某新建機(jī)場地基淤泥質(zhì)土流變特性試驗研究

劉光慶，劉海旺，陳 緣，李文乾，崔倫凱

（1. 福建兆翔機(jī)場建設(shè)有限公司，福建 廈門 361001；2. 浙江大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310058；3. 中鐵十局集團(tuán)有限公司 城市軌道交通工程有限公司，廣東 廣州 511400）

0 引 言

我國軟土分布廣泛，性質(zhì)多樣，在這些軟土地基上的工程項目建設(shè)中，對長期沉降的準(zhǔn)確預(yù)測與分析尤為重要。尤其是我國沿海地區(qū)，海相軟土分布范圍廣，厚度深，軟土的流變特性使得地基在進(jìn)行大面積處理后仍存在較大的沉降問題。

自1936年Buisman首次采用次固結(jié)系數(shù)描述軟土流變特性并計算次固結(jié)沉降以來，眾多國內(nèi)外學(xué)者對不同地區(qū)軟土的次固結(jié)機(jī)理進(jìn)行了大量試驗研究，并取得了一定成果[1-8]。朱俊高等[9]研究了浙江寧波某軟土路基土樣在反復(fù)荷載作用下的次固結(jié)特性，為反復(fù)荷載作用下軟土次固結(jié)變形計算提供了重要參考。余湘娟等[10]通過室內(nèi)蠕變固結(jié)試驗研究了次固結(jié)系數(shù)與荷載大小的關(guān)系，結(jié)果表明隨著荷載的增加，軟土的次固結(jié)系數(shù)先逐漸增大然后逐漸減小。邵光輝等[11]通過海相軟土的一維次固結(jié)試驗研究發(fā)現(xiàn)，海相結(jié)構(gòu)軟土的次固結(jié)系數(shù)在超固結(jié)、結(jié)構(gòu)破壞、正常固結(jié)3個階段均隨荷載變化而變化，但其變化規(guī)律都不相同。羅慶姿等[12]對汕頭東部吹填軟黏土進(jìn)行了大量的一維壓縮試驗，系統(tǒng)分析了不同條件下次固結(jié)系數(shù)的變化情況。陳曉平等[13]系統(tǒng)研究了廣東典型軟土的蠕變固結(jié)特性和計算模型，并且分析了劃分主次固結(jié)階段和影響次固結(jié)系數(shù)大小的因素。陳立國等[14]對洞庭湖軟土開展了一系列一維固結(jié)蠕變試驗，研究結(jié)果表明，軟土主次固結(jié)階段的劃分與固結(jié)壓力、固結(jié)狀態(tài)、加荷比等因素有關(guān)。李軍世等[15]結(jié)合室內(nèi)試驗通過引入 Mesri蠕變模型描述了上海淤泥質(zhì)黏土的蠕變特性并得到了模型參數(shù)。朱墩[16]以上海地區(qū)軟土為研究對象，開展了20組固結(jié)試驗，發(fā)現(xiàn)次固結(jié)系數(shù)隨含水率增大而線性增大，隨孔隙比的增加呈分段增長并且隨荷載的增大而增大。謝新宇等[17]對寧波軟土進(jìn)行了一維和三軸流變試驗，并根據(jù)試驗結(jié)果擬合得到了西原流變模型的計算參數(shù)。

計算軟土主固結(jié)的變形與滲流理論已較為成熟，但對于軟土流變引起的次固結(jié)變形仍缺乏完善的計算方法。此外，從上述文獻(xiàn)的試驗研究中還可發(fā)現(xiàn)，不同軟土種類的次固結(jié)特性差異較大，因此特定地區(qū)軟土流變特性仍需要通過相應(yīng)的試驗進(jìn)行綜合考量。本文通過一維流變固結(jié)試驗對某新建機(jī)場場地內(nèi)海相淤泥的流變特性進(jìn)行研究，并分析總結(jié)其后期沉降變形的變化規(guī)律。研究結(jié)論可為機(jī)場建設(shè)過程中地基沉降的計算預(yù)測提供依據(jù)。

1 試驗概況

試驗土樣為海積淤泥，深灰色，飽和，流塑；成份主要由粉、黏粒組成，局部含少量粉砂、細(xì)砂，含有機(jī)質(zhì)。該層具天然含水量高、孔隙比大、強(qiáng)度低的特性，填海造地過程中已經(jīng)過3年左右的滿載插板預(yù)壓處理。試樣取土處上覆堆載荷載約為234 kPa，根據(jù)沉降板和孔壓監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示場地內(nèi)固結(jié)度已達(dá)到 96%以上。為了更好的分析該軟土層后期的流變特性，本次試驗土樣取自兩個勘探孔不同深度共18個試樣，其取樣深度和編號如表1所示。

表1 試樣編號及取土深度Table 1 Sample number and soil depth

該土樣常規(guī)土工參數(shù)如表2所示。

表2 常規(guī)試樣指標(biāo)Table 2 General geotechnical parameters

本次一維流變固結(jié)試驗的依據(jù)為《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123—2019），分別采用分級加載和分別加載兩種模式對兩組試樣進(jìn)行常規(guī)一維流變固結(jié)試驗。其中分級加載為針對每個試樣逐級開展壓縮試驗：12.5 kPa→25 kPa→50 kPa→100 kPa→200 kPa→400 kPa→800 kPa，每級荷載的試驗終止條件參考規(guī)范穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)。分別加載為針對每個試樣分別開展壓縮試驗：12.5 kPa；25 kPa；50 kPa；100 kPa；200 kPa；400 kPa；800 kPa，每級荷載的試驗終止條件參考規(guī)范穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，常規(guī)一維固結(jié)試驗的規(guī)范穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為每級壓力下固結(jié) 24 h或試樣變形每小時變化不大于0.01 mm。

2 試驗結(jié)果

2.1 分級加載

圖1為兩組試樣在分級加載試驗下應(yīng)變隨時間的變化曲線。從圖中可見，隨著荷載的增加，每一級應(yīng)力下土樣的應(yīng)變隨之增大。由曲線可得到應(yīng)變變化規(guī)律為先發(fā)生較快的主固結(jié)變形，隨后發(fā)生較慢的次固結(jié)變形，主次固結(jié)拐點(diǎn)較為清晰。

圖1 試樣分級加載結(jié)果Fig. 1 Graded loading results of samples

2.2 分別加載

圖2為兩組試樣在分別加載試驗下應(yīng)變隨時間的變化曲線。主次固結(jié)的拐點(diǎn)較為清晰，大部分試樣拐點(diǎn)基本發(fā)生在施加荷載后的50 min左右，部分Y2組試樣拐點(diǎn)延長至400 min左右。當(dāng)軟土處于荷載小于50 kPa的低應(yīng)力水平下蠕變速率較低，次固結(jié)變形較小。當(dāng)荷載增大時，后期蠕變變形速率明顯增加，次固結(jié)變形也相應(yīng)增大。

圖2 試樣分別加載結(jié)果Fig. 2 Separate loading results of samples

3 次固結(jié)系數(shù)分析

根據(jù)分級加載條件下的應(yīng)變-時間曲線對次固結(jié)系數(shù)進(jìn)行計算分析。根據(jù)圖1與圖2結(jié)果可得，大多數(shù)試樣固結(jié)時間達(dá)到 50 min以后前期主固結(jié)大致完成，Y2組中少部分試樣拐點(diǎn)出現(xiàn)較晚，因此對兩種情況分別采用50 min和400 min以后的實(shí)測值計算次固結(jié)系數(shù)，Y2組試樣中計算公式如下：

式中：cα為次固結(jié)系數(shù)；Δe為孔隙比差值；t1為起始時間，根據(jù)試驗本文以50 min或400 min為次固結(jié)計算起點(diǎn)；t2為單次試驗持續(xù)時間。

計算所得不同荷載條件下次固結(jié)系數(shù)如圖 3所示。

圖3 試樣次固結(jié)系數(shù)統(tǒng)計圖Fig. 3 Statistical diagram of secondary consolidation coefficients of samples

圖3為每個試樣在不同壓力下的次固結(jié)系數(shù)統(tǒng)計圖，當(dāng)荷載較小時（12.5～100 kPa），次固結(jié)系數(shù)較?。ǎ?.01），由于試樣取土深度均位于地面以下18～30 m范圍內(nèi)，上覆土層與堆載作用下軟土已被壓密，次壓縮作用較小，次固結(jié)系數(shù)較小，由此可知低壓下次固結(jié)系數(shù)受到試樣先期固結(jié)壓力影響。在100～800 kPa上覆固結(jié)壓力范圍內(nèi)，次固結(jié)系數(shù)基本在0.01～0.04范圍內(nèi)波動，且當(dāng)壓力增大時，次固結(jié)系數(shù)也隨之增大。

3.1 次固結(jié)系數(shù)隨荷載變化

圖4所示為兩組試樣次固結(jié)系數(shù)隨荷載變化示意圖。變化曲線呈明顯兩段式折線發(fā)展，當(dāng)荷載小于100 kPa時，次固結(jié)系數(shù)隨荷載增大快速增加；當(dāng)荷載從100 kPa增大到800 kPa時，次固結(jié)系數(shù)增長較為緩慢，圖中第二段折線較為平緩。根據(jù)文獻(xiàn)殷宗澤等[6]對次固結(jié)機(jī)理分析與結(jié)論，超載預(yù)壓由于加荷卸荷已產(chǎn)生塑性變形，使軟土處于超固結(jié)狀態(tài)，因而荷載較小時次壓縮變形較小。此時隨著荷載增加，軟土的壓縮性質(zhì)愈來愈接近正常固結(jié)土，因此次壓縮系數(shù)快速增加到正常固結(jié)土的大小。而當(dāng)荷載大于先期固結(jié)壓力后，軟土成為正常固結(jié)土，前期塑性變形影響減弱，且隨著土體孔隙體積越來越小，壓密難度越來越大，因此次固結(jié)系數(shù)增長開始變緩。

圖4 次固結(jié)系數(shù)隨荷載變化曲線Fig. 4 Ⅴariation curve of secondary consolidation coefficients with load

3.2 次固結(jié)系數(shù)隨深度變化

圖5所示為兩組試樣次固結(jié)系數(shù)隨取樣深度變化示意圖。Y1組試樣深度范圍大致為18～30 m，該范圍內(nèi)次固結(jié)系數(shù)在0.01左右波動變化，變化幅度較小。Y2組試樣深度范圍大致為14～25 m，當(dāng)深度小于18 m時，次固結(jié)系數(shù)隨深度的增加明顯減小，當(dāng)深度大于18 m時，次固結(jié)系數(shù)變化規(guī)律與Y1組試樣相同，并在0.02左右波動。

圖5 次固結(jié)系數(shù)隨深度變化曲線Fig. 5 Ⅴariation curve of secondary consolidation coefficients with depth

3.3 主次固結(jié)沉降比例

圖6為兩組試樣的次固結(jié)變形與主固結(jié)變形比值隨荷載變化的曲線。兩組試樣的變化規(guī)律大致相同：當(dāng)荷載小于100 kPa時，隨著荷載增大，次固結(jié)比例迅速增大并達(dá)到最大值20%～30%；當(dāng)荷載從100 kPa 增加至400 kPa時，次固結(jié)比例減小至15%～20%左右；當(dāng)荷載大于400 kPa時，次固結(jié)比例再次緩慢增加。變形規(guī)律整體表現(xiàn)為先增大后減小再增加的趨勢，根據(jù)文獻(xiàn)[6, 10]對次固結(jié)試驗結(jié)果的解釋，由于次固結(jié)變形機(jī)理上是一種隨時間變化的塑性變形，因而當(dāng)荷載較小時，大部分變形為主固結(jié)變形，次固結(jié)比例較低。隨著荷載增大，主次固結(jié)變形均有增加。當(dāng)荷載小于先期固結(jié)壓力時，主固結(jié)變形增長幅度比次固結(jié)變形增長幅度更小，因此次固結(jié)變形比例增長。當(dāng)荷載大于先期固結(jié)壓力時，軟土主固結(jié)變形恢復(fù)到正常固結(jié)土狀態(tài)，因此次固結(jié)比例減小。當(dāng)荷載繼續(xù)增大時，兩者比例變化不再明顯，呈緩慢增長，可能是由于更高荷載下軟土塑性變形較大引起的。

圖6 次固結(jié)與主固結(jié)沉降變形比例Fig. 6 Ratio of secondary consolidation settlement deformation to primary consolidation settlement deformation

4 結(jié) 論

通過對場地內(nèi)兩組不同試樣進(jìn)行不同壓力下的一維流變固結(jié)試驗，可以得到以下幾個結(jié)論：

（1）無論是分級加載還是分別加載，每一級荷載施加后先發(fā)生主固結(jié)變形，大部分試樣主次固結(jié)拐點(diǎn)出現(xiàn)在50 min左右，此后發(fā)生隨時間變化的次固結(jié)變形。

（2）該場地內(nèi)淤泥土次固結(jié)系數(shù)隨荷載的增大而增大，當(dāng)荷載小于100 kPa時，次固結(jié)系數(shù)小于0.01；當(dāng)荷載大于100 kPa并且小于800 kPa時，次固結(jié)系數(shù)大致在0.01～0.04范圍內(nèi)增長。

（3）淤泥土次固結(jié)系數(shù)隨深度的增加先減小，當(dāng)深度達(dá)到約18 m后，次固結(jié)系數(shù)在一定范圍內(nèi)波動。

（4）該場地內(nèi)淤泥土主次固結(jié)比例受先期固結(jié)壓力影響。當(dāng)荷載小于先期固結(jié)壓力時，次固結(jié)變形與主固結(jié)變形比例隨荷載增大而增大；當(dāng)荷載大于先期固結(jié)壓力時，該比例隨荷載增大而減??；當(dāng)荷載增大到一定程度時，該比例再次緩慢增長。