海積軟土次固結(jié)性狀的試驗(yàn)研究

丁榮祥，張超杰，陳式華，魏海云

(浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020)

1 問題的提出

飽和軟黏土的一維壓縮主要由2部分組成:一部分是由于在總應(yīng)力不變的情況下，隨著孔隙水的排出，有效應(yīng)力逐漸增大，從而導(dǎo)致土體骨架的壓縮，這一部分被稱為主固結(jié);另一部分則由于土顆粒的塑性調(diào)整而導(dǎo)致的土骨架流變特性而引起，由于具有流變特性，土骨架在有效應(yīng)力不變的情況下也會(huì)產(chǎn)生壓縮，這種壓縮被稱為次壓縮(或次固結(jié))。Bjerrum(1967年)［1］、Crawford(1985年)［2］指出土體在受荷之后便會(huì)立即產(chǎn)生次壓縮變形，而不只是在主固結(jié)結(jié)束后產(chǎn)生。這個(gè)觀點(diǎn)符合土體這一具有流變特性的工程材料的力學(xué)特性并已被工程界廣泛接受。本文通過對海積軟土的多級加荷一維固結(jié)蠕變試驗(yàn)，研究與流變關(guān)系密切的次固結(jié)系數(shù)的變化和能夠減少軟土流變沉降的加載歷時(shí)。

2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)儀器采用有側(cè)限的常規(guī)固結(jié)壓縮儀，土樣面積為30cm2，高度為2cm，共進(jìn)行2組8個(gè)土樣的一維壓縮試驗(yàn)。土樣取自溫嶺市東海塘南片綜合開發(fā)區(qū)3-5淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，取樣深度19.2～19.7m，為了確保8個(gè)土樣性質(zhì)均一、擾動(dòng)少，2組取樣的鉆孔間距3m，并采用了用薄壁取土器取樣，此外，試樣運(yùn)輸和切割也盡量采取措施減少試樣的擾動(dòng)，因此這8個(gè)試樣的性質(zhì)基本是均一的。土樣的主要物理力學(xué)指標(biāo)為:ω=45%，Sr=100%，e0=1.007;壓縮 (固結(jié)):αv0.1～0.2=1.245MPa-1，Esv0.1～0.2=2.14MPa，Cv0.2=1.067×10-3cm2/s;滲透:kh=2.7×10-7cm/s。試驗(yàn)方案見表1。

表1 試驗(yàn)方案表

3 壓縮曲線形式與加荷比的關(guān)系

許多試驗(yàn)表明，加荷比對固結(jié)時(shí)間過程曲線的影響是非常顯著的。Leonards(1964年)根據(jù)曲線形狀將其分為主次固結(jié)階段之間有一明顯最大曲率點(diǎn)的Ⅰ型、主次固結(jié)階段無法明顯分開的Ⅱ型和二者的過渡型Ⅲ型3種類型。從試樣zk5-8-5、zk5-8-6、zk5-8-7和zk5-8-8在荷載300kPa下持續(xù)26d后，分別施50，100，200，500kPa等不同荷載增量后的變形曲線可以看出 (見圖1～4)，本試驗(yàn)土樣也呈現(xiàn)出了這一規(guī)律。從荷載和結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力的關(guān)系來看，如果荷載遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力，則壓縮曲線為Ⅱ型;如果荷載接近結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力，則壓縮曲線為Ⅲ型;如果荷載遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力，則壓縮曲線為Ⅰ型。

圖1 試樣zk5-8-5固結(jié)蠕變試驗(yàn)圖

圖2 試樣zk5-8-6固結(jié)蠕變試驗(yàn)圖

圖3 試樣zk5-8-7固結(jié)蠕變試驗(yàn)圖

圖4 試樣zk5-8-8固結(jié)蠕變試驗(yàn)圖

4 次固結(jié)系數(shù)的變化

關(guān)于次固結(jié)系數(shù)的變化，可以從2個(gè)角度來觀察:一是不同初始狀態(tài)和荷載增量下，荷載持續(xù)某一固定時(shí)間內(nèi)的次固結(jié)系數(shù)變化;二是同一荷載下，不同時(shí)間段內(nèi)的次固結(jié)系數(shù)的變化。

圖5和圖6是試樣zk5-8-4的e-log(P)曲線和e-log(t)曲線，圖7是不同初始狀態(tài)和荷載增量下，荷載持續(xù)24h內(nèi)的次固結(jié)系數(shù)變化?？梢钥闯?，在荷載達(dá)到結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力之前，e-log(t)曲線平緩，蠕變速率較低，土體的變形較小;在達(dá)到結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力之后，e-log(t)曲線變陡，蠕變速率增大，變形明顯增大。而且，在這個(gè)過程中，次固結(jié)系數(shù)也在不斷變化:在結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力之前，次固結(jié)系數(shù)隨著荷載的增加而顯著增大，在荷載大于結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力之后，次固結(jié)系數(shù)增加到最大值，之后緩慢減小，但結(jié)構(gòu)屈服前的次固結(jié)系數(shù)遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)屈服后的。

圖5 試樣e－log(P)曲線

同一荷載下不同時(shí)間段內(nèi)的次固結(jié)系數(shù)的變化與壓縮曲線的形狀相關(guān)，對于Ⅰ型壓縮曲線，次固結(jié)系數(shù)隨著荷載持續(xù)時(shí)間的延長而減小 (見表2);對于Ⅱ型的壓縮曲線，在加載后一定時(shí)間內(nèi)，次固結(jié)系數(shù)是逐漸增大的 (見表3);而對于Ⅲ型的壓縮曲線，在加載后一定時(shí)間內(nèi)，次固結(jié)系數(shù)是先增大后減小的 (見表4)。

圖6 試樣zk5-8-4固結(jié)蠕變試驗(yàn)圖

表2 土樣zk5－8－7在500kPa下不同持續(xù)時(shí)間時(shí)的次固結(jié)系數(shù)表

表3 土樣zk5－8－5在350kPa下不同持續(xù)時(shí)間時(shí)的次固結(jié)系數(shù)表

表4 土樣zk5－8－6在400kPa下不同持續(xù)時(shí)間時(shí)的次固結(jié)系數(shù)表

5 壓縮指數(shù)和次固結(jié)系數(shù)的關(guān)系

因次固結(jié)系數(shù)變化較復(fù)雜，故本文僅研究同一初始狀態(tài)和相同荷載增量下，荷載持續(xù)某一固定時(shí)間內(nèi)的次固結(jié)系數(shù)變化。

從圖5可以看出，壓縮指數(shù) (e-log(P)曲線的斜率)隨著壓力的增大，值逐漸增大，這樣的變化規(guī)律與次固結(jié)系數(shù)的變化規(guī)律極其相似。Mesri＆Godlewski(1977年)［3］總結(jié)了22種黏土的次固結(jié)試驗(yàn)結(jié)果指出，對于同一種原狀土次固結(jié)系數(shù)與壓縮指數(shù)的比值是一個(gè)常數(shù)，其值在0.025～0.100。經(jīng)計(jì)算，本次試驗(yàn)次固結(jié)系數(shù)和壓縮指數(shù)的比值在0.020～0.028，基本維持恒定，這與Mesri的結(jié)論是相符的。

6 應(yīng)力歷史對次固結(jié)系數(shù)的影響

為了研究應(yīng)力歷史對次固結(jié)的影響，試樣zk5-8-5、zk5-8-6、zk5-8-7和zk5-8-8在施加到荷載300kPa之前的加載方式完全相同，在荷載300kPa下持續(xù)26d后，分別施50，100，200，500kPa等不同的荷載增量，試驗(yàn)成果見圖1～4。由圖1～4對比可知，4個(gè)試樣在施加不同荷載前的變形規(guī)律完全相同，之后的變形就各有特色。

對比分析這幾個(gè)圖可知，試樣在26d的持續(xù)荷載下，產(chǎn)生了明顯的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，使得變形狀況與應(yīng)力水平相關(guān):在下一級荷載增量不大的情況下，變形曲線上主次固結(jié)的分界逐漸模糊，曲線幾乎成了直線，次固結(jié)變形很小;隨著荷載增量增加，主固結(jié)與次固結(jié)分界明顯，次固結(jié)變形部分增大。此外，通過對次固結(jié)系數(shù)研究發(fā)現(xiàn)，在小荷載增量下，次固結(jié)系數(shù)前期 (24h內(nèi))較小，基本與原狀土在超固結(jié)狀態(tài)下的次固結(jié)系數(shù) (也是24h內(nèi))相同，后期逐漸長大，但仍小于正常固結(jié)狀態(tài)下的值 (約60%);在大荷載增量下，次固結(jié)系數(shù)基本不隨時(shí)間變化，與原狀土在正常固結(jié)下的值基本相同，不同荷載增量下次固結(jié)系數(shù)見表5。

對于試樣zk5-8-5和zk5-8-6，在分別施加荷載增量50，100kPa荷載增量并持續(xù)12d后，再次分別加載250，50kPa，試驗(yàn)成果見圖1和圖2，可以看出，本次加載試樣zk5-8-5的變形曲線出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折，次固結(jié)變形曲線與該土樣在荷載300kPa下的變形曲線基本平行;而對土樣zk5-8-6，因本次荷載持續(xù)時(shí)間短，不能產(chǎn)生足夠的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力，與試樣zk5-8-5在荷載增量50kPa次固結(jié)相比，次固結(jié)變形明顯小，次固結(jié)系數(shù)為0.00667，但小于該土樣在荷載300kPa下正常固結(jié)狀態(tài)時(shí)的值。

次固結(jié)變形是由于土骨架的流變?nèi)渥冏饔卯a(chǎn)生的。上述試驗(yàn)表明，這類蠕變變形可以增加土的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力，提高土體的抗變形能力，在一定荷載范圍內(nèi)可以大大減小土的次壓縮性，但當(dāng)荷載增大至某一值后，這種效應(yīng)便會(huì)消失。

表5 不同荷載增量下次固結(jié)系數(shù)的變化表

7 結(jié)語

通過上述對固結(jié)過程中3個(gè)黏滯性效應(yīng)的分析，可以得出以下結(jié)論:

(1)對于結(jié)構(gòu)性土，次固結(jié)系數(shù)與應(yīng)力水平密切相關(guān)，在固結(jié)荷載小于結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力時(shí)，次固結(jié)系數(shù)隨著荷載的增加而顯著增大，在荷載大于結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力之后，次固結(jié)系數(shù)增加到最大值之后緩慢減小，但結(jié)構(gòu)屈服前的次固結(jié)系數(shù)遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)屈服后的。根據(jù)試驗(yàn)成果，海積軟土在超固結(jié)階段也有明顯的次固結(jié)現(xiàn)象，在對這類土的工后沉降計(jì)算中須考慮這一因素。

(2)同一種原狀土次固結(jié)系數(shù)與壓縮指數(shù)的比值在較小的范圍內(nèi)變化，可以看作是一個(gè)常數(shù);歷史應(yīng)力和加荷比對次固結(jié)變形都有很大的影響。

(3)次固結(jié)變形是由于土骨架的黏滯性蠕變作用產(chǎn)生的，這類蠕變變形可以增加土的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力，提高土體的抗變形能力，在一定荷載范圍內(nèi)可以大大減小土的次壓縮性，但當(dāng)荷載增大至某一值后，這種效應(yīng)便會(huì)消失。海堤一般都建在深厚的海相軟土層上，工后沉降時(shí)間漫長，蠕變次固結(jié)沉降占的比例較大，據(jù)本文的試驗(yàn)成果，如采用合理的加載施工工藝，在一定程度上可以大幅減少工后沉降。

［1］ Bjerrum L. Engineering geology of Norwegian normally consolidation marine clays as related to the settlement of building［J］.Geotechnique，1967，17(12):81-118.

［2］ Crawford C B.State of the art:evaluation and interpretation of soil consolidation tests［C］ //Proc.ASTM Symp.consolidation behavior og soils.Fort Lauderdale，1985，STP892，PP:71-103.

［3］ MesriG，GodlewskiP M.Time and stresscompressibility interrelationship ［J］.ASCE Journal of Geotechnical Engineering Division，1977，103(GT5):1067-1070.

［4］ NagarajT S， Pandian N S， Narasimha Raju P S R.Compressibility behavior of soft cemented soil［J］.Geotechnique，1998，48(2):281-287.

［5］沈珠江.軟土工程特性和軟土地基設(shè)計(jì)［J］.巖體工程學(xué)報(bào)，1998，20(1):100-111.

［6］殷宗澤，張海波，朱俊高，等.軟土的次固結(jié) ［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2003，25(9):521-526.

［7］魏汝龍.軟黏土的強(qiáng)度和變形［M］.北京:人民交通出版社，1987.