反壓飽和法基本原理

常規(guī)反壓飽和的基本原理是，通過外界的加壓裝置提供一個大反壓力，將除氣水壓入土樣之中，從而使試樣孔隙水壓力升高，待孔隙水壓力提高到一定程度時，土樣中的殘余空氣將會在壓力作用下溶解在水中，從而實現(xiàn)土樣的飽和。大量的試驗證明，對于連通性較好的土，使用反壓飽和可使土樣達(dá)到較高的飽和度，并且可以提高試樣的飽和效率。

利用反壓飽和法飽和土樣時，由于施加反壓會導(dǎo)致土樣的孔隙水壓力升高，為了保證試樣在飽和過程中不被破壞，試驗時首先要對試樣施加一級周圍預(yù)壓力，然后逐級增加反壓，當(dāng)增加反壓時，圍壓也同時增加，圍壓與反壓之間應(yīng)始終保持一定的的壓差。

根據(jù)Skempton 孔壓系數(shù)B值可以判斷試樣的飽和情況，B值可通過公式計算：

其中Δδ₃為某一級圍壓增量，ΔU 為該級圍壓增量所引起的孔隙水壓力增量。根據(jù)國內(nèi)外規(guī)范的規(guī)定，對于砂土，如果B≥0.95，或者當(dāng)B 值達(dá)不到0.95 且圍壓和反壓連續(xù)增加3 級而B 值保持不變或減小，則認(rèn)為土樣飽和; 否則，再繼續(xù)增加圍壓和反壓至試樣飽和。

黃土是一種具有大孔性和弱膠結(jié)性的典型第四紀(jì)沉積物，在水和動荷載作用下極易產(chǎn)生滑坡、震陷和液化等巖土工程病害。20 世紀(jì)80 年代末以來，研究人員對黃土地區(qū)震害實例的分析結(jié)果表明: 飽和及高含水率的黃土在地震作用下較易產(chǎn)生液化，這種現(xiàn)象在宏觀上表現(xiàn)為場地大面積沉陷或斜坡失穩(wěn)及泥流，具有較高的致災(zāi)性。進(jìn)入21 世紀(jì)以來，我國中西部黃土地區(qū)工程建設(shè)方興未艾，大中城市開始向河谷高階地及大厚度黃土塬區(qū)大規(guī)模擴(kuò)展，城市給排水及農(nóng)業(yè)灌溉條件的改善使得局部地下水位上升，使得黃土存在較高的潛在地震液化勢，黃土地基抗液化處理成為工程建設(shè)所面臨的新課題，為建筑抗震安全性提出了新的考驗。

黃土地震液化研究的方法多參考有關(guān)規(guī)范中砂土液化的研究方法，基于動三軸試驗的室內(nèi)綜合判別法是評價場地地震液化勢的有效手段之一，而試樣飽和是決定試驗成的敗最關(guān)鍵步驟。相比于砂土，黃土由于其特殊的結(jié)構(gòu)性，水的作用下土顆粒之間起膠結(jié)作用的可溶性鹽類溶解使得黃土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低，處于亞穩(wěn)態(tài)，易在外力作用下產(chǎn)生變形; 再者，由于黃土中存在封閉的孔隙，短時內(nèi)水難以進(jìn)入這些孔隙中，使得土體的飽和度較低。因此，如何平衡飽和效率、試驗穩(wěn)定性與飽和度的關(guān)系，是解決黃土動三軸液化試驗技術(shù)問題的關(guān)鍵所在。

20 世紀(jì)90 年代，蘭州地震研究所的研究人員提出的脫氣水位循環(huán)差法可使黃土試樣的飽和度在較短時間內(nèi)( 一般在1h 以內(nèi)) 達(dá)到80%以上，又不致使試樣的結(jié)構(gòu)在飽水過程中破壞。近年來，國內(nèi)外研究人員將反壓飽和法應(yīng)用到了黃土領(lǐng)域，以求獲得更高的飽和度和飽和效率。

黃土具有特殊的結(jié)構(gòu)性，對不同地區(qū)的結(jié)構(gòu)性黃土的電鏡掃描和粒度分析試驗結(jié)果表明，黃土中的粗顆粒在沉積過程中形成了具有不同大小孔隙的土骨架，而細(xì)顆粒多分布在粗顆粒之間，在粗顆粒之間產(chǎn)生膠結(jié)作用。黃土中的孔隙主要分為架空孔隙和封閉孔隙兩種形式，架空孔隙一般為較大的孔隙，具有較好的連通性，而封閉孔隙則以中小孔隙為主，連通性較差。常壓浸水飽和時，由于結(jié)構(gòu)性的影響，封閉孔隙內(nèi)難以進(jìn)水，孔隙內(nèi)的氣體無法排出，試樣在飽和時無法達(dá)到較高的飽和度; 再者，黃土遇水后結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的弱化具有時間效應(yīng)，即水的長時作用下黃土中細(xì)顆粒的膠結(jié)作用開始向潤滑作用轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致了土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度弱化，在一定的外力作用下黃土的結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生變形破壞。

鑒于黃土具有以上的性質(zhì)，動三軸液化試驗中使用常規(guī)的大反壓飽和技術(shù)飽和黃土試樣存在兩點(diǎn)局限性:

( 1) 試驗技術(shù)方面，由于反壓飽和的原理是利用人工施加的大壓力壓縮試樣內(nèi)部及橡皮膜與試樣之間的空氣，使之溶于水中，從而使土樣達(dá)到飽和。由于黃土是一種典型的結(jié)構(gòu)性土，飽和過程中過大的孔壓會對黃土的結(jié)構(gòu)造成破壞。

( 2) 飽和判別標(biāo)準(zhǔn)方面，黃土在浸水時可溶鹽的溶解和孔壓升高時封閉孔隙內(nèi)進(jìn)水導(dǎo)致了其在飽和時孔隙水壓力消散，使得孔隙水壓力增量遠(yuǎn)小于圍壓增量，而黃土具有結(jié)構(gòu)性，飽和過程中施加大的反壓力以及飽和時間過長都會破壞黃土的結(jié)構(gòu)，因此在飽和過程中B 值往往遠(yuǎn)小于0． 95，砂土反壓飽和的判別標(biāo)準(zhǔn)在黃土液化試驗反壓飽和中不再適用。

中國地震局蘭州地震研究所的研究人員在動三軸液化試驗中采用了脫氣水位循環(huán)差法飽和黃土試樣，通過≥1m的水頭使脫氣水自試樣底部進(jìn)入，并使空氣逐漸從試樣頂部排出，待進(jìn)水與出水的體積相同時，認(rèn)為試樣飽和。這種方法可使黃土試樣的飽和度在較短時間內(nèi)( 一般在1h 以內(nèi)) 達(dá)到80% 以上，又不致使試樣的結(jié)構(gòu)在飽水過程中破壞，試驗成功率高。不難發(fā)現(xiàn)，該方法的實質(zhì)是利用水頭產(chǎn)生的約10kPa 的壓力使除氣水緩慢浸入試樣，但是由于該壓力較小，無法使水進(jìn)入封閉孔隙中，致使試樣的飽和度較低; 再者，該方法的飽和時間取決于試樣的密度和結(jié)構(gòu)性，對于不同試樣飽和效率存在較大差異，且飽和度難以精確控制，離散性較大。

綜上所述，考慮黃土結(jié)構(gòu)特性，常規(guī)反壓飽和方法應(yīng)用于黃土液化試驗中會對其結(jié)構(gòu)性產(chǎn)生破壞，存在較大的局限性，而脫氣水位循環(huán)差法雖然能夠得到均勻的飽和試樣，然而試驗過程中耗時較長，不利于提高實驗效率，仍存在一定的局限性。因此，在黃土動三軸液化試驗中有必要對其試驗方法進(jìn)行改進(jìn)。

研究中利用WF－12440 型動三軸扭剪試驗系統(tǒng)，考慮黃土的結(jié)構(gòu)性和水敏性，參照脫氣水位循環(huán)差法對反壓飽和技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)。試驗技術(shù)方面，為了確保黃土試樣的穩(wěn)定性，飽和時所施加的反壓最大值不超過該圍壓下飽和黃土的靜強(qiáng)度; 考慮使封閉孔隙中充分進(jìn)水以提高黃土的飽和度，同時避免孔隙水壓力過大導(dǎo)致黃土整體結(jié)構(gòu)性損壞，試驗中應(yīng)不斷打開孔隙水壓力閥排氣。

飽和判別標(biāo)準(zhǔn)方面，當(dāng)B 值在圍壓和反壓連續(xù)增加3 級時保持不變或減小，或者試樣中進(jìn)水量與出水量體積相同，則認(rèn)為試樣飽和。

研究中采用改進(jìn)后的反壓飽和技術(shù)，對取自蘭州、固原和天水的57 個黃土試樣進(jìn)行了飽和試驗，飽和后試樣飽和度統(tǒng)計結(jié)果如圖1所示。

統(tǒng)計結(jié)果表明，通過改進(jìn)后的反壓飽和技術(shù)飽和黃土試樣，其在1h 的飽和時間內(nèi)飽和度范圍大多在90% ～ 99% 之間，平均飽和度達(dá)到了94． 3%，在較短的飽和時間內(nèi)達(dá)到了《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》( GB50025 － 2004) 中關(guān)于飽和黃土飽和度的要求。而對以上試樣在飽和過程中產(chǎn)生的靜應(yīng)變值統(tǒng)計結(jié)果表明，其均值僅為0． 21%，為了驗證利用該方法飽和后試樣結(jié)構(gòu)的完好情況，研究中開展了飽和前后原狀黃土試樣的微結(jié)構(gòu)掃描電鏡分析試驗，結(jié)果如圖2 所示?？梢钥闯?，飽和前后原狀黃土試樣的微結(jié)構(gòu)變化甚微。綜上所述，利用低反壓飽和方法飽和黃土試樣，較好的解決了黃土飽和過程中飽和效率、試驗穩(wěn)定性與飽和度的關(guān)系，對黃土具有較好的適用性。

反壓臺的設(shè)計依據(jù)控制極限平衡區(qū)發(fā)展范圍的原理來進(jìn)行，雖然這個方法理論上還不完善，但實際工程說明它與其他方法相比更符合實際。在路堤的兩側(cè)（或一側(cè)）填筑適當(dāng)高度（一般低于極限高度）與適當(dāng)寬度的反壓臺（護(hù)道），在護(hù)道荷重的作用下，形成反向力矩來平衡路堤填土的滑動力矩，從而保證路堤的穩(wěn)定。

以反壓土體重量改變地基的應(yīng)力狀態(tài)和變形條件，它可以壓制地基因加荷的不均勻而出現(xiàn)的塑性擠出和地面隆起的趨勢，還能使軟土地基得到部分固結(jié)，從而提高了反壓平臺下面地基的強(qiáng)度，特別是對排水條件比較好的薄層軟土，效果尤為顯著。

反壓臺的尺寸可參照當(dāng)?shù)亟?jīng)驗選定，如無經(jīng)驗參考時，則通過試算法假定多個反壓平臺尺寸h和L，用圓弧滑動法找出路堤邊坡最小安全系數(shù)，并使最小安全系數(shù)滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，也可根據(jù)在路堤自重作用下發(fā)生的極限平衡區(qū)和極限平衡發(fā)展的寬度L’來確定。

為了利于地基受力平衡，反壓護(hù)道通常在路堤兩側(cè)對稱布置。當(dāng)軟土層較薄且下臥層有橫向坡度時，可在路堤兩側(cè)采用不等寬的反壓護(hù)道。在橫坡下方（軟土層較厚的一方）護(hù)道應(yīng)寬些，反之應(yīng)窄些；反壓護(hù)道有單級、多級形式，這與軟土分布范圍有關(guān)，一般為單級但在軟土分布較窄的地方也可以采用多級形式。

我國在軟弱粘土地區(qū)進(jìn)行了關(guān)于反壓法來穩(wěn)定地基的試驗研究工作，為使用反壓法處理軟土地基提供了依據(jù)。如我國連云港利用拋石護(hù)坡，大大降低了工程造價；鐵路和公路交通部門用反壓法改善路堤的穩(wěn)定性，另外還有港口護(hù)岸，平衡圍堤等都積累了許多成功的經(jīng)驗。 2100433B

在飽和區(qū)內(nèi)，晶體管集電極和發(fā)射極間電壓叫做飽和壓降，用U(CES)表示。對于小功率晶體管，其數(shù)值約為0.2~0.3V；對于大功率晶體管，其值往往超過1V。2100433B

采用反壓馬道加固地基，不需特殊的機(jī)具設(shè)備和材料，施工簡易方便，但占地多，土用量大，后期沉降大，以后的養(yǎng)護(hù)工作量也大。

反壓馬道是在路堤兩側(cè)填筑一定寬度和一定高度的護(hù)道。它運(yùn)用力學(xué)平衡以保持路基的穩(wěn)定。

反壓馬道一般采用單級形式，由于反壓馬道本身的高度不能超過極限高度，所以反壓馬道適用于路堤高度不大于極限高度的1%倍的情況。

反壓馬道填料材質(zhì)應(yīng)符合設(shè)計要求，一般和路堤使用同一填筑材料。2100433B

軟土地基路堤反壓馬道施工時應(yīng)遵守的規(guī)定如下 ：

（1）填料材質(zhì)應(yīng)符合設(shè)計要求。

（2）反壓馬道施工宜與路堤同時填筑；分開填筑時，必須在路堤達(dá)臨界高度前將反壓馬道筑好。

（3）反壓馬道壓實度應(yīng)達(dá)到《公路土工試驗規(guī)程》（JTG E40-2007）重型擊實試驗法測定的最大干密度的90%，或滿足設(shè)計提出的要求。

在軟土地基上建筑高填土的路基，由于原地基承載能力差，為了防止土基失穩(wěn)，采用在高填土兩側(cè)一定寬度的土基上培土，做成起反壓作用的護(hù)道，以增加邊荷載的措施，保持原地基的穩(wěn)定性。為了保證護(hù)道本身的穩(wěn)定，護(hù)道高度采用路堤高的1/3～1/2較為合理。當(dāng)填土高度過高時，可采用多級護(hù)道。反壓馬道施工時，應(yīng)與路堤一起按全寬同時填筑，切忌先填路堤后填護(hù)道，以免施工時發(fā)生坍滑。