高壓縮性紅土的真空預(yù)壓實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

尹虹 李濤 王丹

摘 要：紅土有著其特有的不良土工特性，影響了工程的安全性。為此，在測(cè)試研究區(qū)紅土土工特性的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了真空預(yù)壓加固紅土的實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明研究區(qū)紅土有高壓縮性和低強(qiáng)度特性，設(shè)計(jì)了紅土的真空預(yù)壓實(shí)驗(yàn)裝置。為研究真空預(yù)壓技術(shù)處理貴州西部紅土提供了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：紅土；高壓縮性；真空預(yù)壓；六盤水

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.10.222

0 前言

被譽(yù)為紅土高原的云貴高原，是世界上紅土分布最廣、規(guī)模較大的地區(qū)之一 。因此就研究紅土的性質(zhì)特點(diǎn)而言，云貴高原是世界上比較理想的天然地帶。當(dāng)然，貴州省六盤水市紅土分布也是較為廣闊的，此次就以其高壓縮性特點(diǎn)進(jìn)一步探索。

紅土是由巖石在濕熱氣候條件下經(jīng)歷了一定的風(fēng)化作用，而形成的一種含較多粘粒，高強(qiáng)度、高壓縮性且富含鐵、鋅氧化物膠結(jié)的紅色粘性土。并且是一種處于飽和狀態(tài)、孔隙比較大、以硬塑和可塑狀態(tài)為主、高壓縮性。處于亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候條件下的六盤水市紅土為碳酸鹽類巖石，經(jīng)殘積或局部坡積而形成的紅褐色的粘性土。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)紅土的研究較多，有開展力學(xué)特性研究，有開展工程特性研究，其相關(guān)的處理措施也比較豐富，但很少見采用真空預(yù)壓處理紅土的室內(nèi)研究，特別是缺少相關(guān)的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究裝置。

由于紅土的特性，本文計(jì)劃基于六盤水地區(qū)紅土物理特性測(cè)試的基礎(chǔ)上，開展針對(duì)紅土真空預(yù)壓實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

1 研究區(qū)紅土特性

為有針對(duì)性開展真空預(yù)壓實(shí)驗(yàn)，對(duì)研究區(qū)紅土的基本特性進(jìn)行了研究，分別進(jìn)行了含水率和固結(jié)實(shí)驗(yàn)的測(cè)試。具體內(nèi)容如下：

1.1 含水率測(cè)試

對(duì)4組紅土的含水率進(jìn)行了測(cè)試，4組紅土分別取自六盤水師范學(xué)院區(qū)域內(nèi)的表層紅土，取樣深度在0.2～2m，取樣的時(shí)間前后2天內(nèi)沒有降水。取樣后在室內(nèi)進(jìn)行含水率測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

1.2 固結(jié)實(shí)驗(yàn)

在研究區(qū)獲取紅土，通過重塑得到密度1.75 g/cm3，比重2.6 g/cm3，含水率40.18%，高度2cm，孔隙比1.11，顆粒凈高0.95cm的試樣。對(duì)該試樣進(jìn)行快速固結(jié)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

1.3 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分析

綜合以上實(shí)驗(yàn)，結(jié)合研究區(qū)的地質(zhì)條件可以分析得出：

（1）六盤水地區(qū)的紅土由于平均降水量在300～400毫米，導(dǎo)致紅土液限較大、含水較多，飽和度常大于80%，土常處于硬塑至可塑狀態(tài)，故具有較高的壓縮性；

（2）研究區(qū)紅土孔隙比一般較大，變化范圍也大，尤其是殘積紅土的孔隙比常超過0.9，甚至達(dá)2.0。前期固結(jié)壓力和超固結(jié)比很大，除少數(shù)軟塑狀態(tài)紅土外，均為超固結(jié)土，一般常具有中等偏低的壓縮性[1]；

（3）研究區(qū)強(qiáng)度變化范圍大，且比淤泥質(zhì)土強(qiáng)度高，需區(qū)分對(duì)待紅土與淤泥質(zhì)土[2]；

（4）研究區(qū)紅土膨脹性極強(qiáng)，且具有較高收縮性，這與粒度、礦物、膠結(jié)物等情況有關(guān)。

1.4 研究區(qū)區(qū)紅土可能存在的工程問題

在土地質(zhì)化作用的差異化影響下，貴州東部與中部地區(qū)紅土的土性分布較為均勻，具有含水率高、孔隙比高、塑性高、強(qiáng)度高及較高壓縮性等特點(diǎn)；相比之下，貴州西部地區(qū)的分布情況不均勻，存在軟土具有壓縮性高、強(qiáng)度低等特性，其中最為突出的是，同一塊場(chǎng)地中的地層壓縮性能存在不均勻分布的情況。紅土主要的工程地質(zhì)問題為具有一定的膨脹性、底部常有軟土，容易引起地基變形和地面塌陷，且六盤水紅土地區(qū)雨量大，降雨集中，有時(shí)一次降雨可達(dá)300毫米以上，水土流失會(huì)比較嚴(yán)重，強(qiáng)烈的失水收縮會(huì)使紅土的裂縫較為發(fā)育，破壞了紅土體本有的性質(zhì)和完整性，降低了土的強(qiáng)度及其壓縮性，也影響了土體所原具有的穩(wěn)定性。

介于此，研究區(qū)紅土分布區(qū)可能會(huì)發(fā)生各種地質(zhì)災(zāi)害，需要進(jìn)行處理，否則地基穩(wěn)定性、洞室穩(wěn)定性和邊坡穩(wěn)定性都需要提高。因此，嘗試開展真空預(yù)壓的實(shí)驗(yàn)。

2 真空預(yù)壓紅土設(shè)計(jì)

2.1 真空預(yù)壓紅土的原理

真空預(yù)壓是通過抽取真空來降低含水率，然后提高有效應(yīng)力原理。隨著抽氣的延續(xù)， 設(shè)0

2.2 真空預(yù)壓紅土設(shè)計(jì)

如圖1所示，本次實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)為：在擬加固的邊長(zhǎng)為50cm立方體玻璃箱內(nèi)，先設(shè)豎向抽氣管和鋪設(shè)砂墊層，并在其上覆蓋濾紙層形成封閉。將紅土加入玻璃箱內(nèi)的濾紙層上并用不透氣薄膜密封，利用埋在玻璃箱內(nèi)的豎向抽氣管將薄膜與土體間、濾紙與砂墊層間的氣和水同時(shí)抽出，形成真空的負(fù)壓界面，使箱內(nèi)土體進(jìn)行排水固結(jié)從而達(dá)到加固作用。抽真空之后，薄膜內(nèi)的壓力逐漸下降，穩(wěn)定后的壓力為pv，薄膜內(nèi)外形成一個(gè)壓力差△p=p0-pv，稱為真空度[3]。此時(shí)，模型中形成負(fù)的超靜孔隙水壓力，使紅土排水固結(jié)。

真空預(yù)壓裝置整體由密封裝置和抽取真空裝置兩大部分組成。在邊長(zhǎng)為50厘米的立方體玻璃箱中，四根豎向抽氣管分別在四個(gè)角落區(qū)域設(shè)置一根，便于在玻璃箱不同的位置進(jìn)行抽氣與排水；鋪設(shè)砂墊層有利于加速土層的表層排水，同時(shí)形成一個(gè)積水空間；覆蓋濾紙層可允許土體中水分向下流動(dòng)通過，并阻止土顆粒的下滲；鋪設(shè)不透氣薄膜是為了使整個(gè)土體在薄膜內(nèi)形成密封，應(yīng)注意在豎向抽氣管周圍也需形成密封，必要時(shí)可使用密封膠再次進(jìn)一步密封，并在實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行密封檢驗(yàn)。

四根排水排氣管與真空泵的連接可選用膠管，且密封裝置中的每個(gè)排水排氣管上均設(shè)有活塞，便于進(jìn)行抽真空實(shí)驗(yàn)。真空預(yù)壓紅土試驗(yàn)可由單個(gè)到多個(gè)排水排氣管逐步進(jìn)行試驗(yàn)，并形成對(duì)比。試驗(yàn)時(shí)可慢慢加大抽真空力度，逐漸保持不變，在形成真空度后，觀察排水情況，記錄相應(yīng)的數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并與未經(jīng)處理的紅土性質(zhì)形成對(duì)比得出結(jié)論。

本實(shí)驗(yàn)裝置的使用方法是：第一步在野外獲取紅土樣品，備用。第二步安置前述的排水排氣管；第三步鋪設(shè)砂墊層；第四步鋪設(shè)濾紙層；第五步把第一步制備的紅土放入空腔；第六步在紅土表面按照不透氣薄膜；第七步開挖密封溝；第八步鋪設(shè)密封膜；第九步密封夠回填壓膜；第十步安裝真空泵；第十一步檢查密封性；第十二步開始實(shí)驗(yàn)。依據(jù)實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)紅土下沉量進(jìn)行觀察，對(duì)紅土排水量進(jìn)行觀測(cè)。在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后取樣對(duì)比測(cè)試，檢驗(yàn)真空預(yù)壓效果。以上實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以指導(dǎo)工程防災(zāi)減災(zāi)工程。

3 結(jié)論

（1）通過以往大量的研究，真空預(yù)壓加固紅土實(shí)驗(yàn)?zāi)馨l(fā)現(xiàn)，真空預(yù)壓法能改善紅土的特性，預(yù)壓強(qiáng)度越強(qiáng)，改善紅土的特性能力越強(qiáng)。土體地其容許承載力的高低取決于土的變形性和強(qiáng)度，由于紅土屬于“超固結(jié)土”，壓縮性中等偏低，因此，除對(duì)少數(shù)建筑物沉降量要求嚴(yán)格和次生軟塑紅土外，紅土的變形問題是不嚴(yán)重的。

（2）介于研究區(qū)紅土的物理力學(xué)和水力學(xué)特性，本次設(shè)計(jì)了一種區(qū)別于傳統(tǒng)的淤泥土真空預(yù)壓實(shí)驗(yàn)裝置的紅土用的真空預(yù)壓實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)裝置由密封裝置和抽取真空裝置兩大部分組成。并在此基礎(chǔ)上給出了合理的實(shí)驗(yàn)操作步驟。

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基金項(xiàng)目：貴州省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（2018521001），六盤水師范學(xué)院重點(diǎn)學(xué)科項(xiàng)目（LPSSYZDXK201802），六盤水師范學(xué)院教學(xué)內(nèi)容與課程體系改革項(xiàng)目（LPSSYjg201813）、貴州省教育廳青年科技人才成長(zhǎng)項(xiàng)目（黔教合KY字[2018]376）、貴州省教育廳青年科技人才成長(zhǎng)項(xiàng)目（黔教合KY字[2018]386）

作者簡(jiǎn)介：尹虹（1998-），女，四川綿陽人，本科在讀，研究方向：土木工程。

*為通訊作者