（岩土工程专业论文）南宁河流冲击相粘性土结构的热效应研究.pdf

南宁河流冲击相粘性土结构的热效应研究 摘要 本文以南宁河流冲积相粘性土为研究对象，以热对流方式传热， 通过不同温度及不同作用时间后，土样的三轴抗剪试验，探讨温度、 时间对土体抗剪强度的影响规律，并对其强度变化的原因进行了初步 的研究。 在试验设计的温度范围( 1 0 - - 6 0 ) 内，将土样直接放入恒温 恒湿箱内，其含水量会随时间的增长而降低，并在2 天后趋于一个稳 定值。在这期间，随着含水量的降低，试验土样的粘聚力和内摩擦角 均有明显的增高。 土样在低含水量的情况下，随着时间的增加在1 0 - 一5 0 。c 时， 试验土样的粘聚力没有发生明显变化：但在6 0 时，试验土体的粘 聚力有明显增长。试验土样的内摩擦角没有发生明显的变化。土样在 最优含水量附近，随着时间的增加在1 0 - - - 4 0 时，试验土样的粘 聚力没有发生明显变化；但在5 0 、6 0 时，试验土样的粘聚力在 第2 天开始出现增高，并随时间的增加而继续增长，在第7 天基本达 到稳定，且增幅相当明显，而随着时间的推移试验土样的内摩擦角没 有发生明显的变化。将经过5 0 、6 0 。c 温度作用后的最优含水量附 近的土样重新在室温中静置3 天，然后进行试验，土样的粘聚力没有 增长但内摩擦角有增长。对原状土样在5 0 、6 0 。c 环境下的试验， 同样也得出粘聚力没有增长但内摩擦角有增长的结论。可见，重塑土 和原状土在5 0 、6 0 。c 温度下，经过一定时间的作用后，抗剪强度 会有明显的增高，并最终达到一个稳定值。 关键词：粘性土温度时间含水量抗剪强度 r e s e a r c h0 nt h et h e r m a le f f e c tinn a n nln gri v e r a l l u via lc u s t r u c t u r e a b s t r a c t w i t ht h er e s e a r c ho b j e c to fn a n n i n gr i v e ra l l u v i a lc l a ys o i l ，a p p r o a c ht ot h e r m a l c o n v e c t i o nh e a tt r a n s f e r , t h r o u g ht h es o i ls a m p l e sf o rt r i a x i a ls h e a rt e s ta f t e rd i f f e r e n t t e m p e r a t u r e s a n dd i f f e r e n t t i m e ，i no r d e rt oi n v e s t i g a t et h ee f f e c tl a wa b o u t t e m p e r a t u r ea n dt i m eo ns o i ls h e a rs t r e n g t ha n dp r e l i m i n a r ys t u d y t h er e a s o n sf o r c h a n g e si ni n t e n s i t y i nt h et e m p e r a t u r er a n g eo fe x p e r i m e n t a ld e s i g n ，a st h et i m eg r o w t h ，s o i lm o i s t u r e c o n t e n tw i l lr e d u c ea n db e c o m eas t a b l ev a l u e a f t e r2d a y s ，d u r i n gt h i sp e r i o d ，w i t h t h em o i s t u r ec o n t e n tb e c o m i n gl o w e r , t e s ts o i ls a m p l e so ft h ec o h e s i o na n di n t e r n a l f r i c t i o na n g l ei n c r e a s e s i g n i f i c a n t l y w h e nt h es o i ls a m p l e si nl o ww a t e rc o n t e n t ，t h es o i lt e s tc o h e s i o nd o e sn o t s i g n i f i c a n t l yc h a n g e 诵t ht h et i m ei n c r e a s ed u r i n gi n1 0 。c 一5 0 。c ，h o w e v e r , t h et e s ts o i l c o h e s i o ns i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e sa t6 0 。ca n dt h et e s ts o i l s a m p l e so ft h ei n t e r n a l f r i c t i o na n g l ew i t h o u ts i g n i f i c a n tc h a n g e s w h e nt h et e s ts o i l i nt h ev i c i n i t yo ft h e o p t i m u mm o i s t u r ec o n t e n t , t h es o i lt e s tc o h e s i o nd o e sn o ts i g n i f i c a n t l yc h a n g ew i t h t h et i m ei n c r e a s i n gd u r i n gi nio * c - 4 0 c h o w e v e r , t h et e s ts o i lc o h e s i o ni nt h es e c o n d d a ys i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e sa t 5 0 。ca n d6 0 。c ，c o n t i n u ei n c r e a s e sw i t ht h et i m e g r o w t h ，r e a c h e ss t a b i l i t y i nt h ef i r s ts e v e nd a y sa n dt h er a t eo fi n c r e a s ei s o b v i o u s l y m e a n w h i l e ，t h et e s t s o i ls a m p l e so ft h ei n t e r n a lf r i c t i o n a n g l ew i t h o u t s i g n i f i c a n tc h a n g e sw i t ht h ep a s s a g eo ft i m e t h et e s ts o i l i nt h ev i c i n i t yo ft h e o p t i m u mm o i s t u r ec o n t e n tt h r o u g h5 0 。c a n d6 0 * ct e m p e r a t u r ee f f e c t ，r e - s t a n d i n g3 d a y sa tr o o mt e m p e r a t u r ea n dt e s t ，t h et e s ts o i ls a m p l e sc o h e s i o nf o r c ew i t h o u t s i g n i f i c a n tg r o w t hb u ta l li n c r e a s ei nf r i c t i o na n g l e t e s t i n gas m a l ln u m b e ro fo r i g i n a l s o i ls a m p l e si n5 0 ca n d6 0 。ca l s oc o m e st ot h ec o h e s i o nf o r c ew i t h o u ts i g n i f i c a n t i i g r o w t hb u ta ni n c r e a s ei n f r i c t i o na n g l e w ec a ns e et h a tt h er e m o d e l i n gs o i la n d o r i g i n a ls o i l i n 5 0 。ca n d6 0 。cu n d e r g o i n gm o r et h a nt w od a y ss h e a rs t r e n g t hw i l l s i g n i f i c a n t l yi n c r e a s ea n de v e n t u a l l yr e a c h as t a b l ev a l u e k e yw o r d s ：c l a ys o i l ；t e m p e r a t u r e ；t i m e ；w a t e rc o n t e n t ；r e s i s t a n c et os h e a r s t r e n g t h i i i 广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得 的成果和相关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其 他人已经发表过的研究成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内 容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集体，均已在论文中明确说 明并致谢。 论文作者签名：奇穰，姻7 年月彳日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：本人保 证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容；按照学校要求提 交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并 提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保 存论文；在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 啦p 时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作糍：哿捷新躲f 矿沪产厶月湖 广西大掌硕士掌位论文南宁河流冲击相粘性土结构的弗r 效应研究 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 粘性土是复杂的多相混合体，由于其成因、粒度组成、有机质含量、物理性 质、化学性质、溶液性质和浓度等的不同，形成了不同类型的粘土结构。粘性土 作为建筑材料、地基及地下工程的围限介质得到非常广泛的利用。 热岛效应即由于城市中密集的人口、众多的机动车辆及工厂每天产生大量的 热，使气温升高，造成气温高于周围地区的现象。南宁市是广西壮族自治区的首 府，城市化步伐越来越快，热岛效应呈现加重的趋势。随着热岛效应进一步影 响城市，原有的地表辐射热量的平衡状态也随之被打破，与此同时，城市下伏岩 土体内的温度场也随之改变。刘永智盈3 等通过对现场的地温度场的分布及变化过 程的研究，得出地表温度对地温的影响深度可达数米的结论。同时，随着人们生 产和生活空间逐步向地下延伸，热扰动也随之进入地下，使得城市的地下温度呈 现上升趋势。可见，城市不仅在其上空形成一个“热岛 ，在其地下也同时形成 了一个“热岛”。特别是随着现代工业的迅猛发展，城区及近郊将分布越来越多 的点状热源，如工业锅炉、火电厂、供热管道、热车间等，在热源附近的建( 构) 筑物地基受热源影响而引起温度变化，其变化范围可达几十摄氏度或更高。 温度对粘性土介质力学特性的影响是当今岩土工程领域中的一个重大课题， 它在浅表层地热资源开发、热能贮存、供热管道设计等领域有重要的应用价值。 热源( 或取热设施) 周围的粘性土地层在长期的热作用或冷热循环的反复作用下， 必然引起土体中能量的传递和温度场的改变，从而产生附加的地温度场。温度的 变化强度与土层、含水量和地下水等因素有关，其变化范围可达几十度或更高。 温度变化将打破粘性土的热动力平衡，从而对粘性土的工程性质带来很大的影 响，在城市环境下高低温往复作用后土体结构强度如何变化，是否存在土体结构 变化的敏感温度范围，这些都是工程地质必须回答的问题。因此，研究环境温度 影响下土体的强度变化规律，是一个非常有意义的课题。 南宁河流冲击相粘性土结构的热舅u 立研究 1 2 国内外土体结构的研究现状 1 2 1 土体结构研究概述 所谓土的结构性，就是指孔隙性状、土体颗粒、排列形式( 或称组构) 以及 颗粒之间的作用关系。一般来说，天然土都具有一定的结构性，土的工程性质与 此种结构性有密切的关系。土力学的奠基人太沙基最早对土体结构性进行了研 究。 在我国对土体结构研究领域也有相当的成果，施斌教授就对土体结构层次划 分有过总结呤1 。随着科学技术的发展，光学显微镜、偏光显微镜、x 射线衍射等 技术在土的微结构观测中得到了有效的应用与推广。 在工程粘性土微结构研究史上，t e r z a g h i ( 1 9 2 5 ) 最早使用微结构( m i c r o s t r u c t u r e ) 概念，但给微结构以确切定义的第一位学者是w l k u b i b n a ( 1 9 3 8 ) ， 他当时使用的是“组构”( m i c r o f a b r i c ) 一词，其涵义是指土的基质( p l a s m a ) 和骨架( s k e l e t o n ) 的排列及其相互关系。后来，r b r e w e r ( 1 9 6 4 ) 进一步完善 了土的微观形态结构概念，提出了土“结构”或“构造 ( s t r u c t u r e ) 一词，意 指形成复合颗粒( c o m p o u n dp a n i c i e s ) 的基本颗粒和复合颗粒本身以及相应的 孔隙的大小、形状和排列所表现的土的物理构成阳1 。这一概念融入了颗粒的集合 体内容，并突出考虑了颗粒及孔隙的定向性和分布特征，因而反映了更多的结构 信息，具有更加明显的实用价值。所以，将其与现代结构概念比较，就其形态学 内容而言，已是相当的完美了。实际上，它已成为现代“组构 概念的原型。在 以后的研究过程中，人们越来越发现土粒间并不是简单的几何接触关系，而是存 在着多种“联结 ( b o n d ) 形式。在许多情况下，这种联结往往对土的工程性状 ( 特别是土的强度特征) 起到了决定性的作用。于是，以结构联结为突出标志的 现代结构概念纷纷被各家学者大量推出。其中，比较公认的观点是土粒本身的形 状、大小和特征、土粒在空间的排列形式、孔隙状况、粒间接触和联结特征的总 和。尽管如此，由于结构联结到目前为止仍旧难以观测和测定。因此，人们在利 用各种最常用、最直接的形态学观测手段( 如扫描电镜、光学显微镜等) 去研究 微结构时，组构概念似乎更加贴切一些。 2 南宁河流冲击相粘性土结构的舅0 效屋【研究 1 2 - 2 土体结构研究现状 人们根据土体颗粒及孔隙的排列、形状、接触关系的组合形式的不同认识对 土体类型进行划分，从而产生了土体的微结构模型。一定的结构模型实际上是一 类土体的典型土性的集中表现。目前被岩土工程界广泛认可的有蜂窝状结构 ( h o n e y c o m b ) 、片架状结构( c a r d h o u s e ) 。 “蜂窝状结构( h o n e y c o m b ) 是一种最早被人发现的著名结构模型。上世纪 2 0 年代初，t e r z a g h i 在进行粘土悬液的模拟沉积试验时，发现粘粒悬液在电解质 的作用下形成的絮凝沉积物，在一定的上覆荷重压力下将形成一种类似于蜂巢状 的结构模式，于是他首先提出了蜂窝状结构模型。 1 9 2 6 年，g o l d s c h m i d t 提出了“片架状结构”( c a r d h o u s e ) ，l a m b e ( 1 9 5 8 ) 将此结构稍加复杂化，提出了“叠片支架结构 ( b o o k h o u s e ) 。一般来说，学者 们通常认为前者为单个矿物颗粒，后者为呈板状叠置的矿物集合体，但是实际上 这两种结构在接触方式上是完全相同的。 从目前的情况看，学者们往往用一种直观并且有效的方法来描述土的工程地 质和岩土工程性质即粘性土的微细观形态特征所确定的特定结构模型晦3 。学者们 已经在这方面做了很多的定性描述工作，并且卓有成效7 1 。不过，我们仅仅满 足于此是远远不够的，定量描述是必不可少的，也是发展的必然趋势礴3 ，是结构 研究摆脱目前困境的重要出路。 1 3 国内外温控三轴仪的研究现状 近年来，在高压电缆和其它热管线的埋地敷设、为保护地下水免受固体废物 污染的工程覆盖层设计、核废料的地下贮藏、石油气开采、地热开采等领域，同 时国内外学者慢慢的开始关注土的热一水一力耦合过程的研究，于是研制开发探讨 土的热力学性质的仪器设备也就相应的出现了。 在这些领域，欧洲学者们做出了巨大的努力，如：西班牙c a t a l u n y a 工业大 学研制出温控非饱和土固结仪，此固结仪将土样盒置于硅油槽内，用固结仪中的 电热器加热硅油，分别用热电偶测量土样的温度和硅油的温度，基质吸力用轴平 移技术施加，以2 2 。c 8 0 作为这台固结仪的试验温度范围；比利时学者b r u y n 南宁河流冲击相粘性土结构的热舅“豇研究 研制成高温三轴仪，以浸没在压力室的水( 或硅油) 中的铜螺旋管为加热元件， 温度可加到8 0 ( 以水为加热流体) 或1 2 0 ( 以硅油为加热流体) ，这台仪器 存在的不足是试样温度难以保持均匀和稳定；法国路桥大学的s u l t a n 、d e l a g e 和c u i 对g d s 三轴仪进行了改进，用绕在压力室外围的线圈加热，温度可达1 0 0 ，但是这样以来g d s 三轴仪的压力室罩就比较笨重，另外，也存在试样温度不 易保持均匀和稳定的问题。 加拿大学者bw i e b e ，t a n g & dd i x o n 研制了一套高温高压三轴仪。这个三轴 仪的压力室为铝筒，并被放置于绝热罩内，可以承受3 船a 的围压，压力室内充 水( 试验温度为常温时) 或硅油( 试验温度为6 5 1 0 0 时) ，三轴仪用缠绕 在压力室外侧的两条硅油带加热，试样的温度是用两个电阻热元件在试样中部测 量，电阻热元件用硅橡胶带包裹，试样套两层橡胶膜，当试验温度为常温时用乳 胶膜，当试验温度为高温时用一层丁基胶膜和一层硅胶膜。由于增设了绝热罩， 因而压力室内的温度较为均匀稳定，这样以来在温控方面就优于欧洲两家的三轴 仪。加拿大m a n i t o b a 大学的jb l a t z 和jg r a h a m 于世纪之交研制了一套新的高 温高压三轴系统，可承受1 0 肝a 的围压和1 0 0 的高温。这套全新的高温高压三 轴仪系统被置于温控实验室内，温度的波动范围可精确到l 。该系统的最大 特点是用离子溶液上方的水蒸汽平衡控制试样吸力，用热电偶湿度计量测试样总 吸力，这样以来对非饱和土进行高吸力水平试验。 我国的陈正汉等人也研制了一套温控土工三轴仪。该设备采用模块结构，将 三轴仪与恒温箱结合，能经受5 肝a 高压、1 0 0 高温，对温度、吸力、应力、应 变既能较好地控制，也能较准确地量测体变、排水，对气压量测精度高，传压滞 后小，能进行控制温度的饱和土与非饱和土试验旧3 。 1 4 国内外粘性土结构的热效应研究现状 1 4 1 国外学者对温度作用下粘性土力学性质的研究 p a s s w e l l ，s c h i f f m a n ，c a m p a n e l l a 进行了恒定荷载条件下的加热试验并提出 了热固结概念，他们认为孔隙水压力的产生是由土体成份( 固体颗粒和水) 的热 膨胀特性差异造成的。 4 广西大掌硕士学位论文 南宁河流冲击相粘性土结构的热窝u 蕾研究 e r i k s s o n 和l e r o u e i l 对天然软粘土进行了大量的试验研究，这些学者们将温 度对土的压缩和蠕变特性影响与土颗粒间结合水膜厚度的变化及作用的增强或 减弱联系起来，以此来揭示温度对粘性土变形和固结特性的影响。 p m 兹洛切夫斯卡娅主要研究粘土的膨胀性与温度之间的关系n 们， h u e c k e l 等对天然粘性土及重塑粘性土( 在这里主要是指考虑不同的超固结状态) 进行了涉及温度效应的三轴试验( 温度范围大约为1 8 一 1 1 5 ) ，以便研究饱和 粘性土在加热过程中的体积应变。一般来说，粘性土的弹性范围往往会随温度的 增加而减小n 13 。但是，一些学者们通过不同温度下的等温压缩试验，得出了温度 对弹性和塑性压缩系数影响不一致的结论。 1 4 2 国外学者对本构关系的温度响应的研究 对于温度作用下粘性土本构关系的研究，c a m p a n e l l a 等人建立了一个考虑热 效应的粘性土变形响应的基本概念模型。 h u e c k e l 等人分析了饱和粘性土的热力学特性，提出了一个考虑热效应的临 界状态模型，并且用数值来分析计算球域及圆域热源热固结问题的弹( 塑) 问题。 因为材料的粘滞性往往与它的温度效应和应变速率有密切关系。因此，b o u d a l i 等人在大量试验研究的基础上，提出了一个考虑温度效应的一维固结流变模型。 m o d a r e s s i 等人给出了一个热一粘土一塑性本构模型。g a t m i r i 等人建立了饱和 多孔介质的热一水一力学作用耦合模型，并且对此进行了数值模拟计算。 近几年来，c u i 等在大量试验研究基础上，提出了一个考虑温度变化的弹塑 性模型，此模型特别考虑了土的体积变化和超固结效应。在这里要特别指出的是 温度对非饱和粘性土性质的影响是一个重要且有意义的研究方向n 引，在这个方 面，学者们进行了一些有重要意义的工作，例如：提出了考虑温度效应的广义固 结理论。 1 4 3 国内学者对低温条件下冻土性质的研究 我国学者对于温度对岩土介质影响的研究工作开展较多的是有关寒冷地区 低温条件下冻土的力学变形特性以及其工程影响“引。 学者们都比较关注冻土热扰动的研究这个方面，他们把大多数精力都集中在 广西大掌硕士学位论文南宁河流冲击相粘性土结构的热效应研究 研究其冻融循环作用和其水份迁移机理等方面，例如：吴青柏n 4 1 等人研究了寒 区路面下土体温度与天然状态下存在热状态的差异，韩皓口印等人研究了高寒地区 土的物理性质对冻胀性的影响。 如前所述，由温度的变化引起的土体中能量的传递和温度场的改变是一个无 可厚非的事实，而且其强度与土层、含水量和地下水等一系列因素有关6 1 7 1 。据 此推断，土体中温度场的变化有可能“扰动”土体结构强度。 但是，目前现有的著作中大部分讨论的都是高温( 1 0 0 - 2 0 0 ) 如何改变 岩石矿物成份，关于较低温度( 1 0 0 ) 对土体结构强度的影响问题很少有提 及，而且学者们得出的结论差异也非常大。对常温( - 4 - - - + 6 0 ) 常压下粘性 土热效应的研究不仅有重要的理论价值，而且对靠近人工热源、干燥区条件粘性 土性状的预测以及解决土质改良任务的深入研究方都有很大的帮助。 根据前面的论述，我们可以知道，城市环境下温度场的扰动对粘性土结构的 影响是一个很值得研究的课题n 引。粘性土的温度效应问题、冷却速率或冷热循环 的反复作用条件下对其力学特性的影响以及其机理研究是当前岩土工程学科的 前沿课题，它不仅是环境岩土工程学科亟待开拓的研究领域，而且这一研究对地 质环境的合理利用与地质灾害机理研究及其防治也具有十分重要的意义。 1 5 本文的主要研究工作 本文以南宁河流冲积相粘性土为研究对象，采用室内常规试验，分析了温度、 时间两个因素对土体强度的影响规律，并通过x 射线衍射分析从微观角度探讨 了不同温度、时间组合作用后土体的微观变化情况。论文的主要研究内容有： ( 1 ) 温度对含水量变化速率的影响及含水量变化对土样强度的影响； ( 2 ) 通过温控三轴仪对不同含水量的土样在不同温度、时间组合作用后的 抗剪强度实验，来研究温度、时间对抗剪强度变化的影响； ( 3 ) 对抗剪强度发生明显变化的土样，通过x 射线衍射分析从微观角度探 讨不同温度、时间组合作用后土体的微观变化情况。 本文研究工作的技术路线如图1 - 1 所示： 6 广西大掌硕士掌位论文 南宁河流冲击相粘佳土结构的热舅“龟研究 图1 - 1 技术路线 f i g l - 1t e c h n o l o g yr o a d m a p 7 南宁河流冲击相粘性土结构的热效应研究 2 1 概述 第二章试验方案的制定 温度变化引起土体中能量的传递和温度场的改变是一个不争的事实，且其强 度与土层、含水量和地下水等因素有关。热源( 或取热设施) 周围的粘性土地层 在长期的热作用或冷热循环的反复作用下，必然产生附加的温度场，从而使土体 中温度场发生变化，引起土体结构强度的变化，并对粘性土的工程性质带来很大 的影响。因此，常温、常压下粘性土热效应的研究，不仅在理论上有价值，而且 对于干燥区条件粘性土性状的预测和解决土质改良任务也具有重要意义。 2 2 试验相关条件的选取 2 2 1 温度的选取 本文通过对不同温度下的试验结果进行对比分析来揭示温度对粘性土结构 强度的影响规律。研究结果显示，当试验温度差达到一定程度并且温度对粘性土 力学性状的影响大于其它干扰因素的影响时，温度对土体结构强度的影响才能显 现出来。本试验通过温度对粘性土结构强度影响的敏感程度的研究来选择合适的 试验温度范围。 本次研究中试验温度的选择主要基于以下两点：一是研究主题为南宁城市环 境下粘性土微细观结构的热力学行为，条件是在常温常压状态下；二是结合南宁 炎热的气候特点。因此，温度为( 一4 + 6 0 ) 范围。通过试验证明：在实验 室已有的试验设备精度基础上，当温度差为5 时，不同温度对粘性土力学性状 影响实测数据的差异比较小，难以观测到温度作用对粘性土力学性状的影响9 j 。 但是，当温度差为1 0 时，较易通过现有试验设备观测到温度对土体结构强度的 影响，也就是可以观测到温度的改变对粘性土力学性状的影响。 综上所述，本研究采用l o 、2 0 、3 0 、4 0 、5 0 和6 0 作为试验温度， 以此开展常温变幅内的试验研究。 南宁河流冲击相粘性土结构的热旁u 立研究 2 2 2 湿度的选择 本试验主要研究南宁地区的气候环境对该地区土体强度的影响。根据资料显 示：南宁地区月平均相对湿度最大为8 2 ( 出现在3 ，6 ，7 ，8 月) 最小为7 4 ( 出现在l l ，1 2 月) ，变化幅度比较小，故选择年平均相对湿度7 9 r h 作为试 验相对湿度。 1 9 71 2 0 0 0 年南宁月平均相对湿度值 1 0 0 9 5 9 0 螨 羹7 5 菩7 0 6 5 6 0 5 5 5 0 1234567891 01 11 2 月份 图2 - 1 南宁月平均相对湿度 f i g 2 1 t h ea v e r a g em o n t h l yr e l a t i v eh u m i d i t yo fn a n n i n g 2 2 3 时间的选择 2 2 3 1 含水量变化时的时间选择 试验表明，当将试样直接放入恒温恒湿箱时，4 8 d , 时后试样的含水量趋于稳 定。于是，为量测含水量和温度对试样抗剪强度的影响，分别选择作用时间为： 3 小时、6 小时、1 2 d 时、2 4 小时、4 8 d , 时。 2 2 3 2 含水量稳定时的时间选择 直接放入恒温恒湿箱的土样经过4 8 d 时后，其含水量趋于稳定，考虑到温度 的作用时间一般都比较长，故分别选择2 天、5 天、7 天、1 0 天、1 5 天作为温度作 用时间。另外对于套有橡皮套保持含水量不变的土样，考虑到与低含水量的试样 进行对比，也分别选择2 天、5 天、7 天、1 0 天、1 5 天作为温度作用时间。 9 南宁河流冲击相粘性土结构的热效应研究 2 2 4 试验土样含水量的选取 按公路土工试验规程( j t j 0 5 1 9 3 ) 的具体要求进行试验，具体的步骤如 下：先将土风干，然后测定其含水量，按公式计算制备五个不同含水量的试样， 含水量依次相差2 左右。然后进行重型击实，分三层，每层9 8 击。由于试验用的 土塑限为2 4 5 ，故开始配土时，按含水量2 2 ，2 4 ，2 6 ，2 8 ，3 0 配土，进行 重型击实试验( 试样含水量以刚完成击实的试样含水量为准) ，结果如图2 2 含水 量与干密度的关系曲线。 毒 、， 荦 含水量与干密度的关系曲线 2 02 22 42 62 83 03 2 含水量( ) 图2 - 2 含水量与干密度的关系曲线 f i g2 - 2r e l a t i o nc u n r eo fw a t e rc o n t e n ta n dd r yd e n s i 锣 2 2 5 试验制样方法的选择 2 2 5 1 击实制样法 按照公路土工试验规程( t j t 0 5 l 一9 3 ) 的分层击实法进行制样。由于无法 严格控制每个试样的质量，进而影响试样容重，导致固、气相比例不同，最终影 响土样力学性质。 可见，若试样的容重控制不当，利用现有设备，在试验过程中很可能使温度 的影响无法显现，即温度对粘性土结构强度的影响作用将被其它影响因素所掩 u 盯订o 1 0 5 7 5 6 5 5 7 6 5 1 1 1 1 l 1 l 南宁泞毫冲击栩弛土培拘的县燕直研鼻 2 2 5 2 静压制样沽 静压制样法可咀严格控制试样的质量，进而使每个试样的容重保持一致。基 本消除了囡容重的差异而掩盖温度对粘性十结构强度影响的可能。 圈2 3 制样设备 r i g2 3s a m p l ep n p a r a t i o ne q u i p m e a t 2 3 试验方案的制定 圈2 - 4 制样模具 f i g2 - 4s a m p l ep r e p a h t i o n m o l d 本次试验研究：相同相对湿度，不同温度、时问组合作用后，十体强度的变 化规律。具体研究思路为： ( 1 ) 将三轴试样直接放八恒温恒湿箱内，待试样分别在一定温度下作用不 同时间后，在对应的试验温度下利用三轴抗剪试验仪量测土样抗剪强度，并对试 验结果进行对比，研究温度和时间对含水量及十样强度的影响规律。试验的温度、 时间控制及所需试样数见表21 ： 表2 一l 古水量变化时的温度、时间控制及试样数量 o 小时3 小时 6 小时1 2 d , 时2 4 小时4 8 j , 时 l o 4 2 0 4 3 0 44 4 0 4 4 5 0 44 6 0 44 4 南宁河流冲击相粘佳土结构的热效应研究 ( 2 ) 在含水量变化趋于稳定的情况下，再将三轴试样分别置于一定温度下 作用不同时间，并在对应的试验温度下利用三轴抗剪试验仪量测土样的抗剪强 度，对试验结果进行比较，研究温度和时间对土样抗剪强度的影响规律。试验的 温度、时间控制及所需试样数见表2 - 2 ： 表2 - 2 含水量趋于稳定时的温度、时间控制及试样数量 泌2 2 天5 天7 天1 0 天 1 0 4444 2 0 4444 3 0 4444 4 0 4444 5 0 4444 6 0 4444 ( 3 ) 将三轴试样套上橡皮套( 控制试样内水份向外迁移) ，分别在一定的温 度下作用不同时间，并在对应的试验温度下利用三轴抗剪试验仪量测土样的抗剪 强度，对试验结果进行比较，研究温度和时间对土样抗剪强度的影响规律。试验 温度时间控制及所需试样数见表2 - 3 ： 表2 - 3 控制水份迁移时的温度、时间控制及试样数量 。 温n 0 天2 天5 天7 天1 0 天1 5 天 1 0 4 4444l 2 0 44444 | 3 0 44444l 4 0 44444| 5 0 4 44444 6 0 444444 ( 4 ) 将套有橡皮套并在不同温度下放置一定时间的三轴试样再置于常温( 2 0 ) 下一段时间，然后在常温下利用三轴抗剪试验仪量测土样的抗剪强度，与未 在常温下放置的试样进行对比，研究热源的消失对土体抗剪强度的影响规律。试 验温度时间控制及所需试样数见表2 4 ： 表2 _ 4 控制水份迁移并静置3 天时的温度、时间控制及试样数量 温间5 天静置3 天l o 天静置3 天1 5 天静置3 天 蘑 3 0 44| 4 0 44 | 5 0 444 6 0 444 1 2 广西大掌硕士掌位论文南宁河流冲击相粘佳土结构的热效应【研究 ( 5 ) 为使试验结果能更好的应用于工程实践，与试验中重塑土样进行对比， 将少量的原状土试样置于5 0 、6 0 。c 下作用1 0 天，并在相应的温度下利用三轴抗 剪试验仪量测土样的抗剪强度，以观察对比重塑土与原状土对温度的敏感度。 m t # m # l 日l 第三章温度对粘性土物理表现的试验研究 3 1 河流冲积相粘性土的基本物理性质指标 3 1 1 试验土样 南宁市区位于南宁盆地的中西部，四周为低山丘陵( 标高一般2 0 0 4 0 0 m ) 围绕。邕江自西向东呈“之”字形蜿蜒穿过市区，发育形成冲税平原，整个市区 展布于黾江多级阶地上，一级阶地高程6 9 7 5 m ，二级阶地高程7 5 8 0 m ，三级 阶地高程8 2 8 5 ，其中标高为7 0 8 0 m 的一、二级阶地的面税虽大，占市区总 而积的8 0 以上，显示出市区中心区较为平坦的地势。错落有致的各级阶地，环 绕盆地的低山丘陵，缓缓流过市区的邕江，构成丁南宁市地貌的总格架”。 室内模型试验采用南宁市内分布广泛的河流冲积相粘性土，所用试验用土取 自南宁港附近心圩江江岸。该处位于南宁盆地第二级阶地，该区域地形平缓，自 然坡度小，无明显陡坎，地表土多呈荻、灰白及灰黄色，上层颗粒细腻切面光 滑，局部见铁质红色结核，属冲积相粘性士。取七深度在15 25 m 。 3 1 2 基本物理性质指标 圈3 - 1 取土现场 f k 3 - 1s e l e c t t h es o i l 广西大掌硕士掌位论文南宁河流冲击相粘性- = l 结构的热效应研究 表3 - 1 试验用土的基本物理性质指标 天然含水量天然干密度液限塑限自由膨胀率 ( ) ( g c m 3 ) 比重塑性指数 ( )( )( ) 2 9 o1 6 72 6 8 4 4 62 4 52 0 12 5 o 3 2 试验土样含水量的变化 张一平瞻”等用直径8 0 r a m ，长1 3 8 r a m 的塑料筒，装入通过2 m m 筛孔的土样， 制成长1 3 0 r a m 的人工土柱，密度为1 3 5 9 c m ，每个土样的起始含水量为2 4 ，研 究了温度对非饱和土壤水分运动的影响。结果表明，温度对土壤水势具有明显的 影响，在一定的含水量时，皆呈现随温度升高土壤水势增大的趋势。因此温度升 高有助于土壤水份的蒸发。 3 2 1 试验过程 待每个温度段不同作用时间的四个土样完成剪切试验后，分别取芯测含水 量，然后取平均值。 3 2 2 试验结果 在1 04 c 、相对湿度7 9 r h 环境下的试样，经不同时间后的含水量变化如图 3 2 示： 3 0 2 5 芝2 0 型1 5 如1 0 a 0 o1 02 03 04 05 06 0 时间h 图3 - 21 0 含水量变化 f i g 3 - 2 1 0 2 2 w a t e rc o n t e n tc h a n g e 广西大掌硕士学位论文南宁河流冲击相粘性土髭匈的热效应研究 在2 0 。c 、相对湿度7 9 r h 环境下的试样，经不同时间后的含水量变化如图 3 3 示： 01 0 2 03 04 05 06 0 时问h 图3 - 32 0 含水量变化 f i g 3 - 3 2 0 c w a t e rc o n t e n tc h a n g e 在3 0 。c 、相对湿度7 9 r h 环境下的试样，经不同时间后的含水量变化如图 3 4 示： 3 0r 2 5 嚣 缸1 0 5 0 o1 0 2 03 04 05 06 0 时间h 图3 - 43 0 含水量变化 f i g 3 - 4 3 0 w a t e rc o n t e n tc h a n g e 在4 0 。c 、相对湿度7 9 r h 环境下的试样，经不同时间后的含水量变化如图 3 5 示： 3 0r 2 5 芝2 0 霪1 5 如1 0 a 0 01 02 03 0 4 05 06 0 时间h 图3 - 54 0 含水量变化 拍 加 坫 加 5 o 删* 缸 南宁河流冲击相粘性土结构的热效应【研究 在5 0 v 、相对湿度7 9 r h 环境下的试样，经不同时间后的含水量变化如图 3 6 示： 2 5 誉2 0 寞1 5 如1 0 0 0 01 02 0 3 04 05 06 0 时间h 图3 - 65 0 含水量变化 f i g 3 65 0 w a t e rc o n t e n tc h a n g e 在6 0 v 、相对湿度7 9 r h 环境下的试样，经不同时间后的含水量变化如图 3 7 示： 誉 捌 * 缸 3 2 3 结果讨论 0 1 02 03 04 05 06 0 时间h 图3 76 0 含水量变化 f i 9 3 - 76 0 c w a t e rc o n t e n tc h a n g e 在外界作用温度、湿度相同的情况下，随着作用时间的持续，试验土样的含 水量发生明显变化，并趋于一个稳定值。 3 3 粘土的三轴剪切试验 3 3 1 试验仪器及设备 本试验中，对土样强度进行测试的仪器为t s z 全自动三轴仪( 图3 8 ) ，主 南宁再- 土冲击# 精t 土培柑募m 直研究 要由试验机、压力室、测控柜、水槽四部分组成，仪器主要技术参数如下 ( 1 ) 土试样尺寸：0 = 3 91 m ，o = 6 18 m m ： ( 2 ) 轴向输出力：0 1 0 k n ： ( 3 ) 周围压力：o 2 h 俨a ： ( 4 ) 反压力：0 2 肝a ； ( 5 ) 孔隙水压力：o 2 m p a ； ( 6 ) 剪切速率：00 0 2 4 24 衄i n i n ： 本试验中，对土样进行温度及湿度控制的仪器为i 州t 3 0 1 p 型可编程高低温湿 热试验箱( 图39 ) 。仪器主要参数如下： ( 1 ) 工作室尺寸：d 4 5 0 x w 5 0 0 h 6 0 0 ( m m ) ； ( 2 ) 温度范围：一3 0 1 0 0 ： ( 3 ) 湿度范围：5 9 8 rh ： 图3 1 8t s z 全自动三轴投 p i g j - 8 t h ec o m p l e t e l ya u t o m a t i c t r i a x i a le q u i p m e n to f t s z 3 32 三轴不同结不捧水剪切试验 图3 9h u t 3 0 1 p 型可编程高低温湿热箱 f i g 3 - 9h u t 3 0 1 pp r o g r a m m a b t eh i g ha n d l o wt e m p e r a t u mh u m i d i t yb o x 在试验温度环境f 取一批试样，放入恒温恒湿箱内，并将温度设定为试验方 案中预先确定的温度，相对湿度7 9 rh 环境下；分别于3 小时、6 小时、1 2 小 时、2 4 小时、4 8 小时后将试样取出，进行三轴不固结不排水剪切试验。 将完成温度作用的每组四个试样，分别在l o o k p a 、2 0 0 k p a 、3 0 0 k p a 、4 0 0 k p a 的周围压力和相应的试验温度条件下开始开展不固结不排水剪切实验。在实验过 程中，将剪切速度确定为06 舢m i n 。如有峰值出现，则继续剪切“6 后结 南宁河流冲击相粘性土结构的热旁“旺研究 束试验；如无峰值出现，则当轴向应变达到1 8 - - 2 0 时结束试验。 3 3 3 试验结果及分析 试验中，分别在l o o k p a 、2 0 0 k p a 、3 0 0 k p a 、4 0 0 k p a 的围压f 进行不崮结不 排水试验。其中，试验数据的整理按式3 一l 进行陇1 ： ( 0 - 1 - 0 - 3 ) = 凳1 0 3 1 式中： q 、仃，分别为大、小主应力，k p a ； c 测力计率定系数，n o 0 l i r a ； r 测力计读数，0 0 1 m m ： 4 一试样校正断面积，c m 2 ；42 击 其中：4 试样的初始断面积，c m 2 ； s 。轴向应变；s 。：警 ，；d 其中：忽剪切时试样高度变化，由轴向位移计测得，c m 。 1 9 m m f 在1 0 、相对湿度7 9 rh 环境下的试样，经不同时间后的应力一应变曲线 如图3 一l o 示： 一m 一。n 口。 ( 5 ) 2 4 小时( 6 ) 4 8 小时 图31 0试样在1 0 不同时间的应力一应变曲线图 f i 9 3 - i o t b es t n s s -