模量反比于回弹变形,则回弹模量的增加意味着回弹变形变小。对黏性土而言,其受力历史、沉积环境等均能影响其弹性变形。图6-4风积沙回弹变形曲线(三)图6-5风积沙回弹变形曲线(四)当试验类型为最佳含水量时成型、试验饱水时(③),粉黏粒含量小于45%时,试验土样的回弹模量随粉黏粒含量的增加而略有增加,45%~65%时明显下降,而大于65%后基本上稳定。

风积沙回弹模量的影响:粉黏粒含量研究

回弹模量反比于回弹变形,则回弹模量的增加意味着回弹变形变小。回弹变形虽与弹性变形有所不同,但两者之间还是有联系的,一般情况下回弹变形源自弹性变形,两者之间成正相关,因此可用弹性变形来分析上述的变化,如式(6-1)所示:

式中:E——回弹模量(kPa);

   P——承载板上的单位压力(kPa);

   D——承载板直径(cm);

   L——相应于单位压力的回弹变形;

   μ——土的泊松比,取0.35。

然后每个试样的回弹模量由P-L曲线上直线段的数值确定。

土样受力产生变形,其变形可分为塑性变形与弹性变形,而影响弹性变形的主要有以下因素:

(1)颗粒大小。在试验压力不大的变形过程中,颗粒(主要指砂粒及更大的颗粒)自身的变形很小,可看作刚体,较细小的颗粒嵌合力小,且在受力时容易在土中产生转动及位移,从而产生较多的塑性变形,弹性变形也小。

(2)颗粒的形状。有较多棱角的颗粒在较大的压力下容易产生破碎,在较小的压力下颗粒的移动也更达到稳定,使土样更为密实,弹性变形小;但有较多片状的颗粒,在一定的压力下颗粒能自身变形,产生翘曲,压力消失后,又产生反弹,因而其弹性变形较大。

(3)原始孔隙度(密度)。密度小,则留给塑性变形的空间大,弹性变形小,但密度大时,总变形小,弹性变形也不大。

(4)相对密度。与密度的影响相似。

(5)矿物成分。主要对黏性土而言,如蒙脱石,其受压时变形量大,回弹变形也大。

(6)结构构造。对黏性土而言,其受力历史、沉积环境等均能影响其弹性变形。

(7)稠度状态。含水量高时,其变形量大,回弹变形也大。

(8)交换阳离子成分。高价的铁、铝离子能降低土的塑性,影响弹性变形,这也是电渗法加固土的理论基础。

以上诸多因素均能对弹性变形产生影响,而这些影响首先影响的是总变形,总变形中既有塑性变形,又有弹性变形,而弹性变形与塑性变形各自所占的比例又会因以上的因素影响而有所不同,问题因此就更复杂化了。

一般来讲,砂土颗粒较粗,颗粒表面水膜甚薄而对土的压缩变形影响甚微,粒间孔隙较大且互相连通,孔隙水几乎全为自由水,它在外荷载作用下可顺利排出。所以砂土的变形特点为:

(1)通常压力下的压缩变形值不大。

(2)压缩变形速度较快。

(3)压缩变形大部分属于塑性变形,弹性变形部分很小。

说明砂土的变形主要是颗粒移动与结构变化的结果。

黏土的颗粒非常细小,颗粒呈片状,具有海绵状结构,孔隙大,孔隙小并常充满难以排出的结合水。所以黏土的变形特点为:

(1)压缩变形值取决于稠度状态,一般都很大,塑性状态及潜流状态时更大。(www.xing528.com)

(2)压缩变形速度很慢,透水性越小,压缩变形完成的时间越长。

(3)黏土的压缩,除塑性变形(永久变形)外,还有很大的弹性变形。

说明包括弹性变形在内的黏土的压缩变形,不仅因颗粒移动和结构变化,也是颗粒及结合水膜弹性变形的结果。

图6-1 风积沙的回弹模量

从图6-1~图6-5中可看出:

(1)试验类型为含水量为零时成型、试验不饱水时(②),试验土样的回弹模量随粉黏粒含量的增加而增加,只不过在粉黏粒含量小于55%时增加较快,大于60%时增加变缓了。

这就说明,对试验的土样,随粉黏粒含量的增加,在粉黏粒含量小于55%时,其回弹变形以较快的速度下降,大于60%时,下降的速度变得慢了。

从试验中观测观察可以发现,试样的塑性变形随粉黏粒含量的增加而增大(表现在土样与承载板接触的表面留有的压痕越来越深)。说明干燥状态的粉黏粒(干燥时与风积沙掺配,未与水作用,内聚力很低)并没有形成集合体,对土的作用如同细小的散粒,它们的增加使土样的颗粒总体上变小,在干燥时受力,塑性变形也随之增大。

图6-2 风积沙回弹变形曲线(一)

图6-3 风积沙回弹变形曲线(二)

虽然其沉降随粉黏粒含量的增加略有增大,但在受力1min时,土样的变形却并非如此,基本上相同。如此一来,总变形基本相同,而塑性变形却随着粉黏粒含量的增加而增大,因此其回弹变形也在减小。当粉黏粒含量大于60%后,“多余的粉黏粒”的出现使受力1min时的总变形略有增大,这种增大较塑性变形的增大要快,因此其回弹变形有增大的趋势,这种趋势使回弹变形的下降变得慢了。

(2)当试验类型为最佳含水量时成型、试验不饱水时(①),粉黏粒含量小于40%时,试验土样的回弹模量随粉黏粒含量的增加而略有增加,40%~65%时明显下降,而大于65%后基本上稳定。

土样在最佳含水量时并无多余的水分,较小的试验压力也不会产生很明显的排水问题。与上述同样的原因,这一组土样在受力1min时,总变形基本相同。粉黏粒尤其是黏粒的弹性变形主要来自结合水膜的变形(受压时,结合水膜变薄,产生沉降,压力消除后,土粒因有负压吸水,使结合水膜恢复,产生回弹)。当“多余的粉黏粒”不存在时,外部力量主要由砂粒骨架承受,少量的粉黏粒主要起的是润滑作用,造成相对的塑性变形较大,回弹变形较小。因为是这种润滑作用,故其粉黏粒含量不能很高。当粉黏粒含量较多时,它也开始受压,回弹变形因而很快地增大。在粉黏粒更多(超出“多余”的存在)时,外部压力基本上由粉黏粒承担,这时随粉黏粒的增加,一方面会有更多的结合水膜变薄,使回弹变形增加,但另一方面,孔隙的减少也增加了排水的困难,因此在试验的短时间内,其总变形及弹性变形基本上保持了稳定,略有些减小。

图6-4 风积沙回弹变形曲线(三)

图6-5 风积沙回弹变形曲线(四)

(3)当试验类型为最佳含水量时成型、试验饱水时(③),粉黏粒含量小于45%时,试验土样的回弹模量随粉黏粒含量的增加而略有增加,45%~65%时明显下降,而大于65%后基本上稳定。

造成这种情况的原因与(2)基本相似,只是水的润滑作用及结合水的变形所产生的作用更大些,因此其总变形大,塑性变形大,回弹变形也大些。在由砂粒构成的骨架承受外力时,因饱水后的粉黏粒更易于分散与移动,从而充填到骨架中更小一些的孔隙中,因此它承受压力时的含量也要比(2)大些,后者为40%,而前者为45%。

(4)当试验类型为含水量为零时成型、试验饱水时(④),回弹模量值基本上是随着粉黏粒的增加而减小,不过这种减小比较缓慢而已,其中也有类似于(3)的变化,即粉黏粒含量为45%~65%时,有一个稍明显的变化。

其原因除上面所述之外,更重要的是膨胀及其成型时结构缺陷的影响。因为明显的膨胀大大降低了其强度,也因为结构的缺陷导致在粉黏粒含量很小时就承受外部压力,因此其总变形大,塑性变形大,即使弹性变形所占的比例不大,其弹性变形也是较大的。因为粉黏粒的影响从一开始就存在,故其回弹模量的变化显得比较平缓。

综上所述,回弹模量试验也从另一个侧面证明了粉黏粒含量对风积沙工程特性的影响,证明了随粉黏粒含量的增加,风积沙的工程性质在渐变的过程中有一个质变的区间。

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