珠三角西部軟土變形特性試驗(yàn)研究

何程鈴，劉紅軍

（五邑大學(xué) 土木與建筑學(xué)院，廣東 江門 529020）

珠江三角洲西部地區(qū)軟土屬第四系沉積物，其土類主要為淤泥和淤泥質(zhì)土[1-3]，具有含水率高、天然孔隙比大、土體接近完全飽和、滲透性低、抗剪強(qiáng)度低、壓縮性高、承載力低和結(jié)構(gòu)性強(qiáng)等物理力學(xué)特性[4-5].

要在軟土地基上進(jìn)行工程建設(shè)，前期必須考慮軟土的變形特性，如壓縮量、孔隙比、壓縮系數(shù)、壓縮模量等壓縮指標(biāo)，并根據(jù)其變形特性設(shè)計(jì)相應(yīng)的施工方案. 因此，研究軟土地基的變形特性對(duì)工程建設(shè)有著十分重要的意義.

本文采用室內(nèi)一維固結(jié)壓縮試驗(yàn)，考慮取樣深度及軟土各向異性的影響[6-7]，分別對(duì)5.20 ～5.40 m、8.20 ～8.40 m、11.40 ～11.60 m 3 個(gè)深度的試樣進(jìn)行豎向和橫向的壓縮，研究壓縮系數(shù)、壓縮模量等壓縮性指標(biāo)在取樣深度和壓縮方向不同的情況下隨固結(jié)壓力的變化情況，以期為本區(qū)域軟土地基工程提供合理可靠的設(shè)計(jì)依據(jù).

1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)土樣取自廣東省江門市新會(huì)區(qū)厚德路 K0+400 處，該地區(qū)屬西江三角洲沖積平原，區(qū)內(nèi)廣泛分布第四系全新統(tǒng)海陸交互相沉積軟土[8-9]，是不良地基土，土類主要為淤泥和淤泥質(zhì)土，土層層頂埋深1.80 ～6.20 m，層厚8.00 ～17.95 m，平均厚度為12.18 m；試驗(yàn)取土樣深度分別為5.20 ～5.40 m、8.20 ～8.40 m、11.40 ～11.60 m，土樣呈灰黑色，飽和，流塑狀態(tài). 按《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTGE40—2007）試驗(yàn)方法[10]，對(duì)所取原狀土樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，其相關(guān)物理性質(zhì)指標(biāo)如表1 所示.

從表1 可得，該地區(qū)軟土天然含水率較高，孔隙比大于1，壓縮系數(shù)a1-2＞0.5 MPa-1，為高壓縮性土[11]. 為了研究珠江三角洲西部地區(qū)軟土在不同深度、不同受力方向作用下其變形特性隨固結(jié)壓力的變化，根據(jù)受力方向?qū)γ恳簧疃韧翗舆M(jìn)行兩個(gè)方向壓縮，一種是順著土體自重方向進(jìn)行壓縮，即豎向壓縮；另一種是垂直于土體自重方向進(jìn)行壓縮，即橫向壓縮. 一維固結(jié)壓縮試驗(yàn)采用的是中低壓固結(jié)儀，土樣初始高度為2.00 cm，面積為230.00 cm ，加載等級(jí)為12.5 kPa、25 kPa、50 kPa 、100 kPa、200 kPa、300 kPa 、400 kPa、600 kPa 和800 kPa ，每一級(jí)固結(jié)壓力荷載從15 s 開始記錄土樣變形量，并按設(shè)定時(shí)間記錄至48 h.

表1 土樣的基本物理性質(zhì)指標(biāo)

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 壓縮量與時(shí)間的關(guān)系

圖 1～3 為不同深度軟土試樣在每級(jí)固結(jié)壓力作用下的壓縮變形過(guò)程，其橫坐標(biāo)為土樣的固結(jié)時(shí)間.

圖1 5.2～5.4 m 壓縮量與固結(jié)時(shí)間的關(guān)系曲線圖

圖2 8.2～8.4 m 壓縮量與固結(jié)時(shí)間的關(guān)系曲線圖

圖3 11.4～11.6m 壓縮量與固結(jié)時(shí)間的關(guān)系曲線圖

根據(jù)圖1～3 中的曲線變化特征可得，土樣的壓縮量均隨固結(jié)壓縮時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，固結(jié)壓縮時(shí)間在前240 min ，土樣的壓縮量隨固結(jié)壓縮時(shí)間的增長(zhǎng)而顯著增大，之后增加緩慢，并且增加量小，說(shuō)明在前240 min 土樣的主固結(jié)狀態(tài)已基本完成. 土樣在5.2 ～5.4 m 深度處的橫向累計(jì)壓縮量要比豎向累計(jì)壓縮量大，兩者差值可達(dá)0.59 mm. 而另外兩個(gè)深度處的橫向累計(jì)壓縮量與豎向累計(jì)壓縮量相接近，無(wú)明顯差異. 因此，說(shuō)明土樣的各向異性受土樣埋深的影響，土樣在較淺埋深時(shí)，其各向異性表現(xiàn)突出，而在較深埋深時(shí)，其各向異性表現(xiàn)不明顯.

2.2 孔隙比與固結(jié)壓力的關(guān)系

e -p 曲線是計(jì)算地基土層最終壓縮量的重要依據(jù)，因此要對(duì)該區(qū)域的軟土開展這方面的研究工作.

經(jīng)試驗(yàn)和計(jì)算得到軟土孔隙比隨固結(jié)壓力的變化曲線如圖4 所示，由圖4 可得，軟土的孔隙比均隨固結(jié)壓力的增大而減小，當(dāng)固結(jié)壓力在200 kPa 以內(nèi)，孔隙比變化較大，最大可減小孔隙比 1左右，最小達(dá)到0.5 以上，由此可見，該區(qū)域軟土在固結(jié)壓力小于200 kPa 時(shí)，壓縮量較大. 其主要原因是軟土為欠固結(jié)土，前期固結(jié)壓力小，初始孔隙比大，當(dāng)固結(jié)壓力大于前期固結(jié)壓力時(shí)，土體將會(huì)發(fā)生較大的變形. 在整個(gè)受壓范圍內(nèi)，隨著固結(jié)壓力的增加，取樣深度對(duì)孔隙比減小的范圍影響不大. 在進(jìn)行豎向壓縮時(shí)，隨著固結(jié)壓力的增加，e -p 收斂的較快.

圖4 珠三角西部軟土的e -p 曲線

2.3 壓縮系數(shù)與固結(jié)壓力的關(guān)系

圖5 顯示了不同取樣深度的軟土在豎向和橫向壓縮下壓縮系數(shù)與固結(jié)壓力的關(guān)系曲線，依據(jù)圖中曲線變化特征可知，土樣的壓縮系數(shù)均隨固結(jié)壓力的增大而逐漸減小，并且在固結(jié)壓力小于100 kPa 時(shí)，壓縮系數(shù)隨固結(jié)壓力的增加而顯著減少. 在固結(jié)壓力小于100 kPa 時(shí)，5.2 ～5.4 m 深度的土樣橫向壓縮得到的壓縮系數(shù)減小的幅度比豎向壓縮大，可達(dá)到 12.59 MPa-1，另外兩個(gè)深度的土樣進(jìn)行豎橫向壓縮時(shí)，壓縮系數(shù)減小的差值無(wú)明顯的差異. 當(dāng)固結(jié)壓力大于100 kPa 時(shí)，豎向和橫向得到的壓縮系數(shù)幾乎相同. 因此，從軟土的壓縮變形角度來(lái)分析可知，軟土的各向異性是受埋深及固結(jié)壓力影響的，一般情況下埋深小各向異性表現(xiàn)的明顯，固結(jié)壓力大表現(xiàn)的弱些.

圖5 壓縮系數(shù)與固結(jié)壓力的關(guān)系曲線圖

2.4 壓縮模量與固結(jié)壓力的關(guān)系

如圖6 所示，壓縮模量隨固結(jié)壓力的增加接近于直線增長(zhǎng)，隨著固結(jié)壓力的增加，土體變得更加密實(shí)，壓縮模量增加的速度有所加快. 土樣的取樣深度及各向異性對(duì)壓縮模量的影響并不明顯，由圖6-b 可知，橫向壓縮時(shí)，埋深對(duì)壓縮模量還是有影響的，隨著固結(jié)壓力的增加，埋深淺的軟土壓縮模量增加較快.

圖6 壓縮模量與固結(jié)壓力的關(guān)系曲線圖

3 結(jié)論

對(duì)3 個(gè)不同深度軟土分別進(jìn)行了豎向和橫向的多級(jí)加載一維固結(jié)壓縮試驗(yàn)，并且得出以下主要結(jié)論：

1）軟土的孔隙比均隨固結(jié)壓力的增大而減小，當(dāng)固結(jié)壓力在200 kPa 以內(nèi)，孔隙比變化較大，最大可減小孔隙比1 左右，最小達(dá)到0.5 以上；取樣深度對(duì)孔隙比減小的范圍影響不大；在進(jìn)行豎向壓縮時(shí)，隨著固結(jié)壓力的增加，e -p 收斂的較快.

2）固結(jié)壓縮時(shí)間在前240 min，土樣的壓縮量隨固結(jié)壓縮時(shí)間的增長(zhǎng)而顯著增大，之后增加緩慢，并且增加量小，說(shuō)明在前240 min 土樣的主固結(jié)狀態(tài)已基本完成；土樣在5.2 ～5.4 m 深度處的橫向累計(jì)壓縮量要比豎向累計(jì)壓縮量大，在另外兩個(gè)深度處的橫向累計(jì)壓縮量與豎向累計(jì)壓縮量相接近.

3）在固結(jié)壓力小于100 kPa 時(shí)，壓縮系數(shù)隨固結(jié)壓力的增加而顯著減少；5.2 ～5.4 m 深度的土樣橫向壓縮得到的壓縮系數(shù)減小的幅度比豎向壓縮大；當(dāng)固結(jié)壓力大于100 kPa 時(shí)，豎向和橫向得到的壓縮系數(shù)幾乎相同.

4）壓縮模量隨固結(jié)壓力的增加而接近直線增長(zhǎng)；軟土在橫向壓縮時(shí)，隨著固結(jié)壓力的增加，埋深淺的軟土壓縮模量增加較快.

上述結(jié)論能為本區(qū)域軟土地基工程提供合理可靠的設(shè)計(jì)依據(jù). 對(duì)于珠三角西部軟土變形特性的研究，特別是軟土的壓縮系數(shù)、壓縮模量與固結(jié)壓力之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，還有待于進(jìn)一步的研究和驗(yàn)證.