軟粘土次固結(jié)系數(shù)與固結(jié)壓力、含水量的關(guān)系

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司 廣東 廣州 510230）

軟粘土次固結(jié)系數(shù)與固結(jié)壓力、含水量的關(guān)系

佘 紅 謝焰云

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司 廣東 廣州 510230）

本文通過某工地大量的軟粘土單向固結(jié)試驗，分析了軟粘土次固結(jié)系數(shù)與固結(jié)壓力、含水量之間的關(guān)系，結(jié)果表明次固結(jié)系數(shù)隨固結(jié)壓力先增大后減?。淮喂探Y(jié)系數(shù)與含水量呈一定線性關(guān)系，隨含水量的增大而增大。

軟粘土；次固結(jié)系數(shù)；固結(jié)壓力；含水量

在三維應(yīng)力邊界條件下，飽和土體地基受荷載作用后產(chǎn)生的總沉降量可以看作由三部分組成：瞬時沉降、主固結(jié)沉降、次固結(jié)沉降。 對于堅硬土或者超固結(jié)土，土體的次固結(jié)沉降相對較小，可以忽略不計，但對于軟粘土次固結(jié)沉降是非常重要的。

我國的軟土在沿海地區(qū)分布十分廣泛，這些軟土基本都是第四紀以來形成的淤泥、淤泥質(zhì)土，表現(xiàn)為含水率高、孔隙比大、壓縮性高、承載力低，它們有著顯著的次固結(jié)特性。土體的變形是工程設(shè)計施工過程中需要重要考慮的因素之一，在工民建、道路、港口碼頭等工程的建設(shè)中，經(jīng)常會遇到軟粘土地基，軟粘土的次固結(jié)沉降計算是非常重要的，而軟粘土的次固結(jié)變形通常用次固結(jié)系數(shù)來描述，因此次固結(jié)系數(shù)是計算軟土地基沉降的重要參數(shù)。

1.次固結(jié)系數(shù)的定義

太沙基單向固結(jié)理論中，在荷載作用下飽和土體中孔隙水的排出導致土體體積隨時間逐漸減少，有效應(yīng)力逐漸增加，這一過程就為固結(jié)。隨著時間的增加，孔隙水應(yīng)力逐漸消散，當孔隙水應(yīng)力消散為零，外部附加應(yīng)力全部轉(zhuǎn)為土體的有效應(yīng)力，這意味著土體的主固結(jié)已經(jīng)完成。這一過程中土體所產(chǎn)生的沉降即為本文所指的主固結(jié)沉降。

軟粘土當孔隙水壓力消散為零主固結(jié)完成后，在恒定荷載即有效應(yīng)力不變的情況下，隨著時間增長會繼續(xù)發(fā)生沉降，這種沉降稱為次固結(jié)沉降。 圖1表示粘土試樣在某荷載作用下由于固結(jié)與次固結(jié)引起的孔隙比變化與時間的半對數(shù)關(guān)系。室內(nèi)試驗表明次固結(jié)變形的大小與時間的半對數(shù)成線性關(guān)系，如右圖試驗曲線反彎點的切線與下部直線段延長線的交點（e1，t1）即代表試樣固結(jié)度達100%的點。該點以下所發(fā)生的變形即為次固結(jié)變形，從時間t1到t2之間由次固結(jié)所引起的孔隙比的減小為：

上式中Ca就為次固結(jié)系數(shù)。

2.次固結(jié)系數(shù)與固結(jié)壓力關(guān)系

本文試驗土樣取自越南胡志明市某地的軟粘土，試驗設(shè)備采用高壓單向固結(jié)儀，使用內(nèi)徑61.8mm、高度20mm的不銹鋼環(huán)刀，上下雙向排水，試驗方法按《土工試驗方法標準》進行。土樣的物理性質(zhì)指標如下表1所示(液限為76克錐入土17mm所對應(yīng)含水率)。

表1 試樣物理指標Table 1 Physical property of samples

圖1 次固結(jié)系數(shù)定義Figure 1 coefficient of secondary consolidation

試驗時對3個土樣分別選用不同的加荷序列，采用分級施加荷載的方法，每級荷載持續(xù)24小時，變形達到穩(wěn)定后再施加下一級荷載，不考慮溫度對土體變形的影響，得到3個土樣的各級固結(jié)壓力下次固結(jié)系數(shù)結(jié)果如下表2。

表2 固結(jié)壓力序列Table 2 Load sequence

把3個土樣各級固結(jié)壓力與所對應(yīng)的次固結(jié)系數(shù)繪制到一個圖上，得到固結(jié)壓力與次固結(jié)系數(shù)的關(guān)系曲線，如圖2所示：

圖2 次固結(jié)系數(shù)與固結(jié)壓力關(guān)系曲線Figure 2 Coefficient of secondary consolidation and load curve

2.1次固結(jié)系數(shù)與固結(jié)壓力的關(guān)系

次固結(jié)系數(shù)的定義式中沒有反應(yīng)出次固結(jié)系數(shù)與固結(jié)有關(guān)系，而且實際使用中通常認為次固結(jié)系數(shù)為一個常數(shù)，而我們從上圖可以看出，次固結(jié)系數(shù)并非一個常數(shù)，而是一個變量，是與固結(jié)壓力密切相關(guān)的。 因此計算土體的次固結(jié)沉降時應(yīng)選用相應(yīng)固結(jié)壓力下的次固結(jié)系數(shù)。

2.2次固結(jié)系數(shù)與應(yīng)力歷史的關(guān)系

根據(jù)常規(guī)壓縮試驗，按照《土工試驗方法標準》中卡薩蘭德求前期固結(jié)壓力的方法，得出土樣1與土樣2個前期固結(jié)壓力為40kPa左右，土樣3的前期固結(jié)壓力為100 kPa左右。試樣所用的3個土樣均為海底淤泥，前期固結(jié)壓力基本與自重一致，所以試驗所用3個土樣基本都處于正常固結(jié)狀態(tài)。

根據(jù)試驗結(jié)果可知，土樣1在固結(jié)壓力為75 kPa時次固結(jié)系數(shù)最大，土樣2也在固結(jié)壓力為75 kPa時次固結(jié)系數(shù)最大，土樣3在固結(jié)壓力200 kPa時次固結(jié)系數(shù)最大。

由圖可看出，3個土樣的最大次固結(jié)系數(shù)所對應(yīng)的固結(jié)壓力都在前期固結(jié)壓力附近，在固結(jié)壓力較大或較小時，次固結(jié)系數(shù)都較小。當固結(jié)壓力小于前期固結(jié)壓力時，次固結(jié)系數(shù)隨壓力的增大而顯著增大；當固結(jié)壓力較大于前期固結(jié)壓力時，次固結(jié)系數(shù)隨壓力的增大而減小。即次固結(jié)系數(shù)與超固結(jié)比是對應(yīng)的，當土樣處于超固結(jié)狀態(tài)時，次固結(jié)系數(shù)隨固結(jié)壓力的增大而遞增，并在固結(jié)壓力在前期固結(jié)壓力附近時達到峰值；當土樣處于正常固結(jié)狀態(tài)時，次固結(jié)系數(shù)隨固結(jié)壓力的增大而減小，并且當固結(jié)壓力很大時，次固結(jié)系數(shù)變化幅度會很小。

軟粘土的次固結(jié)變形表現(xiàn)出上述特性是正常固結(jié)軟粘土結(jié)構(gòu)性強度的表現(xiàn)。原狀土的結(jié)構(gòu)為絮狀結(jié)構(gòu)，當荷載從小于前期固結(jié)壓力增加到前期固結(jié)壓力附件的過程中，土體結(jié)構(gòu)慢慢發(fā)生破壞，土顆粒從新排列組合，表現(xiàn)出次固結(jié)系數(shù)隨固結(jié)壓力增大而增大；當荷載大于前期固結(jié)壓力后，土顆粒受到壓縮，土粒間的距離隨壓力作用和次固結(jié)變形的發(fā)展越來越小，土顆粒越來越緊密，變形就會越來越慢，表現(xiàn)出次固結(jié)系數(shù)隨壓力的增大而減小。

3.次固結(jié)系數(shù)與含水量的關(guān)系

本文收集了越南胡志明市附近某工地20個軟粘性土在200kPa固結(jié)壓力下的次固結(jié)系數(shù)數(shù)據(jù)，對應(yīng)的含水量與次固結(jié)系數(shù)如下表3。

表3 含水量與次固結(jié)系數(shù)Table 3 Moisture content and coefficient of secondary consolidation

56.4 69.5 29.7 2.334 94.5 106.2 41.7 3.785 55.4 72.1 29.0 1.741 63.8 65.7 29.2 2.265 61.2 73.2 29.1 2.941 51.5 63.2 27.2 2.018 110.8 111.2 40.9 3.956 65.3 81.8 32.5 2.031 98.9 65.0 45.0 3.665 64.1 72.5 29.9 1.928

將含水量與對應(yīng)的次固結(jié)系數(shù)繪制在散點圖上，再用線性擬合，如圖3所示。

圖3 含水量與次固結(jié)系數(shù)關(guān)系曲線Figure 3 Moisture content and coefficient of secondary consolidation curve

由上圖可知，在相同外界固結(jié)壓力下，飽和軟粘土的次固結(jié)系數(shù)與含水量呈線性關(guān)系，即次固結(jié)系數(shù)隨含水量的增大而增大。

從理論上講，土的含水量越高，土體內(nèi)的自由水越多，土粒間的水膜越厚，分子間的作用力就越小，在同等外力及相同的作用時間內(nèi)，土粒越容易發(fā)生相對位移即土體發(fā)生變形，表現(xiàn)在一定時間內(nèi)發(fā)生的變形也較大，即產(chǎn)生的固結(jié)與次固結(jié)變形較大，表現(xiàn)為次固結(jié)系數(shù)也較大。

4.結(jié)論

（1）現(xiàn)今土體的次固結(jié)沉降計算通常不考慮固結(jié)壓力的影響，認為次固結(jié)系數(shù)為一個常數(shù)，本文由3個土樣的次固結(jié)試驗知，次固結(jié)并非一個常數(shù)，而是與固結(jié)壓力密切相關(guān)的，因此次固結(jié)沉降計算時應(yīng)該考慮壓力的影響。

（2）軟粘土的次固結(jié)系數(shù)與超固結(jié)比是對應(yīng)的，當土樣處于超固結(jié)狀態(tài)時，次固結(jié)系數(shù)隨固結(jié)壓力的增大而遞增，并在固結(jié)壓力在前期固結(jié)壓力附近時達到峰值；當土樣處于正常固結(jié)狀態(tài)時，次固結(jié)系數(shù)隨固結(jié)壓力的增大而減小，并且當固結(jié)壓力很大時，次固結(jié)系數(shù)變化幅度會很小。

（3）在相同固結(jié)壓力下，次固結(jié)系數(shù)與含水量呈一定線性關(guān)系，表現(xiàn)為次固結(jié)系數(shù)隨含水量的增大而增大。

[1]《土工試驗方法標準》

[2]《土力學》河海大學出版社

[3]常青，余湘娟.《軟土次固結(jié)變形特性的試驗研究》南水北調(diào)與水利科技 2008

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1007-6344（2017）06-0016-02

佘紅（1984- ），男，本科，工程師，中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司勘察處，主要從事國內(nèi)外港口碼頭等項目工程勘察工作。