上海第④層淤泥質(zhì)黏土的次固結(jié)試驗(yàn)研究

杭薈旻

[上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092]

0 引 言

次固結(jié)是指由土中超孔隙水壓力消散主固結(jié)結(jié)束后，有效應(yīng)力基本穩(wěn)定的條件下，因土粒表面的結(jié)合水膜蠕變和土顆粒結(jié)構(gòu)重新排列等引起的較為緩慢的變形。沿海的軟土存在著顯著的次固結(jié)特性，它是一個(gè)隨時(shí)間發(fā)展的長(zhǎng)期固結(jié)。特別是深厚的流塑狀軟黏土，工程特性差，處理困難，次固結(jié)變形較大。比如京津唐高速公路在運(yùn)營(yíng)后每年仍有約1.0～1.5 cm 的沉降變形量。天津市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)在大面積填土堆載作用下，目前每年仍有1.0 cm 左右的沉降。隨著深厚軟土地基上工程建設(shè)的迅速發(fā)展，由次固結(jié)變形引起的工后沉降不容忽視[1]。前人對(duì)軟黏土的次固結(jié)特性的分析研究，如應(yīng)力歷時(shí)、固結(jié)壓力、軟黏土類型等對(duì)次固結(jié)系數(shù)的影響，為我們后續(xù)工程實(shí)踐提供了很多理論依據(jù)。

在荷載作用下，土體的沉降通常由瞬時(shí)沉降、主固結(jié)沉降和次固結(jié)沉降3 部分組成。以孔隙水壓力消散為依據(jù)的經(jīng)典太沙基固結(jié)理論未考慮次固結(jié)導(dǎo)致的沉降。許多學(xué)者不斷地研究這個(gè)問(wèn)題，建立了一些次固結(jié)數(shù)學(xué)模型，但是成果比較復(fù)雜，且參數(shù)很難用常規(guī)試驗(yàn)確定。如果壓縮土層的厚度為H，顯然t時(shí)間地基的次固結(jié)沉降估算公式可采用SS=Cα/（1+e0）×lg（t/tc）×H（e0試驗(yàn)初始孔隙比）[2]。這就意味著次固結(jié)系數(shù)與次固結(jié)沉降的影響成正比關(guān)系。《地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（DGJ 08-11—2018）[3]中提到：考慮地基沉降速率的工程宜進(jìn)行固結(jié)系數(shù)的測(cè)定，對(duì)于厚度大的高壓縮性軟土，還需測(cè)定次固結(jié)系數(shù)。因此，研究次固結(jié)對(duì)沉降相當(dāng)重要。

本文將通過(guò)次固結(jié)系數(shù)試驗(yàn)來(lái)對(duì)上海第④層淤泥質(zhì)黏土的次固結(jié)特性進(jìn)行探討。試驗(yàn)土樣取自上海市軌道交通市域線機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線工程，該工程從虹橋樞紐出發(fā)起，經(jīng)滬杭鐵路外環(huán)線、七寶、華涇、三林、張江、迪士尼、浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)等重要地區(qū)，最后到達(dá)上海東站，采用高架、地面和地下結(jié)合的敷設(shè)方式，東西向的快速通道。整條線路途經(jīng)閔行區(qū)、徐匯區(qū)、浦東新區(qū)3 個(gè)行政區(qū)，絕大部分為濱海平原地貌，地下水位通常在1.0～1.5 m，淤泥質(zhì)黏土層遍布。共取10 組土樣試驗(yàn)，為本文提供了大量翔實(shí)的數(shù)據(jù)。

1 土樣和試驗(yàn)方法

1.1 土樣的基本物理力學(xué)指標(biāo)

表1 的指標(biāo)為該層土的平均值。由表1 可知，該層土高含水率、高孔隙比、高液限、流塑，且基本呈飽和狀態(tài)。

表1 土的物理指標(biāo)

1.2 固結(jié)試驗(yàn)方法

切取原狀土試樣環(huán)刀樣，取樣深度為10～21 m，環(huán)刀內(nèi)徑為61.8 mm，高度為20 mm。為了避免加荷大小、加荷時(shí)間和加荷率的不同對(duì)土體次固結(jié)系數(shù)Cα的影響，本次試驗(yàn)加荷率為1，加荷時(shí)間為每級(jí)24 h。為保證精度要求，所使用的固結(jié)儀事先校準(zhǔn)，儀器采用全自動(dòng)中壓固結(jié)儀（GZQ-1），相對(duì)減少了人為誤差，固結(jié)試驗(yàn)的加壓等級(jí)為50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa。按標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)遵循現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123—2019）[4]。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 原狀土固結(jié)試驗(yàn)參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 固結(jié)e-P 曲線特性分析

以1 號(hào)土樣各級(jí)壓力下的孔隙比為縱坐標(biāo)，壓力為橫坐標(biāo)，作該土的壓縮曲線（見(jiàn)圖1），其壓縮特性曲線陡峻，壓力增加時(shí)，可以看到土的孔隙比明顯減小，20 mm 的試樣沉降達(dá)到3.904 mm，壓縮系數(shù)av1-2為0.871，壓縮模量Es1-2為2.255，屬于高壓縮性土樣。

圖1 各級(jí)壓力下的孔隙比曲線

2.2 主、次固結(jié)的劃分

次固結(jié)曲線是在對(duì)應(yīng)某一壓力下，以孔隙比e 為縱坐標(biāo)，時(shí)間在對(duì)數(shù)橫坐標(biāo)上，繪制的e-lgt 曲線，而通過(guò)公式換算，也同樣可以用變形量與時(shí)間對(duì)數(shù)關(guān)系曲線d-lgt 表示。圖2 為1 號(hào)土各級(jí)壓力下的次固結(jié)系數(shù)曲線，它所得到的變形量與時(shí)間對(duì)數(shù)關(guān)系d-lgt 曲線類似反S 形。

圖2 中加載初始階段變形量較大，持續(xù)一段時(shí)間后出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)。拐點(diǎn)后變形量隨時(shí)間緩慢減小，而且隨著固結(jié)壓力的增加，拐點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間也相應(yīng)的延長(zhǎng)。變形量與時(shí)間對(duì)數(shù)曲線的后半部分可用兩端直線來(lái)擬合。

圖3 為1 號(hào)土200 kPa 壓力下的次固結(jié)系數(shù)曲線，從中可看出兩直線交點(diǎn)處t1為主固結(jié)完成時(shí)間、次固結(jié)開(kāi)始的時(shí)間。其后一直線段的斜率為次固結(jié)系數(shù)Cα。它是表征飽和軟黏土蠕變特性的一個(gè)重要指標(biāo)。本次主固結(jié)一般持續(xù)1～5 h，而次固結(jié)變形與對(duì)數(shù)時(shí)間幾乎成直線關(guān)系。

圖3 200 kP a 壓力下的次固結(jié)曲線

2.3 各壓力下次固結(jié)系數(shù)的特性

本次試驗(yàn)由表2 可看出，隨著壓力的增加，次固結(jié)系數(shù)隨之增加。圖2 曲線在各級(jí)壓力下，次固結(jié)變形隨時(shí)間的變化并不明顯，24 h 內(nèi)看不出次固結(jié)穩(wěn)定的趨勢(shì)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)說(shuō)明，在每級(jí)壓力歷經(jīng)24 h、室內(nèi)只有20 mm 厚土樣的條件下，次固結(jié)持續(xù)時(shí)間較短，都未能達(dá)到穩(wěn)定。那現(xiàn)實(shí)情況10 m 左右厚土層、荷載更大的情況下的次固結(jié)可能延續(xù)1 a、2 a 甚至更久。從曲線圖2 可知，在原狀土超過(guò)結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力200 kPa 后，300 kPa、400 kPa 的次固結(jié)系數(shù)曲線漸漸趨緩。

Mesri[5]（1973）以Cα/（1+e）的數(shù)值對(duì)土的次固結(jié)性進(jìn)行了劃分（見(jiàn)表3）。

表3 按次固結(jié)性對(duì)土的分類

通過(guò)計(jì)算，這層土的Cα/（1+e）最小值為0.162。依據(jù)表3 劃分原則，上海第④層淤泥質(zhì)黏土的次固結(jié)性屬于極高，在工程運(yùn)用設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮到這層軟黏土的次固結(jié)。

2.4 與壓縮指數(shù)的關(guān)系

壓縮指數(shù)Cc越大，表明土的壓縮性越高。通過(guò)表2 計(jì)算后，畫出次固結(jié)系數(shù)與壓縮指數(shù)Cc的關(guān)系曲線（見(jiàn)圖4）。

圖4 Cα 與Cc 關(guān)系曲線

《鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程》（TB 10102—2010）[6]的條文說(shuō)明中提到：黏性土次固結(jié)系數(shù)Cα與相應(yīng)壓力下的壓縮指數(shù)Cc之間存在線性關(guān)系。本次試驗(yàn)也證明，第④層淤泥質(zhì)黏土次固結(jié)系數(shù)與相應(yīng)壓力下的壓縮指數(shù)之間也存在線性關(guān)系。由表2 數(shù)據(jù)可計(jì)算得出，通常情況下Cα/Cc比值在0.017～0.028 范圍內(nèi)，試驗(yàn)結(jié)論與傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)值保持了一致，與Mesri 和Godlewski[7]次固結(jié)系數(shù)與壓縮指數(shù)之比為0.025～0.1的結(jié)論吻合，且接近其下限值。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)上海第④層淤泥質(zhì)黏土次固結(jié)系數(shù)的試驗(yàn)，分析了本層土次固結(jié)的初步規(guī)律和特性。初步結(jié)論如下：

（1）第④層土為高壓縮性土，次固結(jié)隨壓力的增加而增加，且隨應(yīng)力時(shí)間而趨緩。

（2）本文用試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得出第④層土的次固結(jié)系數(shù)與壓縮指數(shù)之比基本為0.02，呈良好的線性關(guān)系。

（3）第④層土的次固結(jié)性屬于極高，對(duì)上海以及沿海的厚層的流塑狀軟黏土，處理困難，相關(guān)工程設(shè)計(jì)施工時(shí)尤其要注意其次固結(jié)變形的影響。

（4）關(guān)于上海市軌道交通機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線的地面敷設(shè)段，這種高速鐵路由于車輛往復(fù)運(yùn)動(dòng)引起的循環(huán)加載而產(chǎn)生的次固結(jié)變形引起的沉降將造成地基不平整，進(jìn)而會(huì)引起鐵路軌道不平，損壞軌道結(jié)構(gòu)，減少其服役壽命。因此，正確認(rèn)識(shí)上海第④層淤泥質(zhì)黏土的次固結(jié)變形對(duì)該地區(qū)的基礎(chǔ)建設(shè)和運(yùn)營(yíng)維護(hù)意義重大。