吹填區(qū)軟土固結及次固結特性試驗研究

陳云長,羅慶姿,王 盛,黃井武,*,么振東,陳曉平

(1.廣東省水利電力勘測設計研究院，廣州 510170；2.廣東工業(yè)大學 土木與交通工程學院，廣州 510006； 3.暨南大學 理工學院，廣州 510632)

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吹填區(qū)軟土固結及次固結特性試驗研究

陳云長1,羅慶姿2,王 盛1,黃井武1,*,么振東1,陳曉平3

(1.廣東省水利電力勘測設計研究院，廣州 510170；2.廣東工業(yè)大學 土木與交通工程學院，廣州 510006； 3.暨南大學 理工學院，廣州 510632)

對某吹填區(qū)軟土進行了不同固結壓力、固結時間、排水距離、初始孔隙比等的對比性固結試驗，研究了軟土的固結及次固結特性。試驗結果表明：次固結系數與壓縮指數呈較好的線性關系，壓縮性指標與上覆固結壓力密切相關；固結變形與先期固結壓力有關，在超固結階段呈線性變形、正常固結階段呈黏塑性變形的特征；次固結系數隨固結壓力變化可分3個階段，階段II(pc

固結試驗;次固結系數;壓縮指數;固結壓力

軟土變形具有時效性的重要特征，包括孔隙水擠出而壓密的固結過程，以及土骨架受壓土顆粒平衡位置重新調整的次固結過程。次固結是孔隙水消散后，在有效應力不變情況下土體體積仍隨時間增長而減小的過程。在實際工程中往往忽略次固結對沉降的影響，導致工后沉降超出計算值，甚至影響工程正常運行。因此，通過一系列試驗研究吹填區(qū)軟土的固結與次固結變形特性，對科學合理評估吹填區(qū)上建筑物的沉降及穩(wěn)定尤為重要。

國內外學者對軟土的變形特性進行了一系列的研究[1-10]，分析了先期固結壓力、加荷比、固結壓力、應力歷史、結構性等因素對固結及次固結系數的影響，得到的結論不盡相同。文獻[1-2]通過試驗研究和理論分析提出軟黏土的次固結系數與其所處的固結狀態(tài)有關；而Newland等[3]研究顯示正常固結的軟黏土的次固結系數與固結壓力無關；文獻[4-5]認為次固結系數隨荷載的變化曲線在先期固結壓力附近出現轉折點；而邵光輝等[6]提出次固結系數隨荷載的變化曲線轉折點所對應的固結壓力為n倍先期固結壓力；Ladd[9]則提出正常固結軟黏土的次固結系數隨著荷載增加的變化規(guī)律不是唯一的；雷華陽等[10]研究了軟土結構性對次固結系數的影響。可見不同區(qū)域的軟土，由于礦物成分及結構性等影響，變形特性存在較大差異。

本文基于前人的研究成果，以粵東沿海某吹填區(qū)軟土作為研究對象，進行了一系列固結試驗，系統(tǒng)研究了壓縮性指標的影響因素和固結的變形規(guī)律，以及固結壓力、固結時間、排水距離、初始孔隙比等對次固結系數的影響，所獲結論可為工程計算提供科學的建議。

1 試驗方案

1.1 物理特性

試驗土樣為粵東沿海某吹填區(qū)的淤泥與淤泥質土，取自吹填土表面以下7～16 m(其中吹填厚度為7 m)。根據Casagrande法所確定的先期固結壓力為48～102 kPa，均為欠固結狀態(tài)，主要物理指標見表1。

1.2 試驗方案

一維固結試驗在WG型杠桿式三聯(lián)高壓固結儀上完成，土樣面積為30 cm2，高度為2 cm或4 cm，為避免溫度變化對試驗結果造成影響，將試驗溫度控制在24±1 ℃。試驗采用分級加載方式，具體見表2。

2 試驗結果及分析

2.1 固結特性

由試驗獲得的土樣孔隙比e隨時間t的變化曲線見圖1。在超固結階段曲線的反彎現象不明顯，次固結系數較小；在正常固結階段呈“S”狀，有明顯的反彎點，且斜率隨荷載基本不變。利用陳式加載法對試驗結果進行處理，可得土樣在分別加載時應力-應變等時曲線，見圖2。由圖2可見，應力-應變關系為一簇趨勢相同的曲線，當上部荷載較小時，土體的應力-應變關系近似呈直線，可認為土體在超固結階段應力-應變關系為線性相關，但當土體處于正常固結階段，試樣的應力-應變關系曲線向應力軸偏轉，非線性特征明顯。表明試樣具有在超固結階段為彈性變形、正常固結階段為黏塑性變形的變形特征，這一特征與先期固結壓力有關。

表1 土樣物理指標

Table 1 Basic physical indices of soft soil sample

W/%Ρ/(g·cm-3)e0Sr/%ds40.4～54.61.64～1.801.14～1.4491.0～100.02.62～2.67

表2 試驗方案

Table 2 Test scheme

(1)分級加載,加荷比=1(2)保持側向變形=0(3)加載方式:a)12.5→25→50→100→200→400→800→1600→3200,72h/stepb)12.5→25→50→100→200→400→800→1600,48h/stepc)25→50→100→200→400→800,24h/stepd)25→50→100→200→400→800,72h/stepe)25→50→100→200→400→800→1600→3200,96h/stepf)25→50→100→200→400→800→1600,24h/stepg)25→50→100→200→400→800→1600,72h/step

圖1 一維固結試驗e～lg t曲線Fig.1 Tested e-lg t curves of 1D consolidation test

圖2 一維固結等時曲線Fig.2 Isochronal curves of 1D consolidation test

2.2 次固結特性

2.2.1 固結壓力對次固結系數的影響

國內外學者對固結壓力對次固結系數的影響進行了大量研究，但更多的試驗結果表明變化規(guī)律并不唯一。Ladd 提出正常固結的軟黏土的次固結系數可能隨荷載增大不變或增大或減小；殷宗澤、陳曉平等提出次固結系數與所處的固結狀態(tài)有關。本文通過多組對比試驗，發(fā)現次固結系數隨固結壓力的變化除了與固結狀態(tài)相關外，還與土質有關，對于淤泥和淤泥質土樣，可近似歸納出的規(guī)律見圖3。

圖3 次固結系數隨固結壓力變化規(guī)律Fig.3 Curves of Caand p

次固結系數隨固結壓力的增大而增大，曲線的變化與先期固結壓力pc有關。當荷載小于ηpc時，次固結系數隨荷載的增長速率極其顯著，而當荷載達到這一定值時，次固結系數隨荷載的增長幅度則會趨于穩(wěn)定或非常小。對于淤泥質土樣，η≈2.3，對于淤泥土樣，η≈3.5。這一現象表明，次固結系數隨固結壓力變化的轉折點并不是出現在先期固結壓力附近，而是η倍的pc。這與Nash(1992)、Chen(2014)等認為次固結系數隨荷載的變化曲線在先期固結壓力附近出現轉折點的結論有所不同；但與石井一郎(1984)、Reddy(2014)、邵光輝(2008)等學者提出次固結系數隨荷載的變化曲線轉折點所對應的固結壓力約為1.5～3.5倍先期固結壓力的結果相似。可見，僅認為次固結與固結狀態(tài)有關是不夠全面的，還與土質相關，深層次的原因可能與土的結構屈服壓力有關，這一現象還有待進一步研究。

由圖3可見，次固結系數隨固結壓力的變化分為3個階段：Ⅰ階段pηpc，孔隙已經被不斷的壓密，土顆粒間及土顆粒與結合水膜間的結構性完全受到破壞，土體越來越接近重塑狀態(tài)，土體的次固結變形逐步趨于穩(wěn)定，次固結系數較小。對于淤泥土樣，由于其孔隙比較大、含水率高，土顆粒間及顆粒與結合水膜間的作用力被削弱，因此其Ⅱ階段經歷的時間會更長，且Ⅱ階段內的次固結系數較Ⅲ階段內的次固結系數反而有所增大。

圖4 不同固結時間下的次固結系數 CaFig.4 Caunder different consolidation times

2.2.2 固結時間對次固結系數的影響

通過不同固結時間的對比試驗(圖4)，結果表明固結時間的長短并不影響次固結系數隨固結壓力的變化，但在相同的固結壓力作用下，次固結系數會隨著固結時間的增長而有所降低。

2.2.3 排水距離對次固結系數的影響

通過不同試樣高度、不同排水面的對比試驗(圖5)，結果表明排水距離對次固結系數的影響可以忽略。

2.2.4 初始孔隙比對次固結系數的影響

通過不同初始孔隙比的對比試驗(圖6)，結果表明在相同荷載作用下，次固結系數隨著孔隙比的增長而增大。

2.3 壓縮性指標與固結及次固結的關系

根據試驗獲取的壓縮系數av、壓縮指數Cc、固結系數Cv和次固結系數Ca等數據，進行整理分析可知：

1)次固結系數Ca與壓縮指數Cc具有較好的線性關系，見圖7，Ca/Cc為0.028～0.049，平均值約為0.032。這與Mesri[7]歸納的軟黏土次固結系數與壓縮指數的比值0.025～0.1相符。

2)壓縮性指標與上覆固結壓力密切相關，見圖8。隨著上覆壓力的增加，壓縮系數明顯降低(圖8(a))；壓縮指數和固結系數則相對穩(wěn)定，但也不是常數(圖8(b)、(c))。這一現象與天然沉積的軟土大致相同。

(a)不同土樣高度

(b)不同排水條件圖5 次固結系數Ca隨排水距離的變化曲線Fig.5 Caunder different water discharging distances

圖6 次固結系數Ca與初始孔隙比的關系Fig.6 Curves of Ca initial void ratio

圖7 次固結系數Ca與壓縮指數Cc的關系Fig.7 Relationship between Ca and Cc

圖8 壓縮性指標隨固結壓力變化趨勢Fig.8 Relationship between compressibility index and p

3 結 論

1)固結變形與固結狀態(tài)有關，在正常固結階段e-lgt曲線呈“S”狀，且次固結系數不隨荷載增加產生明顯變化，其應力-應變關系為一簇趨勢相同的曲線，表明試驗土樣在超固結階段具有線性變形、正常固結階段為黏塑性變形的特征。

2)次固結系數隨固結壓力的變化分為3個階段，階段I和階段III次固結系數很小，工程問題中可以不考慮；階段II(pc

3)次固結系數隨固結時間、排水距離、初始孔隙比等條件變化而變化，在相同荷載作用下隨著固結時間的增長而有所降低，隨初始孔隙比增大而增大，而排水距離的影響則可以忽略。

4)次固結系數與壓縮指數呈現較好的線性關系，Ca/Cc為0.028～0.049，平均值約為0.032；壓縮性指標與上覆固結壓力密切相關，隨著上覆壓力的增加，壓縮系數明顯降低，這一現象與天然沉積的軟土大致相同。

[1] 殷宗澤,張海波,朱俊高，等.軟土的次固結[J],巖土工程學報,2003,25(5): 521-526.(Yin Zongze,Zhang Haibo,Zhu Jungao,et al.Secondary consolidation of soft soils[J].Chinese Jounal of Geotechnical Engineering,2003,25(5): 521-526.(in Chinese))

[2] 陳志波,孔秋平.福州軟土次固結變形特性試驗研究[J].中南大學學報：自然科學版,2014,45(10): 3602-3607.(Chen Zhibo,Kong Qiuping.Experimental study on secondary consolidation properties of Fuzhou soft soils[J].Journal of Central South University：Science and Technology,2014,45(10): 3602-3607.(in Chinese))

[3] Newland P L,Allel B H.A study of the consolidation characteristics of a clay[J].Geotechnique,1960,10:62-69.

[4] 陳曉平,朱鴻鵠,張芳枝，等.軟土變形時效特性的試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2005,24(12):2142-2148.(Chen Xiaoping,Zhu Honghu,Zhang Fangzhi，et al.Experimental study on time-dependent deformation of soft soil[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2005,24(12):2142-2148.(in Chinese))

[5] 周秋娟,陳曉平.軟土次固結特性試驗研究[J].巖土力學,2006,27(3):404-408.(Zhou Qiujuan,Chen Xiaoping.Test study on properties of secondary consolidation of soft soil [J].Rock and Soil Mechanics,2006,27(3):404-408.(in Chinese))

[6] 邵光輝,劉松玉.海相結構軟土的次固結研究[J].巖土力學,2008,29(8): 2057-2062.(Shao Guanghui,Liu Songyu.Research on secondary consolidation of structural marine clays[J].Rock and Soil Mechanics,2008,29(8): 2057-2062.(in Chinese))

[7] Mesri G,Castro A.Ca/Ccconcept and K0during secondary compression [J].Journal of Geotechnical Engineering,ASCE,1987,113(3):230-247.

[8] Mesri G,Choi Y K.The uniqueness of the end-of-primary (EOP)void ratio-effective stress relationship [C] // Proceedings of the 11th International Conference on Soil Mechanics and Foundation engineering.San Francisco,1985,2:587-590.

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[10] 雷華陽,張文振,丁小冬,等.考慮軟土結構強度的次固結特性試驗研究[J].巖土工程學報,2013,35(7): 1221-1227.(Lei Huayang,Zhang Wenzhen,Ding Xiaodong,et al.Experimental study on secondary consolidation considering structural strength of clay[J].Chinese Jounal of Geotechnical Engineering,2013,35(7): 1221-1227.(in Chinese))

Experimental study on consolidation and secondaryconsolidation of soft soil in fill zone

CHEN Yun-Chang1,LUO Qing-Zi2,WANG Sheng1,HUANG Jing-Wu1，*,YAO Zhen-Dong1,CHEN Xiao-Ping3

(1.GuangdongHydropowerPlanning&DesignInstitute,Guangzhou510170,China；2.SchoolofCivilandTransportationEngineering,GuangdongUniversityofTechnology,Guangzhou510006,China; 3.CollegeofScienceandEngineering,JinanUniversity,Guangzhou510632,China)

A series of consolidation tests based on different consolidation pressure,consolidation time,drainage distance and initial void ratio are conducted to investigate the time-dependent deformation characteristics of soft soil in fill zone.In the tests,the secondary consolidation coefficient and compression index has a good linear relationship,the compressibility index is closely related to overburden pressure.The soil consolidation deformation is linear in the over-consolidated stage and viscoplasticity in the normal consolidation,which related to the pre-consolidation pressure.The secondary consolidation coefficient curve divides into three stages by changing with consolidation pressure,phase II(pc

consolidation test;secondary consolidation coefficient; compression index; consolidation pressure

10.13524/j.2095-008x.2016.04.051

2016-11-08

國家自然科學基金資助項目(41472279)；廣東水利科技創(chuàng)新項目(2011-04)

陳云長(1963-)，男，廣東茂名人，教授級高級工程師，研究方向：水利水電工程地質與水文地質，E-mail：chen.yc@gpdiwe.com;*通訊作者：黃井武(1980-)，男，福建漳州人，高級工程師，博士，研究方向：水利水電工程，E-mail：huang.jingwu@gpdiwe.com。

TU411.5

A

2095-008X(2016)04-0014-06