腐木淤泥混合土層的次固結(jié)變形特性試驗(yàn)研究

曾玉瑩,鄭小戰(zhàn),陳小云

(廣州市地質(zhì)調(diào)查院,廣東廣州 510440)

腐木淤泥混合土層的次固結(jié)變形特性試驗(yàn)研究

曾玉瑩,鄭小戰(zhàn),陳小云

(廣州市地質(zhì)調(diào)查院,廣東廣州 510440)

腐木淤泥混合土層是一類特殊軟土層,對腐木工程進(jìn)行次固結(jié)特性研究,能有效地控制工后沉降。通過采用自行加工的大直徑固結(jié)儀進(jìn)行了一系列的次固結(jié)試驗(yàn),得到了其次固結(jié)系數(shù)為0.015 6～0.025 2,超載后的次固結(jié)系數(shù)為0.001 43～0.009 16,次固結(jié)系數(shù)與壓縮指數(shù)之比的范圍是0.014 4～0.023 3,為今后類似特殊軟土地基設(shè)計(jì)與施工提供參考。

腐木淤泥混合土;次固結(jié)試驗(yàn);固結(jié)特性參數(shù)

0 引言

腐木淤泥混合土層(簡稱腐木土)主要由淤泥、淤泥質(zhì)土、泥炭質(zhì)土等軟土與腐爛朽木混合組成,在粵東沿海地區(qū)(澄海市)和珠江三角洲地區(qū)都有發(fā)現(xiàn)。腐木土是腐木纖維和淤泥相混合的一種特殊土,該土與通常工程分類上的有機(jī)質(zhì)含量高的泥炭、泥炭土有本質(zhì)的區(qū)別,其最大特點(diǎn)是有明顯的未完全分解的植物根莖,分解程度差別很大,植物纖維與淤泥互不摻混。腐木土層多呈深灰、灰黑、黑色,少數(shù)出現(xiàn)棕褐色,因?qū)又谢煊熊浲?故統(tǒng)稱腐木土層。腐木含量多的可達(dá)60%～90%,甚至局部巖心全是腐木,常為松軟的朽木,肉質(zhì)較新鮮,基本無碳化,斷面呈棕紅色或黃褐色。常規(guī)取樣和室內(nèi)試驗(yàn)十分困難,不易取得設(shè)計(jì)需要的相關(guān)參數(shù),因此,必須通過加工大直徑的固結(jié)儀才能進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)。

次固結(jié)(也稱次壓縮)特性,就是說在孔壓消散,主固結(jié)完成后,仍會(huì)有隨時(shí)間發(fā)展的長期壓縮,其量值不可忽略。對于有機(jī)質(zhì)含量高的軟土,其次固結(jié)特性更加明顯,次固結(jié)變形占工后沉降比例較大。因此,有必要進(jìn)行腐木土層的次固結(jié)特性研究,為更好地控制工后沉降提供依據(jù)。

1 室內(nèi)試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)取樣來自某高速公路K36+420處。由于腐木土樣中腐木含量較多,常規(guī)固結(jié)儀無法進(jìn)行試驗(yàn),故采用研制加工的大直徑固結(jié)儀(Ф123.6 mm),試驗(yàn)方法與常規(guī)固結(jié)試驗(yàn)相同,其基本物理力學(xué)性質(zhì)見表1。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

通常認(rèn)為軟土的固結(jié)變形分為主固結(jié)和次固結(jié)部分,在次固結(jié)階段,由于土體的粘滯蠕變作用而不斷發(fā)展變形,次固結(jié)變形與時(shí)間對數(shù)成正比關(guān)系。許多試驗(yàn)表明,同一種軟土在不同荷載下的e-lgt曲線次固結(jié)部分的斜率,即次固結(jié)系數(shù)Ca=Δe/Δlogt,與荷載無關(guān),即對于同一類土,在不同的荷載增量下,次固結(jié)系數(shù)為常數(shù)。但是,也有偏離這個(gè)規(guī)律的。墨西哥粘土在某些試驗(yàn)中的壓縮速率呈現(xiàn)隨時(shí)間對數(shù)而增長的趨勢,有的重粘土的壓縮過程明顯地與時(shí)間對數(shù)成非線性關(guān)系,并趨于水平漸近線[1]。張惠明在研究深圳軟土的變形特性后,結(jié)果表明原狀試樣在不同的時(shí)間對數(shù)周期內(nèi)次固結(jié)系數(shù)是不同的[2]。事實(shí)上,次固結(jié)不可能無限地發(fā)展下去,但可認(rèn)為在一定的時(shí)間內(nèi),即在建筑物的使用壽命內(nèi),其保持線性規(guī)律是可能的。

表1 腐木土樣的基本物理力學(xué)性質(zhì)Table 1 Basic physicalmechanical properties of decayed wood soil sample

本次試驗(yàn)采用三種加載方式:一是一個(gè)試樣只做一級荷載下的次固結(jié);二是一個(gè)試樣連續(xù)做多級荷載下的次固結(jié);三是在不同超載情況下的次固結(jié)。試驗(yàn)結(jié)果與分析如下:

(1)加載方式對腐木淤泥混合土次固結(jié)的影響單級加載和連續(xù)多級加載下腐木樣次固結(jié)變形典型曲線見圖1?？梢钥闯龈就恋墓探Y(jié)沉降變形曲線與一般軟土相類似,加載方式對腐木淤泥混合土次固結(jié)沒有太大影響。腐木土層的次固結(jié)系數(shù)的試驗(yàn)成果整理見表2和表3。

圖1 NF6-03腐木樣主次固結(jié)曲線Fig.1 Curve ofNF6-03 main&secondary consolidation of decayed wood soil

表2 腐木樣次固結(jié)系數(shù)統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistics table of secondary consolidation coefficient of dacayed wood soil sample

表3 不同超載量作用下的次固結(jié)系數(shù)Ca′(孔隙比/應(yīng)變表示)統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of secondary consolidation coefficientCa′under different overload volume

(2)應(yīng)力水平對腐木纖維、淤泥混合土次固結(jié)系數(shù)的影響 計(jì)算軟土次固結(jié)的常用方法沒有反映荷載變化的影響,即次固結(jié)系數(shù)與應(yīng)力水平無關(guān),且為一常數(shù)。從腐木纖維、淤泥混合土次固結(jié)系數(shù)整理結(jié)果可以看出,在施加荷載P≤100 kPa時(shí)的次固結(jié)系數(shù)相差不大,可以認(rèn)為次固結(jié)系數(shù)與固結(jié)壓力無關(guān),平均值為Ca=0.015 6;在荷載P>100 kPa時(shí)的次固結(jié)系數(shù)也相差不大,可認(rèn)為次固結(jié)系數(shù)與固結(jié)壓力無關(guān),平均值為Ca=0.025 2;但從整個(gè)荷載范圍內(nèi)來看,次固結(jié)系數(shù)明顯與荷載有關(guān):當(dāng)荷載小于或大于先期固結(jié)壓力時(shí)(由腐木土壓縮試驗(yàn)求得其先期固結(jié)壓力約100 kPa),次固結(jié)系數(shù)相差較大,與殷宗澤的結(jié)論一致[3]。按表中Ca/(1+e)%的值進(jìn)行次壓縮分類(約為0.5%～0.8%),則腐木纖維、淤泥混合土屬中等次壓縮混合軟土。

(3)應(yīng)力歷史對腐木纖維、淤泥混合土次固結(jié)系數(shù)的影響 應(yīng)力歷史包括兩種情況:一是指超固結(jié)軟土歷史上所受到的最大豎向有效固結(jié)壓力pc(包括結(jié)構(gòu)強(qiáng)度q),二是指通過人工超載后卸除,從而使路基軟土呈超固結(jié)狀態(tài)。

對于第一種情況,通過以上多組次固結(jié)試驗(yàn),不難發(fā)現(xiàn):100 kPa以下和100 kPa以上的次固結(jié)系數(shù)相差較大,結(jié)合腐木纖維、淤泥混合土的壓縮曲線求得前期固結(jié)壓力(約100 kPa)?？梢钥闯?先期固結(jié)壓力對腐木纖維、淤泥混合土的次固結(jié)系數(shù)影響較大。

對于第二種情況,已有研究結(jié)果表明,通過超載預(yù)壓可以減少次固結(jié)系數(shù),減少的程度與超固結(jié)比有關(guān)[4]。張惠明研究了超載對深圳軟土的次固結(jié)系數(shù)的影響,認(rèn)為通過超載一倍的預(yù)壓后,次固結(jié)變形減少了67%,重塑土的預(yù)壓效果更為顯著,深圳軟土的次固結(jié)變形是可以通過超載預(yù)壓來減少或消除的。超載預(yù)壓除了可以減少軟土的次固結(jié)系數(shù)外,還推遲了次固結(jié)變形的發(fā)生時(shí)間,其它的粘土也表現(xiàn)出相同的性質(zhì)[5]。從實(shí)用的角度出發(fā),建議采用下式估算卸載后軟土的次固結(jié)系數(shù):

式中:OCR為超固結(jié)比,Ca為軟土的次固結(jié)系數(shù),β為超載折減系數(shù)。

根據(jù)表2試驗(yàn)結(jié)果,腐木纖維、淤泥混合土也采用上式計(jì)算超載卸載后的次固結(jié)系數(shù),則次固結(jié)系數(shù)為100 kPa以下(取平均值)為:Ca1=0.015 6,Ca1′=0.001 43,計(jì)算得到超載折減系數(shù)β=0.031 7;次固結(jié)系數(shù)100 kPa以上的次固結(jié)系數(shù)(取平均值)為:Ca2=0.025 2,0.009 16,計(jì)算得到超載折減系數(shù)β=0.156 8。

(4)腐木土的次固結(jié)系數(shù)與壓縮指數(shù)的關(guān)系 通常情況下,軟土次固結(jié)系數(shù)的準(zhǔn)確測定是一項(xiàng)費(fèi)時(shí)的工作,因此,要是能通過其它參數(shù)來估算次固結(jié)系數(shù)是個(gè)很有實(shí)際意義的研究課題。Mesri等總結(jié)了22種粘土的次固結(jié)試驗(yàn)結(jié)果后發(fā)現(xiàn),對于原狀軟土,次固結(jié)系數(shù)和壓縮指數(shù)的比值Ca/Cc是一個(gè)常數(shù),并推薦許多類土的比值取值范圍在0.02～0.07之間。對于腐木纖維、淤泥混合土固結(jié)壓力在100 kPa以下時(shí),Ca/Cc=0.014 4;固結(jié)壓力在100 kPa以上時(shí),Ca/Cc=0.023 3。因此,在沒有次固結(jié)試驗(yàn)的情況下,可以利用上式估算腐木纖維、淤泥混合土不同壓力下的次固結(jié)系數(shù)。

2 結(jié)論

(1)通過采用加工的大直徑固結(jié)儀進(jìn)行試驗(yàn),測得腐木土層的次固結(jié)系數(shù)與應(yīng)力水平有關(guān),當(dāng)荷載P≤100 kPa時(shí),平均值Ca=0.015 6;在荷載P>100 kPa時(shí),平均值Ca=0.025 2。

(2)根據(jù)工程實(shí)際超載情況,試驗(yàn)在不同超載量(即超載比)情況下腐木纖維、淤泥混合土的次固結(jié)系數(shù)的變化情況,考慮軟土的超固結(jié)特性,認(rèn)為超載后的腐木纖維、淤泥混合土次固結(jié)系數(shù)為:荷載P≤100 kPa時(shí),平均值Ca′=0.001 43;在荷載P>100 kPa時(shí),平均值Ca′=0.009 16,相同的超載量下,荷載等級越低,次固結(jié)系數(shù)的改變量越大,均比未超載情況下的次固結(jié)系數(shù)平均值約小一個(gè)數(shù)量級。

(3)由于腐木土的次固結(jié)系數(shù)與應(yīng)力水平有關(guān),則其次固結(jié)系數(shù)與壓縮指數(shù)的關(guān)系為固結(jié)壓力在100 kPa以下時(shí),Ca/Cc=0.014 4;固結(jié)壓力在100 kPa以上時(shí),Ca/Cc=0.023 3。

(4)腐木土層是一類特殊軟土層,含有大量未完全分解的植物根莖,且不同深度的形成時(shí)間有別,腐爛程度差別較大,試驗(yàn)均勻性很差,常規(guī)試驗(yàn)儀器無法進(jìn)行試驗(yàn)。采用加工的大直徑固結(jié)儀,得到以上一些基本變形規(guī)律,對以后類似工程的設(shè)計(jì)和施工具有指導(dǎo)意義。

[1] 魏汝龍.軟粘土的強(qiáng)度與變形[M].北京:人民交通出版社,1987:29-33.

[2] 張惠明,徐玉勝,曾巧玲.深圳軟土變形特性與工后沉降[J].巖土工程學(xué)報(bào),2002,24(4):509-514.

[3] 殷宗澤,張海波,朱俊高,李國維.軟土的次固結(jié)[J].巖土工程學(xué)報(bào),2003,25(5):521-526.

[4] 劉世明.軟粘土的次固結(jié)變形特性研究[D].杭州:浙江大學(xué),1988.

[5] Mesri G,Feng T.W.Surcharging to reduce secondary settlement[C]∥Proc Int ConfOn Geotech Eng for Coastal Development Theory and Practice.Yokohama,1991:359-364.

(責(zé)任編輯:潘 瀟)

Testing Research on Secondary Consolidation Deformation Characteristics of Decayed Wood Mixed Silt Soil

ZENG Yuying,ZHENG Xiaozhan,CHEN Xiaoyun
(Guangzhou Geological Survey,Guangzhou,Guangdong510440)

Decayed wood mixed silt soil is a special kind of soft soil.Through a series of secondary consolidation tests conducted by the self-artifactitious large diameter consolidometer,the authors obtain the range of secondary consolidation coefficient from 0.015 6 to 0.025 2,secondary consolidation coefficient after overload from 0.001 43 to 0.009 16,the ratio of secondary consolidation to compression index from 0.014 4 to 0.023 3.It provides reference for the design and construction of similar soft soil foundation.

decayed wood mixed silt soil;secondary consolidation test;consolidation behaviors parameters

TU411.5

A

1671-1211(2010)03-0268-03

2009-11-02;改回日期:2010-02-24

曾玉瑩(1976-),女,工程師,碩士,巖土工程專業(yè),從事地質(zhì)調(diào)查、評估與巖土工程勘察設(shè)計(jì)工作。E-mail:stevenia@163.com