反壓飽和法研究背景

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(dòng)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(lái)，研究人員對(duì)黃土地區(qū)震害實(shí)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(chǎng)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(lái)，我國(guó)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(shì)，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(yàn)。

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(dòng)三軸試驗(yàn)的室內(nèi)綜合判別法是評(píng)價(jià)場(chǎng)地地震液化勢(shì)的有效手段之一，而試樣飽和是決定試驗(yàn)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(shí)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(yàn)穩(wěn)定性與飽和度的關(guān)系，是解決黃土動(dòng)三軸液化試驗(yàn)技術(shù)問(wèn)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(shí)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(guò)程中破壞。近年來(lái)，國(guó)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。

常規(guī)反壓飽和的基本原理是，通過(guò)外界的加壓裝置提供一個(gè)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(shí)，土樣中的殘余空氣將會(huì)在壓力作用下溶解在水中，從而實(shí)現(xiàn)土樣的飽和。大量的試驗(yàn)證明，對(duì)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(shí)，由于施加反壓會(huì)導(dǎo)致土樣的孔隙水壓力升高，為了保證試樣在飽和過(guò)程中不被破壞，試驗(yàn)時(shí)首先要對(duì)試樣施加一級(jí)周圍預(yù)壓力，然后逐級(jí)增加反壓，當(dāng)增加反壓時(shí)，圍壓也同時(shí)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(guò)公式計(jì)算：

其中Δδ₃為某一級(jí)圍壓增量，ΔU 為該級(jí)圍壓增量所引起的孔隙水壓力增量。根據(jù)國(guó)內(nèi)外規(guī)范的規(guī)定，對(duì)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(jí)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。

黃土具有特殊的結(jié)構(gòu)性，對(duì)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(yàn)結(jié)果表明，黃土中的粗顆粒在沉積過(guò)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(shí)，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(wú)法排出，試樣在飽和時(shí)無(wú)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(shí)間效應(yīng)，即水的長(zhǎng)時(shí)作用下黃土中細(xì)顆粒的膠結(jié)作用開始向潤(rùn)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(dòng)三軸液化試驗(yàn)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(yàn)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(guò)程中過(guò)大的孔壓會(huì)對(duì)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(shí)可溶鹽的溶解和孔壓升高時(shí)封閉孔隙內(nèi)進(jìn)水導(dǎo)致了其在飽和時(shí)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(guò)程中施加大的反壓力以及飽和時(shí)間過(guò)長(zhǎng)都會(huì)破壞黃土的結(jié)構(gòu)，因此在飽和過(guò)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(yàn)反壓飽和中不再適用。

中國(guó)地震局蘭州地震研究所的研究人員在動(dòng)三軸液化試驗(yàn)中采用了脫氣水位循環(huán)差法飽和黃土試樣，通過(guò)≥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(shí)，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(shí)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(guò)程中破壞，試驗(yàn)成功率高。不難發(fā)現(xiàn)，該方法的實(shí)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(wú)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(shí)間取決于試樣的密度和結(jié)構(gòu)性，對(duì)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(yàn)中會(huì)對(duì)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(yàn)過(guò)程中耗時(shí)較長(zhǎng)，不利于提高實(shí)驗(yàn)效率，仍存在一定的局限性。因此，在黃土動(dòng)三軸液化試驗(yàn)中有必要對(duì)其試驗(yàn)方法進(jìn)行改進(jìn)。

研究中利用WF－12440 型動(dòng)三軸扭剪試驗(yàn)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(duì)反壓飽和技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)。試驗(yàn)技術(shù)方面，為了確保黃土試樣的穩(wěn)定性，飽和時(shí)所施加的反壓最大值不超過(guò)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(shí)避免孔隙水壓力過(guò)大導(dǎo)致黃土整體結(jié)構(gòu)性損壞，試驗(yàn)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(jí)時(shí)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(duì)取自蘭州、固原和天水的57 個(gè)黃土試樣進(jìn)行了飽和試驗(yàn)，飽和后試樣飽和度統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖1所示。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，通過(guò)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(shí)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(shí)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(duì)以上試樣在飽和過(guò)程中產(chǎn)生的靜應(yīng)變值統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，其均值僅為0． 21%，為了驗(yàn)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(yàn)，結(jié)果如圖2 所示。可以看出，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(guò)程中飽和效率、試驗(yàn)穩(wěn)定性與飽和度的關(guān)系，對(duì)黃土具有較好的適用性。

反壓臺(tái)的設(shè)計(jì)依據(jù)控制極限平衡區(qū)發(fā)展范圍的原理來(lái)進(jìn)行，雖然這個(gè)方法理論上還不完善，但實(shí)際工程說(shuō)明它與其他方法相比更符合實(shí)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(tái)（護(hù)道），在護(hù)道荷重的作用下，形成反向力矩來(lái)平衡路堤填土的滑動(dòng)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(shì)，還能使軟土地基得到部分固結(jié)，從而提高了反壓平臺(tái)下面地基的強(qiáng)度，特別是對(duì)排水條件比較好的薄層軟土，效果尤為顯著。

反壓臺(tái)的尺寸可參照當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)選定，如無(wú)經(jīng)驗(yàn)參考時(shí)，則通過(guò)試算法假定多個(gè)反壓平臺(tái)尺寸h和L，用圓弧滑動(dòng)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(jì)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(lái)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(duì)稱布置。當(dāng)軟土層較薄且下臥層有橫向坡度時(shí)，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(jí)、多級(jí)形式，這與軟土分布范圍有關(guān)，一般為單級(jí)但在軟土分布較窄的地方也可以采用多級(jí)形式。

我國(guó)在軟弱粘土地區(qū)進(jìn)行了關(guān)于反壓法來(lái)穩(wěn)定地基的試驗(yàn)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(guó)連云港利用拋石護(hù)坡，大大降低了工程造價(jià)；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(yàn)。 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(duì)于小功率晶體管，其數(shù)值約為0.2~0.3V；對(duì)于大功率晶體管，其值往往超過(guò)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(jiǎn)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(jí)形式，由于反壓馬道本身的高度不能超過(guò)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(jì)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(shí)應(yīng)遵守的規(guī)定如下 ：

（1）填料材質(zhì)應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求。

（2）反壓馬道施工宜與路堤同時(shí)填筑；分開填筑時(shí)，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(shí)度應(yīng)達(dá)到《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E40-2007）重型擊實(shí)試驗(yàn)法測(cè)定的最大干密度的90%，或滿足設(shè)計(jì)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(guò)高時(shí)，可采用多級(jí)護(hù)道。反壓馬道施工時(shí)，應(yīng)與路堤一起按全寬同時(shí)填筑，切忌先填路堤后填護(hù)道，以免施工時(shí)發(fā)生坍滑。