雷華陽，劉景錦，鄭 剛，賈亞芳，康景文，孫 鐵

(1.天津大學(xué) a.土木工程系， b.濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點實驗室， 天津 300072；2.中國建筑西南勘察設(shè)計研究院有限公司， 四川 成都 610081；3.建設(shè)綜合勘察研究設(shè)計院有限公司， 北京 100007)

近年來，由于東南沿海地區(qū)國土資源面積的減少，使得圍海造陸工程迅速發(fā)展，大面積的新近吹填土地投入建設(shè)和使用，使得大量工程建設(shè)在新近吹填成陸的地基之上。然而諸多的工程實踐表明，即使是經(jīng)過加固的吹填土在經(jīng)歷自然沉積排水后含水量極高、強度極低，基本不具承載能力[1]。天津濱海地區(qū)工程實踐表明，在建筑物或構(gòu)筑物荷載的長期作用下，即使在主固結(jié)基本完成后，地基土仍然會發(fā)生顯著的蠕變變形。如天津經(jīng)濟開發(fā)區(qū)近十年來已發(fā)生了近10 cm的附加沉降，基本上都是由蠕變變形造成的。建于回填軟土地基上的上海浦東開發(fā)區(qū)，觀測到的附加變形超過了天津開發(fā)區(qū)的蠕變速率。由此可見，軟土地基存在的變形問題嚴(yán)重影響著天津濱海新區(qū)和其它軟黏土地區(qū)的發(fā)展建設(shè)，有必要進行深入細(xì)致的研究，即探討濱海軟土的變形特性以及不同成因土體差異性對其變形特性的影響將為解決圍海造陸實際工程中的關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問題提供依據(jù)，同時也為保證圍海造陸形成陸域的長期穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

國內(nèi)外學(xué)者針對軟土的固結(jié)蠕變特性進行了大量的試驗和理論研究。如Bjerrum L[2]早在1967年進行蠕變研究時，就提出固結(jié)和蠕變同時發(fā)生；Davison L R等[3]對Bothkennar土進行了一系列一維固結(jié)試驗研究，得出不同深度、應(yīng)變速率對屈服應(yīng)力的影響規(guī)律；沈杰、余群等[4]采用分別加載方式，研究了濕軟土壤的蠕變特性，得出應(yīng)變速率對數(shù)和應(yīng)力以及時間對數(shù)呈現(xiàn)線性的結(jié)論。王常明、肖樹芳等[5]采用一維分級加載對上海、珠海、深圳等典型地區(qū)的海積軟土進行蠕變試驗研究，得出海積軟土的一維固結(jié)蠕變的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系是非線性、不可逆、與時間有關(guān)的。劉漢龍等[6]采用改進的、可施加負(fù)壓的三軸儀開展了真空預(yù)壓、堆載預(yù)壓以及真空-堆載聯(lián)合預(yù)壓作用下軟土的固結(jié)蠕變試驗；朱鴻鵠等[7]針對珠江三角洲軟土進行了排水和不排水條件下軟土的蠕變特性研究；周秋娟，陳曉平[8]對廣州南沙原狀軟土進行了室內(nèi)三軸壓縮試驗、三軸蠕變試驗和一維固結(jié)試驗，系統(tǒng)地探討了軟土的蠕變變形特性；劉克瑾，閆澍旺[9]等通過改裝的三軸儀對濱海新區(qū)軟黏土的蠕變特性進行了試驗分析，重點探討了施工期的土體流變性質(zhì)，建立了相應(yīng)的計算模型；國外許多學(xué)者也對軟黏土的蠕變特性進行了研究和探討[10～12]，建立了軟黏土的蠕變模型[13,14]，探索了軟土的次固結(jié)系數(shù)和蠕變變形的計算方法[15～17]。

由此可見，關(guān)于軟黏土蠕變特性方面的研究成果較為豐富，但以往研究的是針對天然沉積軟土，對于新近吹填的軟土研究較少。而新建吹填成陸的軟黏土與自然沉積的土體從成因、結(jié)構(gòu)、礦物組成及空間分布上都有較大差異。

基于上述分析，本文利用改裝的單向固結(jié)儀，開展不同加荷方式及不同高度下濱海吹填土的蠕變特性試驗研究，獲得應(yīng)變、應(yīng)力和時間關(guān)系，并與正常沉積軟土的試驗結(jié)果進行對比分析，著重探討不同壓力條件下土體的次固結(jié)系數(shù)變化特點。

1 試驗設(shè)備及具體方法

1.1 試驗土樣及設(shè)備

試驗土樣分別取自天津濱海新區(qū)典型淤泥質(zhì)黏土和中心漁港圍海造陸真空預(yù)壓處理后吹填土，取土深度為2.0～5.0 m，基本物理力學(xué)特性指標(biāo)如表1所示。

表1 土樣的物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)統(tǒng)計表

一維固結(jié)試驗采用三聯(lián)高壓單杠桿固結(jié)儀，為適應(yīng)試驗條件要求，將固結(jié)儀進行改裝，如圖1所示。

圖1 WG型單杠桿固結(jié)儀

1.2 試驗方案

一維固結(jié)試驗均選用面積為30 cm2，高度分別為2 cm和6 cm的兩種類型。加載方式均為分級加載，每級荷載以定時觀測變形小于0.005 mm/d為穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，待一級荷載下變形穩(wěn)定后加下一級荷載，數(shù)據(jù)采集記錄采用TWJ微機數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。具體試驗加荷方案如表2所示。

表2 固結(jié)蠕變試驗方案表

2 試驗結(jié)果整理與分析

2.1 分級加載條件下變形特性對比

圖2為相同條件下天津濱海典型淤泥質(zhì)黏土和圍海造陸真空預(yù)壓處理后吹填土分級加載時應(yīng)變-時間對比曲線，從圖中可以看出：不同土體相同荷載條件應(yīng)變發(fā)展趨勢一致，即加載瞬間發(fā)生瞬時彈性響應(yīng)，隨后產(chǎn)生隨時間而增長的變形。當(dāng)應(yīng)力水平較低時，變形的速率隨時間的增長而逐漸變緩，當(dāng)達(dá)到一定時間后，變形不再增長，最終變形趨于一個穩(wěn)定值，此時兩種土體應(yīng)變量差別不明顯；隨著荷載的逐漸增加，當(dāng)荷載達(dá)到50 kPa時，濱海淤泥質(zhì)軟黏土加載瞬時變形較大，最大可達(dá)到5.77%，而經(jīng)真空預(yù)壓處理后吹填土隨著荷載水平的提高，在50 kPa加荷瞬間變形量值基本在0.07%范圍內(nèi)，此時兩種土性的變形量值開始出現(xiàn)明顯的差異。這主要是因為，未經(jīng)加固的天津濱海軟土初始孔隙比較大，而經(jīng)真空預(yù)壓加固后的吹填土，相同荷載作用下孔隙比較小，土體更密實，變形較小。

圖2 分級加載條件下土體應(yīng)變-時間曲線

圖3 淤泥質(zhì)黏土分級加載下土體雙對數(shù)坐標(biāo)下的變形與時間的關(guān)系曲線

圖4 吹填土分級加載下土體雙對數(shù)坐標(biāo)下的變形與時間的關(guān)系曲線

圖3和圖4分別為濱海淤泥質(zhì)黏土和真空預(yù)壓加固后吹填土分級加載時雙對數(shù)坐標(biāo)下變形隨時間變化的曲線。可以看出，當(dāng)應(yīng)力水平較低時，兩種土體試驗曲線呈現(xiàn)出折線線性關(guān)系；當(dāng)應(yīng)力水平較高時，曲線逐漸呈現(xiàn)線性發(fā)展，各級荷載下的雙對數(shù)曲線表現(xiàn)為一組平行直線。說明存在一個臨界荷載值，且認(rèn)為該荷載大小對軟土的次固結(jié)存在一定影響。

2.2 吹填土變形特性的影響因素分析

2.2.1不同加荷比條件下的變形特性

圖5為不同加荷比條件下分級加載吹填土的應(yīng)變時間關(guān)系曲線。曲線整體趨勢與相同條件下濱海軟土的發(fā)展趨勢一致，加載瞬間發(fā)生瞬時彈性響應(yīng)，隨后產(chǎn)生隨時間而增長的蠕變變形。

加荷比>1時吹填土最終蠕變量達(dá)到4.7%，比相同深度下加荷比=1的吹填土體最終蠕變量高出1.2%?？梢钥闯觯雍杀葘τ诖堤钔馏w蠕變增長有較大影響。這與相同條件下不同加荷比時濱海軟土得出結(jié)論一致，即加荷比越大，土體最終蠕變變形越大。

圖5 分級加載條件下土體應(yīng)變-時間曲線

2.2.2不同高度下吹填土的變形特性分析

以往學(xué)者的試驗，多是針對高度2 cm的土樣進行研究，而對于試驗中不同高度的土樣研究較少。由于土體的各向異性較強，且為了更好地反映土體的實際情況，所以有必要進行不同高度試樣的固結(jié)試驗。因此，在進行吹填土固結(jié)試驗中，將2 cm試驗環(huán)刀加高到6 cm，對一組6 cm試樣進行了試驗研究。

圖6為不同高度吹填土試樣分級加載條件下應(yīng)變-時間關(guān)系曲線，可以看出：不同高度試樣的應(yīng)變時間曲線隨時間發(fā)展趨勢一致，均是在各級荷載作用下，先有一個瞬時彈性響應(yīng)，然后隨時間發(fā)展蠕變趨于穩(wěn)定；不同高度試樣最終蠕變量差別較大，表現(xiàn)為2 cm試樣最終蠕變量為3.5%，而6 cm試樣最終蠕變量達(dá)到7.4%，6 cm高度試樣最終蠕變量達(dá)到2 cm試樣的2.1倍。可見，對于不同高度試樣的試驗研究非常必要。

圖6 分級加載條件下土體應(yīng)變-時間曲線

2.3 次固結(jié)系數(shù)變化規(guī)律分析

在分析軟土累積應(yīng)變的長期沉降變化規(guī)律時，次固結(jié)引起的地面沉降不容忽視。目前很多土工試驗規(guī)范都沒規(guī)定次固結(jié)系數(shù)這個指標(biāo)，但是在港口、碼頭工程中遇到厚層軟土?xí)r需要該指標(biāo)，這是個很大的缺陷。為此，試驗針對天津濱海圍海造陸形成的吹填地基土，進行了次固結(jié)系數(shù)的測定，得到圖7、8，為建立吹填土蠕變-固結(jié)耦合分析提供了依據(jù)。

圖7 不同高度下吹填土樣的固結(jié)曲線

次固結(jié)系數(shù)計算方法采用下式[13]求出：

Ca=-Δe/(lgt2-lgt1)

(1)

其中，t2為次固結(jié)量的計算時間，單位為s；t1為固結(jié)度為100%的時間，單位為s。

本文依據(jù)此方法，得到2 cm和6 cm吹填土樣固結(jié)e-ln(t)曲線(圖7)，為了便于研究，筆者選取了固結(jié)曲線后接近直線段一部分曲線作圖分析，通過擬合計算得到兩種高度下土樣次固結(jié)系數(shù)分別為0.0012和0.0016，試驗表明高度相差不大的試驗土樣次固結(jié)系數(shù)相差不大。

圖8 分級加載條件下次固結(jié)系數(shù)隨壓力的變化曲線

圖8為不同條件下次固結(jié)系數(shù)與壓力的變化關(guān)系曲線，從中可以看出：

(1)次固結(jié)系數(shù)跟荷載大小有關(guān)。次固結(jié)系數(shù)先隨著壓力的增大而增大，達(dá)到峰值之后會降低，一般最大值出現(xiàn)在先期固結(jié)壓力之后。究其原因，是因為對于結(jié)構(gòu)性軟土而言，膠結(jié)結(jié)構(gòu)能夠約束土骨架的蠕變變形，膠結(jié)性越強，對次固結(jié)系數(shù)的阻礙越強，次固結(jié)系數(shù)就越大。當(dāng)壓力逐漸增大時，膠結(jié)性增強，次固結(jié)系數(shù)增大，但是當(dāng)壓力超過土體的結(jié)構(gòu)屈服壓力時，土體的膠結(jié)性逐漸被破壞，對次固結(jié)的阻礙作用減弱，則次固結(jié)系數(shù)逐漸減小。

(2)從圖8(a)可以得到，次固結(jié)系數(shù)跟加荷比有關(guān)。加荷比<1時，次固結(jié)系數(shù)峰值較高，峰值處對應(yīng)荷載較低；加荷比=1時，與前者基本相似；加荷比>1時，峰值較低，峰值處對應(yīng)荷載較高。究其原因，可能是由于當(dāng)加到相同荷載時，在加荷比較小的情況下，每一步的荷載增量較小，對土體逐漸壓密，對次固結(jié)的阻礙作用就越大，所以在加荷比小的時候就產(chǎn)生較大的次固結(jié)系數(shù)。

(3)各級荷載作用下，加固后吹填土次固結(jié)系數(shù)比未經(jīng)加固正常沉積的淤泥質(zhì)黏土小，次固結(jié)系數(shù)出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點的荷載值較小。

3 結(jié) 論

(1)通過對天津濱海新區(qū)典型淤泥質(zhì)土和圍海造陸處理工后吹填地基土進行一維固結(jié)對比試驗，認(rèn)為兩種軟土均具有明顯的非線性蠕變特性，相同試驗條件下，兩種土體試驗變形增長不一致，表現(xiàn)為在較低荷載水平下，兩種土體變形差別不大，隨著荷載等級加大，變形差別逐漸加大，吹填土的次固結(jié)變形與天然沉積軟土相比較大。

(2)次固結(jié)系數(shù)與加荷比和荷載等級有關(guān)，表現(xiàn)為次固結(jié)系數(shù)隨荷載增大先增大后減小，峰值隨加荷比增大而減??；試樣高度對于土體次固結(jié)系數(shù)有一定影響，但不十分明顯。

(3)吹填土一維固結(jié)蠕變特性受加荷比、試樣高度等因素影響：不同加荷比對于吹填土體蠕變量增長影響不同，表現(xiàn)為加荷比<1、=1、>1試驗條件下，土體最終蠕變量依次增大；不同高度吹填土試樣的應(yīng)變時間曲線隨時間發(fā)展趨勢一致，但最終變形量差別較大，表現(xiàn)為6 cm試樣最終變形較大，但最終應(yīng)變差別不大。

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