季凍區(qū)濕地軟土固結(jié)特性與固結(jié)壓力相關(guān)性的試驗研究

王宏光，程顯東，張 冕，田蕾蕾，馬 強(qiáng)，劉紅軍，韓春鵬

(1.東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150040;2.五邑大學(xué)，廣東 江門 529020)

軟土壓縮性大、強(qiáng)度低，在軟土地基上修建道路，地基很難滿足工程建設(shè)的要求，必須采取相應(yīng)的工程措施，并考慮軟土地基在荷載作用下的固結(jié)沉降問題。了解軟土的固結(jié)壓縮特性，成為一件必要的工作。

1 試驗方案

試驗土樣取自黑龍江省松嫩平原，松嫩平原位于齊齊哈爾北部，屬于季節(jié)性凍土區(qū)，其大地構(gòu)造單元為松嫩中央凹陷帶，區(qū)內(nèi)堆積有巨厚的第四系河湖相松散物質(zhì)，常年淤積形成沼澤。土樣取土深度為2.0 m，為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，該土層厚度變化范圍在1.5～6.2 m［1］，土樣呈黃灰色，軟塑狀態(tài)，干強(qiáng)度與韌性中等，強(qiáng)度較低。按《公路土工試驗規(guī)程》(JTG E40－2007)試驗方法，對所取原狀土進(jìn)行室內(nèi)試驗，并與珠江三角洲軟土相應(yīng)指標(biāo)進(jìn)行對比，其相關(guān)指標(biāo)見表1。

由表1試驗結(jié)果可知，季凍區(qū)濕地軟土天然含水率較高，接近液限值，孔隙比大于1，壓縮系數(shù)a1－2＞0.5 MPa－1，為高壓縮性土。

從表1可以看出，與珠江三角洲軟土指標(biāo)相比，松嫩平原季凍區(qū)軟土天然含水率低，壓縮系數(shù)較低，壓縮模量較高，強(qiáng)度指標(biāo)較高。

為研究季凍區(qū)濕地軟土固結(jié)系數(shù)與固結(jié)應(yīng)力之間的聯(lián)系，對所取土樣進(jìn)行壓縮試驗。一維固結(jié)試驗采用的是高壓固結(jié)儀，土樣高為2 cm，面積為30 cm2，模擬軟土地基實際工作狀態(tài)采用雙面排水并逐級加荷，加荷等級為 50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa和800 kPa，每一級固結(jié)壓力荷載從15 s記錄變形量，按規(guī)定時間記錄直至穩(wěn)定［2，3］。圖1所示為季凍區(qū)濕地軟土e～p變化曲線，從圖中可以明顯看出，軟土的孔隙比隨固結(jié)壓力的增大在逐漸減小。且軟土在較小固結(jié)壓力下孔隙比發(fā)生明顯的變化，其主要原因是軟土為欠固結(jié)土，固結(jié)壓力大于前期固結(jié)壓力，土體產(chǎn)生較大變形。

表1 軟土物理性質(zhì)Tab.1 Physical properties of soft soil

圖1 季凍區(qū)濕地軟土的e～p曲線Fig.1 e～p curve of wetland soft soil in seasonal frost area

2 試驗結(jié)果分析

2.1 壓縮系數(shù)、壓縮模量與固結(jié)壓力的關(guān)系

圖2和圖3所示分別為軟土土樣的壓縮系數(shù)與壓縮模量隨固結(jié)壓力變化的關(guān)系曲線，壓縮系數(shù)與壓縮模量根據(jù)相鄰荷載計算，從圖中可以看出，壓縮系數(shù)隨固結(jié)壓力增大在減小，而壓縮模量隨固結(jié)壓力的增大在增加。在固結(jié)壓力小于200 kPa時，壓縮系數(shù)隨固結(jié)壓力的增加明顯減少，當(dāng)固結(jié)壓力大于200 kPa時，壓縮系數(shù)雖然在減少但變化并不大，而壓縮模量一直隨著固結(jié)壓力的增加而增加，并且其線形接近于線性關(guān)系。

2.2 固結(jié)系數(shù)與固結(jié)壓力的關(guān)系

土的固結(jié)是指土在壓力的作用下，土體孔隙減小，超孔隙水壓力逐漸消散的過程。土的固結(jié)一般分為主固結(jié)和次固結(jié)。主固結(jié)是指土體中因超靜孔隙水壓力逐漸消散和有效應(yīng)力不斷增加而引起的壓縮過程，其過程為孔隙水被逐漸擠出，孔隙體積逐漸減小，從而土體壓密產(chǎn)生體積變形而引起的沉降，是黏性土地基沉降最主要的組成部分;而次固結(jié)是指在超靜孔隙水壓力基本消散后，在有效應(yīng)力基本上不變的情況下，隨時間繼續(xù)發(fā)生的沉降量，一般認(rèn)為是在恒定應(yīng)力狀態(tài)下，土中的結(jié)合水以黏滯流動的形態(tài)緩慢移動，造成水膜厚度相應(yīng)地發(fā)生變化，使骨架產(chǎn)生徐變的結(jié)果。土體的變形與沉降主要在主固結(jié)過程中完成，對于飽和軟黏土，次固結(jié)沉降量同固結(jié)沉降量相比往往是不重要的［4］。

圖2 固結(jié)壓力與壓縮系數(shù)關(guān)系曲線圖Fig.2 Curve graph of the relationship between consolidation pressure and compression coefficient

圖3 固結(jié)壓力與壓縮模量關(guān)系曲線圖Fig.3 Curve graph of the relationship between consolidation pressure and compression modulu

在飽和軟土的固結(jié)過程中，固結(jié)系數(shù)Cv的表達(dá)式為:

式中:k為滲透系數(shù);e0為初始孔隙比;α為壓縮系數(shù);γw為水的重度。

太沙基一維固結(jié)理論假定土的固結(jié)系數(shù)在壓縮過程中保持不變，這是因為土體在壓縮固結(jié)過程中，公式 (1)中的滲透系數(shù)k和壓縮系數(shù)α均呈遞減趨勢，因而計算出來的主固結(jié)系數(shù)Cv一般被當(dāng)作常數(shù)。國內(nèi)外大量試驗研究已經(jīng)證明，隨著固結(jié)應(yīng)力的變化，固結(jié)系數(shù)Cv并不是完全保持常數(shù)，而是隨著固結(jié)應(yīng)力發(fā)生變化，所以在計算軟土地基固結(jié)沉降量時，采用不變的固結(jié)系數(shù)Cv是不符合工程實際情況的，應(yīng)考慮固結(jié)系數(shù)的變化對于計算結(jié)果產(chǎn)生的影響并予以修正［5，6］。

圖4 軟土固結(jié)系數(shù)與固結(jié)壓力關(guān)系曲線Fig.4 Curve of the relationship between consolidation coefficient and consolidation pressure for soft soil

如圖4展示了固結(jié)系數(shù)與固結(jié)壓力之間的變化曲線，試驗結(jié)果表明固結(jié)壓力從50～800 kPa時，軟土固結(jié)系數(shù)變化范圍為1.71～7.11×10－4cm2/s。根據(jù)圖4所示，固結(jié)系數(shù)總體上隨固結(jié)壓力的增大逐漸減小。軟土在固結(jié)壓力小于400 kPa時，固結(jié)系數(shù)變化趨勢較快，近似線性變化，固結(jié)壓力超過400 kPa后，其線形變化趨于平緩，其原因是固結(jié)壓力超過前期固結(jié)壓力后，土體固結(jié)接近結(jié)束，滲透系數(shù)與壓縮系數(shù)變化量不大，固結(jié)系數(shù)趨于一個穩(wěn)定值。

3 結(jié)論

(1)與珠江三角洲地區(qū)軟土相比，松嫩平原濕地軟土含水率較小，壓縮性指標(biāo)略低，強(qiáng)度指標(biāo)略高，整體物理力學(xué)性質(zhì)及工程性質(zhì)稍好。

(2)季凍區(qū)軟土的壓縮系數(shù)隨固結(jié)壓力增大而減小，而壓縮模量隨固結(jié)壓力增大而增大，其固結(jié)系數(shù)與固結(jié)壓力具有一定的相關(guān)性，隨著固結(jié)壓力增大，固結(jié)系數(shù)逐漸減小，當(dāng)固結(jié)壓力大于400 kPa時，固結(jié)系數(shù)趨于一個穩(wěn)定數(shù)值。

［1］程培峰，姜海洋，劉紅軍.寒區(qū)濕地軟土固結(jié)變形特性試驗研究［J］.自然災(zāi)害學(xué)報，2007，16(2):82－85.

［2］陳曉平，黃國怡，梁志松.珠江三角洲軟土特性研究 ［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2003，22(1):137－141.

［3］JTG E40－2007公路土工試驗規(guī)程 ［S］.

［4］袁聚云，錢建固，張宏鳴，等.土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)［M］.北京:人民交通出版社，2009.

［5］劉紅軍.寒區(qū)濕地軟土地基固結(jié)沉降與穩(wěn)定性研究 ［D］.哈爾濱:中國地震局工程力學(xué)研究所，2007.

［6］于顏泉，李新年，鄒小兵，等.碎石樁潔處理軟土地基在公路工程中的應(yīng)用［J］.森林工程，2006，22(6):26－27.