天津港軟土次固結(jié)變形特性研究

姜 祺，朱 平，劉春海

（1.天津大學(xué)，天津 300072；2.天津北洋水運(yùn)水利勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，天津 300452）

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天津港軟土次固結(jié)變形特性研究

姜 祺1，朱 平1，劉春海2

（1.天津大學(xué)，天津 300072；2.天津北洋水運(yùn)水利勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，天津 300452）

對天津港原狀軟土進(jìn)行一維固結(jié)試驗(yàn)，研究該地區(qū)軟土次固結(jié)特性。探討荷載水平、加荷比、加載時(shí)間以及應(yīng)力歷史對次固結(jié)系數(shù)Ca值的影響，得到該地區(qū)軟土Ca與Cc的關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果表明：次固結(jié)系數(shù)Ca隨荷載的增大，先增大后減??；超固結(jié)狀態(tài)下土的Ca隨荷載的增大而增大；加荷比R改變會(huì)造成Ca～P曲線峰值的偏移，Ca隨R的變化而變化，加載時(shí)間也會(huì)對Ca造成影響。該工程軟土次固結(jié)系數(shù)Ca與壓縮指數(shù)Cc之比在0.023～0.034之間。

軟土；次固結(jié)；次固結(jié)系數(shù)；固結(jié)壓力；加荷比

引 言

土體在外力作用下，孔隙水逐漸排出，土體不斷壓縮，有效應(yīng)力與超孔隙水壓力相互轉(zhuǎn)化的過程，即為土的固結(jié)過程。當(dāng)土中的超孔隙水壓力消散為零時(shí)，土體的沉降還在繼續(xù)，這是土體受有效應(yīng)力的作用，即土骨架產(chǎn)生蠕變運(yùn)動(dòng)所造成的，這種變形稱為次固結(jié)變形。

天津沿海地區(qū)普遍分布淺海相沉積軟土，它們具有含水量高、孔隙比大、流變性大、壓縮性高、承載力低等工程特點(diǎn)。這些特性會(huì)對其宏觀力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生不良影響，致使相關(guān)工程出現(xiàn)沉降量過大、變形不均勻及長期變形不滿足要求等問題。

近年來很多學(xué)者對于軟土次固結(jié)進(jìn)行了相關(guān)研究，并取得了一定成果。殷宗澤［1］等人指出了常規(guī)計(jì)算軟土次固結(jié)方法的缺陷，并提出了適用于超固結(jié)土的次固結(jié)計(jì)算方法。高彥斌［2］等人分析了應(yīng)力歷史對飽和軟粘土重塑土樣次固結(jié)系數(shù)Ca的影響。周秋娟［3～4］等人分析了加荷比、先期固結(jié)壓力對軟土次固結(jié)系數(shù)與固結(jié)壓力的關(guān)系的影響。張先偉［5］等人分析了軟土結(jié)構(gòu)性對次固結(jié)系數(shù)的影響。雷華陽［6］等人提出了一種用應(yīng)變速率-應(yīng)變變化關(guān)系來劃分主次固結(jié)的方法。余湘娟［7］等人提出了一種用于計(jì)算軟土次固結(jié)的雙曲線流變模型。本人在綜合已有研究成果的基礎(chǔ)上，通過對天津南疆地區(qū)東七路加固工程軟土的單向固結(jié)試驗(yàn)結(jié)果分析，研究了該工程軟土的次固結(jié)特性，分析了加載應(yīng)力比、應(yīng)力水平、荷載持續(xù)時(shí)間以及應(yīng)力歷史對次固結(jié)系數(shù)的影響，得到了該工程軟土次固結(jié)系數(shù)與壓縮指數(shù)的比值關(guān)系。對于研究該工程所在區(qū)域的軟土次固結(jié)特性，以及工程后期沉降的檢測控制有一定參考意義。

1 試驗(yàn)方案

1.1 土的基本物理性質(zhì)

試驗(yàn)所用土樣選取自南疆東七路工程，該工程淤泥層厚度較大，其中海相沉積層穩(wěn)定分布在4.7～16.9 m深度范圍內(nèi)，從相近深度的不同鉆孔土樣中篩選出3筒原狀土樣，分別用編號A、B、C表示，各試驗(yàn)土樣的基本物理指標(biāo)見表1。

表1　土樣基本物理性質(zhì)指標(biāo)

1.2 一維次固結(jié)試驗(yàn)方案

試驗(yàn)所用環(huán)刀規(guī)格為高 2 cm，橫截面積為30 cm2，每筒土樣根據(jù)不同情況切取2～4個(gè)試樣。試驗(yàn)在GDG-4S型高壓固結(jié)儀上進(jìn)行，加荷方式為多級加載，試樣雙面排水。本次試驗(yàn)分為A、B、C三組，對應(yīng)相同編號土樣。A組主要以加荷比為變量進(jìn)行試驗(yàn)，每級加載1天，用以分析不同加荷比對次固結(jié)的影響。B組則是通過設(shè)定不同的加荷時(shí)間來觀察其對次固結(jié)的影響。C組在試驗(yàn)前先對土樣進(jìn)行預(yù)壓處理，每級預(yù)壓應(yīng)力持續(xù)時(shí)間 2 h，預(yù)壓最終應(yīng)力分別設(shè)為100 kPa、200 kPa和400 kPa，待最終荷載穩(wěn)定后卸荷回彈24 h，再進(jìn)行分級加載試驗(yàn)，每級加載1天。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖1 土的一維固結(jié)壓縮曲線

圖1為一般土樣的一維固結(jié)曲線，反映了土樣受外界荷載的作用，產(chǎn)生壓縮固結(jié)的過程。主次固結(jié)分界點(diǎn)tp和土體的先期固結(jié)壓力pc可以采用Casagrande作圖法在e-lgt曲線和e-lgp曲線上來確定。

次固結(jié)系數(shù)Ca根據(jù)下式計(jì)算：

式中：t1為主固結(jié)完成的時(shí)刻，即孔隙水壓力為零的時(shí)刻；t2為t1后的某一時(shí)刻；分別為時(shí)刻試樣的孔隙比。

圖2　A組試樣e-lgt關(guān)系曲線

將試驗(yàn)結(jié)果整理，得到試樣孔隙比與加荷時(shí)間的關(guān)系曲線，其中A組部分如圖2所示。對圖中曲線分析可以得出：1）各曲線形狀近似，都為反 S型，前半部分曲率變化較大，為主固結(jié)階段，后半部分均為直線段，為次固結(jié)階段，且除開始荷載較小的部分，其他各級荷載下的次固結(jié)階段直線的斜率基本相同，為一組相互平行的直線。2）當(dāng)固結(jié)壓力較低時(shí)，曲線的曲率較大，即主次固結(jié)分界比較明顯；隨著固結(jié)壓力不斷增加，曲線曲率逐漸減小，主次固結(jié)趨于不明顯，曲線近似為一條直線。

2.1 Ca與固結(jié)壓力的關(guān)系

次固結(jié)系數(shù)Ca的計(jì)算公式表明，土體的次固結(jié)系數(shù)僅與固結(jié)時(shí)間t和孔隙比e有關(guān)，與固結(jié)壓力p無關(guān)，部分學(xué)者［9～11］的研究結(jié)果也得到類似結(jié)論，而另有許多學(xué)者［8，12～15］認(rèn)為次固結(jié)系數(shù)Ca與固結(jié)壓力p是存在一定關(guān)系的，本次試驗(yàn)分析也得出了相同的結(jié)論。

圖3為A、C兩組土樣試驗(yàn)所得到的次固結(jié)系數(shù)Ca與固結(jié)壓力p的關(guān)系。

圖3　次固結(jié)系數(shù)與固結(jié)壓力的關(guān)系曲線

由于試樣A4主要是通過加荷比的變化來實(shí)現(xiàn)影響Ca～p曲線的，所以暫不考慮試樣A4。由圖3（a）中的A1、A2、A3三組曲線可見隨固結(jié)壓力p的增加，次固結(jié)系數(shù)Ca先增加至一峰值，然后減少到一相對穩(wěn)定的值。根據(jù)Casagrande作圖法計(jì)算出土樣的先期固結(jié)壓力pc約為80～90 kPa，這與A1、A3的曲線的峰值所在位置相近，但A2的曲線峰值所在位置大于100 kPa，其原因可能是由于加荷比R＞1的原因，使曲線峰值向后偏移；也有可能是由于試驗(yàn)前期記錄點(diǎn)較少，使曲線峰值位置不能正確顯示的緣故。

由圖3（b）中的三組經(jīng)不同荷載預(yù)壓土樣的Ca與P的曲線，我們可以得到如下規(guī)律：

1）當(dāng)土體經(jīng)過預(yù)壓處于超固結(jié)狀態(tài)時(shí)，其Ca～P曲線與常規(guī)狀態(tài)下的不同，曲線不存在峰值，次固結(jié)系數(shù)Ca隨固結(jié)壓力P的增加而增加，趨于一恒定值。

2）當(dāng)固結(jié)壓力小于預(yù)壓荷載時(shí)，Ca值增長緩慢，當(dāng)固結(jié)壓力達(dá)到并超過預(yù)壓荷載時(shí)，Ca值有明顯增加。

3）次固結(jié)系數(shù)Ca穩(wěn)定后的值與預(yù)壓荷載的大小成正比關(guān)系，預(yù)壓荷載越大，Ca穩(wěn)定后的數(shù)值越大。

2.2 Ca與加荷比R的關(guān)系

對于次固結(jié)系數(shù)Ca與加荷比R的關(guān)系，其中A組的次固結(jié)系數(shù)Ca與加荷比R的關(guān)系如圖4所示。圖4（a）中試樣A1的加荷比R=1，次固結(jié)系數(shù)Ca主要受固結(jié)壓力P的影響，曲線為先增后減，且峰值在先期固結(jié)壓力Pc附近。

圖4　A組次固結(jié)系數(shù)與加荷比的關(guān)系曲線

圖4（c）與圖4（a）對比可知：在保持R=1不變的情況下，曲線的峰值位置沒有改變，仍在先期固結(jié)壓力pc附近，改變加荷比使R＜1，Ca值隨R的減小而減小，且穩(wěn)定的Ca值要小于圖4（a）中R=1的情況。

圖4（b）、圖4（d）與圖4（a）對比可見：1）在R＞1的情況下，曲線的峰值隨R的增加而向后偏移，且其數(shù)值要大于R=1的情況；2）在圖4（b）中曲線到達(dá)峰值后繼續(xù)保持R＞1，次固結(jié)系數(shù)Ca隨R的減小而減小，但穩(wěn)定后的Ca要略大于圖4（a）中R=1的情況；3）在圖4（d）中曲線達(dá)到峰值后，Ca隨R的增大、減小而相應(yīng)的增大或減小，但曲線的總趨勢仍趨向于減小。

根據(jù)以上分析得出：1）加荷比R會(huì)影響次固結(jié)系數(shù)Ca，主要體現(xiàn)在每級荷載間R的改變造成Ca的改變，曲線的整體趨勢沒有變化；2）加荷比R的變化會(huì)使曲線峰值造成偏移；3）在Ca到達(dá)峰值后，Ca隨R的增大、減小而相應(yīng)的增大或減小。

2.3 Ca與加載時(shí)間的關(guān)系

為了研究加載時(shí)間與次固結(jié)系數(shù)Ca的關(guān)系，將B組試樣分為兩組如下：1）B1組在保持加荷比R=1的情況下，改變每級荷載的加載時(shí)間，土樣先在200 kPa荷載下加載5 d，然后在400 kPa荷載下加載10 h，再在800 kPa下加載1 h，確保主固結(jié)完成，最后在1 600 kPa下加載1 d。2）B2組在改變加載時(shí)間的同時(shí)也改變加荷比R，土樣在200 kPa荷載下加載1 d，然后在500 kPa下加載10 h，在800 kPa下加載1 h后，再在1 200 kPa下加載5 d，最后在1 600 kPa下加載1 d。

表3　試樣B1在不同加載時(shí)間下的Ca值

表4　試樣B2在不同加載時(shí)間下的Ca值

整理試驗(yàn)結(jié)果，Ca值如表3、表4所示。從表3中可以看到盡管各級荷載加載時(shí)間互有不同，但Ca的值都比較接近一個(gè)定值；在表4中可見在加荷比R與加載時(shí)間同時(shí)改變的情況下，Ca的變化比較復(fù)雜，在1 200 kPa前，Ca的變化與A4組試樣變化規(guī)律近似，但在1 200 kPa加載5 d后，再加載1 600 kPa則得到了一個(gè)比較小的Ca值。

2.4 Ca與壓縮指數(shù)Cc的關(guān)系

如圖5（a）所示，未進(jìn)行預(yù)壓的A組試樣的次固結(jié)系數(shù)Ca與壓縮指數(shù)Cc的線性關(guān)系并不明顯，Ca/Cc的值在0.011～0.027之間；如圖5（b）所示，進(jìn)行預(yù)壓的C組試樣的Ca與Cc呈現(xiàn)比較明顯的線性關(guān)系，Ca/Cc的值在0.023～0.034之間。這符合Mesri和Godlewski［16］提出的對于同一種土，其次固結(jié)系數(shù)Ca與壓縮指數(shù)Cc之比在0.025～0.10之間和Castro［17］提出的Ca與Cc之比在0.03～0.05之間的理論。

圖5　次固結(jié)系數(shù)與壓縮指數(shù)的關(guān)系曲線

3 次固結(jié)量計(jì)算

天津港南疆東部港區(qū)東七路工程。其海相淤泥層位于4.7～16.9 m，層厚12.2 m。7號孔斷面9.7～9.9 m處土的基本物理性質(zhì)如下：天然含水率為58.3 %；比重為2.65；密度為1.64 g/cm3；孔隙比e0為1.55；液限為41.3 %；塑限為17.8 %；液性指數(shù)為1.72。采用Casagrande作圖法計(jì)算出土樣的先期固結(jié)壓力pc約為80～90 kPa，對應(yīng)試驗(yàn)，土樣的次固結(jié)系數(shù)Ca為0.008 3。根據(jù)計(jì)算7號孔所在區(qū)域深度為4.7～16.9 m的軟土層260 d時(shí)的次固結(jié)沉降量為141.9 mm；根據(jù)分層沉降監(jiān)測所得，該區(qū)域此軟土層260 d的沉降量統(tǒng)計(jì)值為1 309～1 646 mm，可見其中由于次固結(jié)影響所產(chǎn)生的沉降量占8.6 %～10.8 %，比例并不大。

4 結(jié) 論

1）固結(jié)壓力、加荷比、加載時(shí)間和應(yīng)力歷史都會(huì)對次固結(jié)系數(shù)Ca造成影響。

2）次固結(jié)系數(shù)Ca隨固結(jié)壓力的增加，先增大后減小至一恒定的值，其峰值位于先期固結(jié)壓力附近。經(jīng)過預(yù)壓處于超固結(jié)狀態(tài)的土，其 Ca～p曲線不存在峰值，Ca隨p的增加而增加。

3）加荷比R的改變會(huì)使Ca～p曲線的峰值偏移，且峰值后的Ca隨R的增大、減小而相應(yīng)的增大或減小。在R≠1的情況下，前一級高壓荷載歷時(shí)比較長會(huì)使下一級荷載的Ca值變小。

4）本工程軟土在未預(yù)壓處理下，Ca/Cc的值在0.011～0.027之間；在預(yù)壓處理下，Ca與Cc呈良好的線性關(guān)系，Ca/Cc的值在0.023～0.034之間。

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Research on Secondary Consolidation Characteristics of soft clay in Tianjin Port

Jiang Qi1， Zhu Ping1， Liu Chunhai2
（1.Tianjin University， Tianjin 300072， China； 2.Tianjin Beiyang Water Transport & Hydraulic Survey and Design Institute Co.， Ltd.， Tianjin 300072， China）

A series of one-dimensional consolidation tests were conducted to study the secondary consolidation characteristics of soft clay in Tianjin Port. Author researched the influence of consolidation pressure， load ratios，loading time， stress history on secondary consolidation coefficient Ca and got the ratio of Ca and compression index Cc. The results show that Ca increases at first and then decrease salong with the increasing of consolidation pressure. For over-consolidation soft clay， Ca correspondingly increases as the consolidation pressure increasing. The changing of load ratios causes the peak position deviation of Ca ～P curve. Loading time also influences Ca. For soft clay of this project， the ratio of Ca and compression index Cc is 0.023 to 0.034.

soft clay； secondary consolidation； secondary consolidation coefficient Ca； consolidation pressure；load ratios

TU472.1

A

1004-9592（2016）03-0082-05

10.16403/j.cnki.ggjs20160321

2015-12-06

姜祺（1990-），男，碩士，主要從事巖土工程勘察設(shè)計(jì)工作。