上海軟土非飽和壓縮特征

葉為民，朱悅銘，陳 寶，葉 斌

（1.同濟(jì)大學(xué) 巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092；2.教育部城市環(huán)境可持續(xù)發(fā)展聯(lián)合研究中心，上海200092）

非飽和土的壓縮與滲透性能比飽和土復(fù)雜得多［1－2］.國(guó)外從20世紀(jì)30年代開(kāi)始研究非飽和土問(wèn)題，但由于難度大，故進(jìn)展緩慢.1941年Boit對(duì)含有封閉氣泡的非飽和土提出了一般性固結(jié)理論，建立了以有效應(yīng)力（σ－uw）和孔隙水壓力uw表達(dá)的本構(gòu)方程（σ為總應(yīng)力），將應(yīng)力和應(yīng)變聯(lián)系起來(lái).Bishop根據(jù)Mohr－Coulomb破壞準(zhǔn)則提出了非飽和土的抗剪強(qiáng)度公式，其合理性曾為許多學(xué)者所接受，但由于公式中參數(shù)取值的影響因素眾多，且吸力的值也較難以測(cè)定，因而限制了其在工程實(shí)踐中的應(yīng)用.1978年，F(xiàn)redlund基于雙應(yīng)力狀態(tài)變量建立了非飽和土抗剪強(qiáng)度表達(dá)式［3］，將非飽和土視為4 相系，即在水、氣、土粒之外增加了水氣分界面作為第4 相，稱為收縮膜.選用凈應(yīng)力（σ－ua）和基質(zhì)吸力（ua－uw）作為應(yīng)力狀態(tài)變量（ua為孔隙氣壓力），分別得到了土結(jié)構(gòu)的本構(gòu)方程、液相的本構(gòu)方程以及氣相的本構(gòu)方程.20世紀(jì)90年代初，Alonso根據(jù)壓縮試驗(yàn)和三軸試驗(yàn)結(jié)果提出了非飽和土的彈塑性本構(gòu)模型，定義LC（loading collapse）屈服線來(lái)描述前期固結(jié)壓力隨吸力變化的規(guī)律.隨后，國(guó)外許多學(xué)者還從不同角度相繼推導(dǎo)出了非飽和土變形以及孔隙水流和氣流的耦合方程［4］.

在試驗(yàn)研究方面，扈勝霞等對(duì)原狀黃土進(jìn)行了非飽和固結(jié)試驗(yàn)，得到了非飽和原狀黃土的土水特性和壓縮特性［5］.陳正漢等研制出國(guó)內(nèi)第1 臺(tái)非飽和土固結(jié)儀和第1臺(tái)非飽和土直剪儀.這2種儀器都采用內(nèi)置荷載傳感器和數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)，既可控制豎向壓力，又可控制基質(zhì)吸力［6］.錢春香等對(duì)飽和黏土的固結(jié)特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究［7］.火映霞等對(duì)原狀路基土進(jìn)行了1維次固結(jié)試驗(yàn)研究，討論了次固結(jié)系數(shù)，蠕變速率和時(shí)間的關(guān)系［8］.魏海云等通過(guò)對(duì)高飽和度土的壓縮和固結(jié)特性進(jìn)行研究，建立了高飽和土的排水固結(jié)方程，深入分析了荷載作用下高飽和度土的排水固結(jié)特性［9］.葉為民等通過(guò)試驗(yàn)研究了上海軟土的土水特征與非飽和三軸強(qiáng)度［1，10］.但是少有文獻(xiàn)對(duì)上海軟土的非飽和壓縮特性進(jìn)行研究.

本文采用非飽和固結(jié)試驗(yàn)設(shè)備，對(duì)上海第④層軟土開(kāi)展了室內(nèi)非飽和固結(jié)試驗(yàn)研究，并據(jù)以分析探討了其非飽和壓縮特性.

1 上海軟土非飽和壓縮試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)儀器為解放軍后勤工程學(xué)院研制的FGJ－20型非飽和固結(jié)儀［6］.該儀器主要由臺(tái)架、試樣盒、氣壓室、加載系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、位移量測(cè)系統(tǒng)、孔壓和荷載量測(cè)系統(tǒng)等部件組成.其中，加載系統(tǒng)與常規(guī)固結(jié)儀相同.與常規(guī)固結(jié)儀相比，非飽和土固結(jié)儀增設(shè)了壓力室，可以施加氣壓，控制試樣基質(zhì)吸力.吸力控制采用軸平移控制技術(shù).在該儀器上橫梁上設(shè)置百分表，以測(cè)量土體的豎向位移.

1.2 試驗(yàn)土樣

本試驗(yàn)用土取自上海某工程現(xiàn)場(chǎng).根據(jù)該項(xiàng)目地質(zhì)資料，土樣為地下上海地區(qū)典型的第④層灰色黏土.試樣的基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1.

表1 試樣的基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Basic physical and mechanical properties of tested soil

試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，首先采用環(huán)刀切取原狀土試樣，尺寸為直徑61.8 mm、厚20 mm，并采用抽氣飽和法對(duì)土樣進(jìn)行飽和.

1.3 試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)共完成了4只試樣的吸力控制的非飽和排水壓縮試驗(yàn)，控制吸力分別為140，200，400 和500kPa.對(duì)基質(zhì)吸力為140和200kPa的試樣，在豎向應(yīng)力逐級(jí)增加到1 200kPa時(shí)，進(jìn)行回彈試驗(yàn)；對(duì)基質(zhì)吸力為400 和500kPa的土樣，在豎向應(yīng)力的加載過(guò)程中，分別在豎向應(yīng)力為400，800 和1 200 kPa時(shí)進(jìn)行回彈試驗(yàn).

1.4 試驗(yàn)步驟

1.4.1 飽和陶土板

在非飽和固結(jié)儀的土樣容器中，注入脫氣水（近滿），關(guān)閉進(jìn)水閥門，擰緊固結(jié)儀上蓋；打開(kāi)排水閥，施加氣壓300～400kPa，直到排水閥門有較多的水排出；沖洗陶土板下積聚的氣泡，打開(kāi)進(jìn)水閥，讓無(wú)氣水流過(guò)陶土板下面的螺旋槽沖洗30s，關(guān)閉進(jìn)水閥門；釋放容器中氣壓至零，移開(kāi)固結(jié)儀上蓋，用洗耳球吸走土樣容器中的余水，注入無(wú)氣水（近滿）；重復(fù)以上步驟，直到排水閥有連續(xù)的水流出，排除氣壓力，移走壓力室上蓋.

1.4.2 裝樣

用洗耳球吸走容器中的余水，再用濕毛巾擦去容器盒壁上及陶土板上面附著的水；放入土樣，上面放一銅質(zhì)透水板，再放置試樣帽和鋼球；擰緊壓力室上蓋.

1.4.3 固結(jié)試驗(yàn)

打開(kāi)排水閥，按試驗(yàn)方案先施加氣壓力，并保持恒定，2周后，再加砝碼施加第一級(jí)法向荷載.讓試樣在恒吸力下固結(jié)，直到土樣壓縮變形2 h 小于0.01mm為止.通常每加一級(jí)荷載，需要2d時(shí)間來(lái)穩(wěn)定.在此期間，每隔8～10h，沖洗陶土板下積聚的氣泡；按上述方法施加下一級(jí)法向應(yīng)力.

1.4.4 結(jié)束試驗(yàn)

卸除氣壓和砝碼，卸除土樣，關(guān)閉計(jì)算機(jī)，清洗土樣容器及陶土板.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 吸力對(duì)上海非飽和軟土壓縮性的影響

不同吸力時(shí)，上海軟土孔隙比e隨豎向應(yīng)力p的變化關(guān)系見(jiàn)圖1.圖1表明，隨著基質(zhì)吸力的增加，土的壓縮性不斷降低；當(dāng)前吸力條件下，e—lgp曲線階段特征明顯：彈性階段、彈塑性階段以及回彈與再壓縮階段.基質(zhì)吸力較低時(shí)（140，200kPa），壓縮曲線由彈性加載階段過(guò)渡到彈塑性加載階段時(shí)會(huì)出現(xiàn)陡降（圖2），隨后曲線斜率又趨緩.但是隨著吸力的增大，陡降段與彈塑性加載階段斜率趨于一致.考慮應(yīng)力歷史的沉降固結(jié)理論認(rèn)為，對(duì)于正常固結(jié)土和欠固結(jié)土其固結(jié)壓縮曲線不會(huì)出現(xiàn)陡降階段，而超固結(jié)土則會(huì)出現(xiàn)陡降階段［11］.

圖1 不同基質(zhì)吸力下的e—lgp 曲線Fig.1 e—lgpcurves for different suction

2.2 前期固結(jié)壓力隨吸力的變化規(guī)律

根據(jù)試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，采用卡薩格蘭德提出的經(jīng)驗(yàn)作圖法得到上海軟土前期固結(jié)壓力隨基質(zhì)吸力的變化如圖2所示.圖2表明，非飽和壓縮過(guò)程中，前期固結(jié)壓力隨基質(zhì)吸力減小而減小.

圖2 前期固結(jié)壓力隨基質(zhì)吸力的變化Fig.2 Relationship between pre－consolidation pressure and matric suction

根據(jù)Alonso［4］提出巴塞羅那模型（BBM）中前期固結(jié)壓力計(jì)算公式

式中：p0為前期固結(jié)壓力；pc為參考應(yīng)力；p＊0為飽和條件下的先期固結(jié)壓力；λ和κ分別為ν—lnp曲線中的壓縮和回彈（圖3）指數(shù)；ν是比體積，ν＝1＋e；λ（s）為隨吸力s變化的壓縮系數(shù)；λ（0）為飽和壓縮系數(shù)；β為控制壓縮指數(shù)隨吸力增長(zhǎng)速率的參數(shù).

圖3 ν～ln p 曲線Fig 3 ν～ln pcurve

根據(jù)本文實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，由式（2）可擬合得上海軟土壓縮指數(shù)與基質(zhì)吸力之間的關(guān)系（圖4）：

圖4 壓縮指數(shù)Cc 隨基質(zhì)吸力s 之間的變化關(guān)系Fig.4 Relationship between compression index Ccand s suction

同時(shí)，由式（1），可得前期固結(jié)壓力隨基質(zhì)吸力的變化關(guān)系

由于相應(yīng)吸力所對(duì)應(yīng)的回彈指數(shù)κ隨吸力變化很小，故在計(jì)算中視其為常量，取各個(gè)吸力回彈指數(shù)的平均值；pc為參考應(yīng)力，為簡(jiǎn)化計(jì)算，本次擬合中取值為1；p＊0為飽和條件下的先期固結(jié)壓力，參考魏道垛對(duì)上海前期固結(jié)壓力研究結(jié)果［12］，取為40kPa.

根據(jù)式（3）和（4），便可求得上海軟土前期固結(jié)壓力隨基質(zhì)吸力之間的變化關(guān)系，如圖5.據(jù)此可以預(yù)測(cè)，隨基質(zhì)吸力逐漸增大，前期固結(jié)壓力會(huì)趨于一個(gè)定值，即當(dāng)基質(zhì)吸力增加到某一定數(shù)值后，吸力的增大對(duì)土的強(qiáng)度貢獻(xiàn)增幅越來(lái)越小.

圖5 前期固結(jié)壓力p0 隨基質(zhì)吸力s 變化Fig.5 Relationship between preconsolidation pressure p0and suction s

2.3 回彈指數(shù)隨基質(zhì)吸力變化關(guān)系

圖6為回彈指數(shù)Ce隨基質(zhì)吸力的變化關(guān)系.該圖表明，豎向應(yīng)力一定時(shí)，回彈指數(shù)先隨吸力的增加而減??；當(dāng)吸力大于400kPa時(shí)，回彈指數(shù)反而有所上升.該結(jié)果與一些學(xué)者的試驗(yàn)結(jié)果有一定的一致性.

圖6 回彈指數(shù)Ce 隨基質(zhì)吸力s 變化曲線Fig.6 Effects of matric suction s on reconsolidation index Ce

相同基質(zhì)吸力條件下，隨著豎向應(yīng)力的增大，回彈指數(shù)增大（圖7）.這可能是由于豎向應(yīng)力水平較低時(shí)，其對(duì)應(yīng)的回彈應(yīng)力差便相對(duì)較小，從而應(yīng)變必然較高豎向應(yīng)力時(shí)小.而在e—lgp曲線上，由于豎向應(yīng)力取對(duì)數(shù)，豎向應(yīng)力變化雖然較大，但是取對(duì)數(shù)后不同豎向應(yīng)力回彈時(shí)變化相差不大.從而出現(xiàn)豎向應(yīng)力越高、回彈指數(shù)越大的情況.據(jù)圖7 中比較，基質(zhì)吸力為400 kPa 的斜率明顯較基質(zhì)吸力為500kPa的高.即豎向應(yīng)力增加對(duì)基質(zhì)吸力高的土的強(qiáng)度影響小.且在吸力大于400kPa時(shí)，回彈指數(shù)與豎向應(yīng)力呈正比.

圖7 回彈指數(shù)Ce 隨豎向應(yīng)力p 變化曲線Fig.7 Effects of normal stress p on reconsolidation index Ce

楊樹(shù)榮對(duì)路基土進(jìn)行了非飽和回彈模數(shù)試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)回彈模數(shù)隨基質(zhì)吸力的增加而逐漸增加，而當(dāng)吸力增加到一定值時(shí)，回彈模數(shù)隨基質(zhì)吸力增加而減小（圖8）［13］.汪東林等采用非飽和土三軸儀對(duì)重塑非飽和低液限黏土的體積變化和含水率變化特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，也認(rèn)為回彈指數(shù)與基質(zhì)吸力有一定的相關(guān)性，在不同基質(zhì)吸力條件下，回彈指數(shù)變化不大，但總體表現(xiàn)為隨著基質(zhì)吸力的增大而減小的趨勢(shì)［14］.

圖8 土壤基質(zhì)吸力與回彈模數(shù)的關(guān)系［13］Fig.8 Effects of matric suction on resilient modulus［13］

2.4 基質(zhì)吸力、豎向應(yīng)力與孔隙比間的變化關(guān)系

非飽和壓縮過(guò)程中，上海軟土的孔隙比隨基質(zhì)吸力和豎向應(yīng)力的變化關(guān)系如圖9所示.圖9表明，非飽和壓縮過(guò)程中，土的孔隙比與基質(zhì)吸力和豎向應(yīng)力之間呈曲面關(guān)系.圖中，豎向應(yīng)力為0（土樣未開(kāi)始?jí)嚎s）時(shí)，土樣孔隙比隨基質(zhì)吸力增加而減小.當(dāng)對(duì)土樣施加一定的豎向壓力后，豎向應(yīng)力為1 400 kPa時(shí)，土樣孔隙比隨基質(zhì)吸力增加而增加.這是由于隨基質(zhì)吸力增大，土樣強(qiáng)度增加，從而壓縮性降低，即施加相同級(jí)數(shù)的豎向壓力后，土樣孔隙比變化幅度小，特別是壓縮過(guò)程開(kāi)始階段，孔隙比與豎向壓力之間的曲線曲率不斷減緩.從而初始?jí)嚎s時(shí)，基質(zhì)吸力大的孔隙比小，而當(dāng)豎向應(yīng)力達(dá)到一定值后，隨基質(zhì)吸力增加孔隙比反而增大.

圖9 孔隙比e 與基質(zhì)吸力s、豎向應(yīng)力p 之間的變化關(guān)系Fig.9 Void ratio e versus suction s and normal stress p

低吸力時(shí)，隨著豎向壓力的增加，土體被壓縮，孔隙比呈曲線形式加速下降，且隨著壓力水平不斷提高，孔隙比下降速率不斷降低；隨基質(zhì)吸力增大，孔隙比加速下降部分趨緩.基質(zhì)吸力對(duì)土樣強(qiáng)度有一定影響.

3 結(jié)論

（1）隨著基質(zhì)吸力的增加，土的壓縮性不斷降低；當(dāng)前吸力條件下，e—lgp曲線階段特征明顯，表現(xiàn)為彈性階段、彈塑性階段以及回彈與再壓縮階段.

（2）基質(zhì)吸力較低時(shí)，壓縮曲線由彈性加載階段過(guò)渡到彈塑性加載階段時(shí)會(huì)出現(xiàn)陡降，隨后曲線斜率又趨緩.但是隨著吸力的增大，陡降段與彈塑性加載階段斜率趨于一致.

（3）非飽和壓縮過(guò)程中，前期固結(jié)壓力隨基質(zhì)吸力減小而減小.豎向應(yīng)力一定時(shí)，回彈指數(shù)先隨吸力的增加而減??；當(dāng)吸力大于1 400kPa時(shí)，回彈指數(shù)反而有所上升.

（4）相同基質(zhì)吸力條件下，隨著豎向應(yīng)力的增大，回彈指數(shù)增大.非飽和壓縮過(guò)程中，土的孔隙比與基質(zhì)吸力和豎向應(yīng)力之間呈曲面關(guān)系.

［1］ 葉為民，陳寶，卞祚庥，等.上海軟土的非飽和三軸強(qiáng)度［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2006，28（3）：317.YE Weimin，CHEN Bao，BIAN Zuoxiu，et al.Tri－axial shear strength of Shanghai unsaturated soft clay［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering.2006，28（3）：317.

［2］ Fredlund D G，Rahardjo H.Soil mechanics for unsaturated soils［M］.New York：Wiley－Interscience，1993.

［3］ 張志紅，趙成剛，鄧敏.非飽和土固結(jié)理論新進(jìn)展［J］.巖土力學(xué)，2005，26（4）：667.ZHANG Zhihong，ZHAO Chenggang，DENG Min.Recent development of consolidation theories of unsaturated soils［J］.Rock and Soil Mechanics，2005，26（4）：667.

［4］ Gens A A，Josa A.A constitutive model for partially saturated soils［J］.Geotechnique，1990，40（3）：405.

［5］ 扈勝霞，陳正漢，王克宇.非飽和原狀黃土的固結(jié)試驗(yàn)研究［C］∥第九屆全國(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)術(shù)大會(huì)論文集.北京：科學(xué)出版社，2006：278－283.HU Shengxia，CHEN Zhenghan，WANG Keyu.Test study on consolidation characteristic of unsaturated and undisturbed loess［C］∥Proceedings of the 9th National Rock Mechanics and Engineering.Beijing：Science Press，2006：278－283.

［6］ 陳正漢，扈勝霞，孫樹(shù)國(guó).非飽和土固結(jié)儀和直剪儀的研制及應(yīng)用［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2004，26（2）：161.CHEN Zhenghan，HU Shengxia，SUN Shuguo.Development and application of consolidation apparatus and direct shear apparatus for unsaturated soils ［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2004，26（2）：161.

［7］ 錢春香，劉兵科，彭麗云.飽和黏土固結(jié)特性的試驗(yàn)研究［J］.鐵道建筑，2007（12）：66.QIAN Chunxiang，LIU Bingke，PENG Liyun，Experimental study on consolidation feature of saturated clay［J］.Railway Engineering，2007（12）：66.

［8］ 火映霞，王旭東，汪中衛(wèi)，等.沿河公路飽和路基土的一維次固結(jié)特性試驗(yàn)研究［J］.浙江建筑，2008（25）：24.HUO Yingxia，WANG Xudong，WANG Zhongwei，et al.Experimental study on the one dimensional consolidation of the saturated river along roadbed soil ［J］.Zhejiang Construction，2008（25）：24.

［9］ 魏海云，詹良通，陳云敏.高飽和度土的壓縮和固結(jié)特性及其應(yīng)用［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2008，28（2）：264.WEI Haiyun， ZHAN Liangtong， CHEN Yunmin.Compressibility and consolidation of unsaturated soils with high degree of saturation and its application ［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2008，28（2）：264.

［10］ 葉為民，唐益群，崔玉軍.室內(nèi)吸力量測(cè)與上海軟土土水特征［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2005，27（3）：347.YE Weimin，TANG Yiqun，CUI Yujun.Measurement of soil suction in laboratory and soil－water characteristics of Shanghai soft soil［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2005，27（3）：347.

［11］ 沈珠江.理論土力學(xué)［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2000.SHEN Zhujiang.Theoretical soil mechanics ［M］.Beijing：China Water Power Press，2000.

［12］ 魏道垛，胡中雄.上海淺層地基土的前期固結(jié)壓力及有關(guān)壓縮性參數(shù)的試驗(yàn)研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，1980，2（4）：13.WEI Daoduo，HU Zhongxiong.Experimental study of preconsolidation pressure and compressibility parameters of Shanghai subsoil［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，1980，2（4）：13.

［13］ 楊樹(shù)榮，拱祥生，黃偉慶，等.不飽和凝聚性路基土壤回彈模數(shù)之研究［C］∥第二屆全國(guó)非飽和土學(xué)術(shù)研討會(huì).杭州：［出版者不詳］，2005：425－435.YANG Shurong，GONG Xiangsheng，HUANG Weiqing，et al.Study on resilient modulus of unsaturated cohesive subgrade soils［C］∥The 2nd National Symposium on Unsaturated Soil.Hangzhou：［s.n.］，2005：425－435.

［14］ 汪東林，欒茂田，楊慶.非飽和重塑低液限黏土體積變化特征試驗(yàn)研究［J］.水利學(xué)報(bào)，2008，39（3）：367.WANG Donglin，LUAN Maotian，YANG Qing.Experimental research on volume change of unsaturated remolded clay with low liquid－limit［J］.Journal of Hydaulic Engineering，2008，39（3）：367.