河灘沉積型軟土次壓縮沉降變形分析

朱文君 （安徽省長江河道管理局，安徽 蕪湖 241000）

1 前言

同馬大堤巨網(wǎng)段位于安徽省安慶市皖河口，地質(zhì)資料顯示該段堤基分布有約14m厚河灘沉積型軟土，1957年修筑該段堤防時未對軟基加固處理。據(jù)統(tǒng)計，同馬大堤巨網(wǎng)段曾發(fā)生沉陷的堤段長約4.8km，占總長的72%，堤頂最大沉降變形達14cm，堤坡最大塌陷超60cm。這類持續(xù)多年的沉降變形，與軟基的次壓縮固結(jié)特性有著密不可分的關(guān)系。

軟土的壓縮固結(jié)過程可分為主固結(jié)和次固結(jié)兩部分（圖1）。主固結(jié)指土體中超靜孔隙水壓力逐漸消散，有效應(yīng)力不斷增長直至總應(yīng)力的過程。當(dāng)土體中的孔隙水不再排出時，土體的壓縮變形本應(yīng)停止，但眾多軟粘土的壓縮試驗結(jié)果表明，在孔隙壓力消散完全后，土體仍會產(chǎn)生變形，且持續(xù)很長時間，這就是次固結(jié)。次固結(jié)變形，又稱體積蠕變，是指因土顆粒表面的結(jié)合水膜蠕動，土顆粒結(jié)構(gòu)緩慢重新排列，隨時間不斷發(fā)展的變形。

2 試驗材料及試驗儀器

2.1 試驗材料

試驗土樣取自長江下游某段的河灘沉積型軟土，考慮原狀試樣之間存在差異，為保證試樣完全相同，本文制備重塑樣進行試驗，制備過程見圖2，重塑樣基本物理性質(zhì)指標(biāo)列于表1。

圖2 軟土重塑樣制備過程

主要物理性質(zhì)指標(biāo)表 表1

2.2 試驗儀器

單向固結(jié)試驗在高壓固結(jié)儀上進行。高壓固結(jié)儀主要由以下幾個部分組成。

①固結(jié)容器：由環(huán)刀、護環(huán)、透水板、水槽、加壓上蓋組成。

②加壓設(shè)備：杠桿加荷，試驗采用兩種型號高壓固結(jié)儀，杠桿比分別為1:12和1:24，荷載最大可加載到1600kPa和3200kPa。

③變形量測設(shè)備：量程10mm，最小分度值0.01mm的百分表。

④其他工具：包括刮土刀、鋼絲鋸、電子天平、秒表、扳手等。

3 試驗方案

按前述重塑樣制備方法，切得4個環(huán)刀試樣（編號 1#～4#），試樣高2cm，面積30cm2。各試樣均由25kPa逐級加載至不同的預(yù)壓力，固結(jié)穩(wěn)定3d后，都卸載至12.5kPa，此時預(yù)壓力即相當(dāng)于前期固結(jié)壓力pc。各試樣按荷載率Δp/p=1再加載，此時隨固結(jié)壓力p的逐級施加，土樣分別經(jīng)歷超固結(jié)與正常固結(jié)兩個階段，試樣具體再加載方案如表2。

試樣加載方案 表2

4 土樣次壓縮變形

在試樣再加載變形過程中，利用百分表測讀不同時刻的變形量，求出試樣孔隙比，繪制孔隙比e與時間對數(shù)lgt的關(guān)系曲線，各試樣e～lgt關(guān)系曲線見圖3。

軟土壓縮固結(jié)曲線近似由兩條直線（圖1的虛直線）組成，兩條直線交點處的時刻t1即認為是主固結(jié)完成的時刻，t1之后的變形認為是次固結(jié)變形，它與時間對數(shù)有良好的線性關(guān)系，轉(zhuǎn)折點后直線的斜率定義為次固結(jié)系數(shù)Ca，計算公式如下：

圖3 試樣固結(jié)變形e-lgt關(guān)系曲線

試樣次固結(jié)系數(shù)表(×10-2) 表3

上式中，t為加載持續(xù)時間；t1為主固結(jié)完成時間；et和e1分別對應(yīng)時間t和t1時試樣的孔隙比。

計算1#～4#試樣e～lgt試驗曲線后半部分的直線斜率，得出試樣在各級荷載下的次固結(jié)系數(shù)Ca見表3。

由表3不難看到，各試樣的次固結(jié)系數(shù)Ca隨固結(jié)壓力p的增大呈先增大再緩慢減小的趨勢，Ca在前期固結(jié)壓力pc后的下一級荷載達到峰值。為什么次固結(jié)系數(shù)隨壓力增大而先增后減呢？因土樣已受過較大的前期固結(jié)壓力作用，在超固結(jié)狀態(tài)下，土樣處在回彈再壓縮曲線上，孔隙變化小，相應(yīng)的次固結(jié)變形也較小，隨壓力的增大，土體蠕變變形加強，次固結(jié)效應(yīng)增大。在正常固結(jié)狀態(tài)下，土樣逐漸被壓實，變形空間小，土骨架蠕變愈發(fā)困難，次固結(jié)系數(shù)逐漸減小。

5 軟基次壓縮沉降

工程實踐中，地基中的軟土層厚度可達十幾米甚至幾十米，地基受荷后的壓縮固結(jié)過程與室內(nèi)試驗有很大不同。室內(nèi)試驗由于試樣薄，孔壓近似可以視作均勻的，試樣不同位置的孔壓和有效應(yīng)力都是相同的。而地基的軟土層很厚，靠近排水面的土體孔壓消散早，遠離排水面孔壓消散慢，孔壓分布不均勻，不同位置的孔壓和有效應(yīng)力存在差異，在計算次壓縮量時需要考慮這種差異。

借鑒微分的思想，將整個軟土層劃分為許多薄層，根據(jù)深度的不同分別計算各層的次壓縮量，對于第i層軟土，其次壓縮量為：

式中，Ssi為土層i的次壓縮量；hi為土層i的厚度；e0i為初始孔隙比；Ca為次固結(jié)系數(shù)；ti為土層i孔壓開始消散的時刻；t1i為土層i主固結(jié)完成的時刻。

若隨有效應(yīng)力的增加，第i層軟土分別經(jīng)歷超固結(jié)與正常固結(jié)兩個狀態(tài)，根據(jù)試驗得出的不同固結(jié)壓力p對應(yīng)的次固結(jié)系數(shù)，先分別求出第i層軟土在超固結(jié)狀態(tài)和正常固結(jié)狀態(tài)下的次壓縮分量，然后相加求和得出該土層的次壓縮量。

以上給出了第i層軟土的次壓縮量計算方法，根據(jù)在地基沉降計算中廣泛應(yīng)用的分層總和法，疊加各軟土層的次壓縮量，就得到了整個軟土層的總次壓縮沉降：

6 結(jié)語

根據(jù)室內(nèi)試驗分析，軟土次固結(jié)系數(shù)Ca隨固結(jié)壓力p的增大，呈先增大再緩慢減小的趨勢，Ca在前期固結(jié)壓力pc后的下一級荷載達到峰值。工程實踐中，考慮各部位的軟土層處于不同固結(jié)狀態(tài)，根據(jù)試驗得出的次固結(jié)系數(shù)Ca先分層求解各軟土層的次壓縮量，再采用分層總和法疊加各軟土層的次壓縮量，最后計算出整個軟土層的總次壓縮沉降量。