張明，王威，趙有明，劉國楠

(1. 河南工程學(xué)院 土木工程學(xué)院，河南 鄭州， 451191；2. 北京工業(yè)大學(xué) 抗震減災(zāi)研究所，北京，100124；3. 中國鐵道科學(xué)研究院，北京，100081)

軟黏土固結(jié)過程中孔隙比隨有效應(yīng)力的增加而非線性減小，并不是傳統(tǒng)太沙基固結(jié)理論假定的線性減少，即壓縮系數(shù)為常量。針對(duì)軟黏土孔隙比與有效應(yīng)力之間的非線性關(guān)系，國內(nèi)外學(xué)者已開展了大量研究工作[1-5]，通過對(duì)不同類型軟黏土進(jìn)行試驗(yàn)，提出了幾種非線性壓縮關(guān)系。但已有試驗(yàn)結(jié)果表明，沒有一種e-σ′非線性關(guān)系適合于所有軟黏土，因此，有必要借助先進(jìn)固結(jié)試驗(yàn)儀測定特定軟黏土的壓縮參數(shù)，結(jié)合各種非線性壓縮關(guān)系確定相應(yīng)參數(shù)。齊添等[7]基于孔隙比與有效應(yīng)力及孔隙比與滲透系數(shù)之間線性化的e-lgσ′和e-lgk 經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，建立了一維非線性固結(jié)控制方程，利用GDS 固結(jié)試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)初始含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50.22%及37.90%～46.67%的蕭山原狀軟黏土分別進(jìn)行了正常固結(jié)土、超固結(jié)土的一維固結(jié)滲透聯(lián)合試驗(yàn)，測定了一維非線性固結(jié)計(jì)算參數(shù)。陳國紅等[8]也利用GDS 固結(jié)試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)初始含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為37.90%～46.67%的蕭山原狀軟黏土進(jìn)行了一維固結(jié)滲透聯(lián)合試驗(yàn)，確定了超固結(jié)土固結(jié)控制方程的一維線性固結(jié)計(jì)算參數(shù)。上述試驗(yàn)研究大多數(shù)針對(duì)初始含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%以內(nèi)的軟黏土，普遍假定軟黏土符合e-lgσ′線性關(guān)系，得到相應(yīng)的非線性固結(jié)計(jì)算參數(shù)。但是，大量試驗(yàn)研究表明[9-11]，對(duì)于某些天然結(jié)構(gòu)性高含水量軟黏土，當(dāng)土體孔隙比變化較大時(shí)，e-lgσ′壓縮曲線是非線性的，直線的斜率在整個(gè)壓力范圍內(nèi)不為常數(shù)。近20 年來，隨著沿海港口和工業(yè)建筑等工程建設(shè)的快速發(fā)展，用地需求急劇增加，為尋求更大的發(fā)展空間，沿海城市把目光瞄向沿海灘涂或淺海區(qū)域，普遍開展了大規(guī)模的圍海吹填造陸工程。用于吹填造陸的吹填淤泥，屬重塑土，含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高達(dá)130%，具有高壓縮性、低滲透性等特點(diǎn)，固結(jié)過程中孔隙比與有效應(yīng)力之間呈現(xiàn)明顯的非線性關(guān)系，表現(xiàn)出與一般軟黏土不同的壓縮特性，很難利用常規(guī)固結(jié)試驗(yàn)儀測定壓縮參數(shù)及研究壓縮特性。迄今為止，對(duì)于含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于100%的超軟土，如吹填淤泥的壓縮參數(shù)測定及非線性壓縮特性研究并不多見。本文利用GDS固結(jié)試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)深圳灣吹填淤泥進(jìn)行了固結(jié)滲透試驗(yàn)，對(duì)吹填淤泥的壓縮特性進(jìn)行了研究，獲得了幾種非線性壓縮關(guān)系的擬合參數(shù)，為吹填淤泥等超軟土壓縮非線性參數(shù)測定提供了一種良好的試驗(yàn)方法，同時(shí)為其大變形固結(jié)性狀數(shù)值分析參數(shù)選取提供理論基礎(chǔ)。

1 吹填淤泥的GDS 固結(jié)試驗(yàn)

土樣取自深圳灣納淤塘下深0.5～1.5 m 處吹填淤泥，已完成吹淤1 年，采取土樣均勻、無貝殼碎屑，呈流塑狀，為灰褐-灰黑色，具腥臭味，其基本物理性質(zhì)如表1 所示。試驗(yàn)以原樣為基礎(chǔ)，配制含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)110%～150%的重塑樣進(jìn)行一維固結(jié)滲透試驗(yàn)，研究吹填淤泥的壓縮特性。土樣基本物理性質(zhì)指標(biāo)如表2 所示。

表1 深圳灣吹填淤泥基本物理性質(zhì)(各參數(shù)的平均值)Table 1 Physical properties of dredged fill in Shenzhen Bay

表2 土樣基本物理性質(zhì)指標(biāo)Table 2 Basic physical properties index of soil sample

試驗(yàn)設(shè)備采用GDS 固結(jié)試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用反壓對(duì)土樣進(jìn)行吸水飽和，可直接測量固結(jié)過程中土樣底部的孔隙水壓力。進(jìn)行傳統(tǒng)固結(jié)試驗(yàn)，直接測定各級(jí)固結(jié)壓力作用下固結(jié)完成時(shí)穩(wěn)定的孔隙比，得到壓縮系數(shù)、壓縮模量、體積壓縮系數(shù)等壓縮性參數(shù)，及孔隙比與固結(jié)壓力之間的關(guān)系，研究土體的非線性壓縮特性。固結(jié)試驗(yàn)結(jié)束后，能夠保持固結(jié)壓力不變并進(jìn)行滲透試驗(yàn)，得到相應(yīng)壓力下的滲透系數(shù)，測試結(jié)果可準(zhǔn)確地反映土體的非線性特性。

該系統(tǒng)采用Rowe 和Barden 型固結(jié)容器，土樣直徑為76.2 mm，高度為20 mm。容器底部連接壓力傳感器，可測量土樣底部的孔隙水壓力。頂部的壓力設(shè)備與位移傳感器相連，自動(dòng)記錄固結(jié)過程中試樣的壓縮量。并連接3 個(gè)壓力/體積控制器，分別對(duì)固結(jié)容器施加豎向壓力、底部壓力和反壓。

整個(gè)試驗(yàn)分為試驗(yàn)設(shè)備檢驗(yàn)、土樣安裝、固結(jié)系統(tǒng)排氣、土樣飽和等4 步，最后通過GDSLAB 軟件設(shè)定試驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行試驗(yàn)。土樣初始含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，強(qiáng)度極低，對(duì)施加荷載極其敏感，單個(gè)壓力控制器的壓力存在±1 kPa 的波動(dòng)幅度，經(jīng)試驗(yàn)比選后確定第一級(jí)固結(jié)壓力為6 kPa，土樣分別在6，12，25，50，100，200 和400 kPa 固結(jié)壓力下進(jìn)行一維固結(jié)試驗(yàn)。每一步固結(jié)完成后，保持固結(jié)壓力不變的情況下進(jìn)行相應(yīng)的滲透試驗(yàn)。具體試驗(yàn)步驟如表3 所示。

表3 試驗(yàn)步驟Table 3 Test step

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 土樣壓縮變形

固結(jié)試驗(yàn)中土樣的豎向壓縮變形通過安裝在土樣頂部中心的位移傳感器測量，固結(jié)壓力開始施加前，位移傳感器初值設(shè)定為0 mm。第1 級(jí)固結(jié)壓力各土樣頂部壓縮變形如圖1 所示。由圖1 可見：1) 由于土樣初始含水量高，在較小的第1 級(jí)固結(jié)壓力下就發(fā)生很大的壓縮變形，土樣SZ09-2 在第1 級(jí)固結(jié)壓力25 kPa 下壓縮應(yīng)變高達(dá)20%以上；2) 施加壓力時(shí)，單個(gè)壓力控制器的實(shí)際壓力存在±1 kPa 的波動(dòng)幅度，會(huì)對(duì)較小固結(jié)壓力下(p=12，15 kPa)試樣壓縮變形產(chǎn)生影響，使得曲線出現(xiàn)多處突變現(xiàn)象。

圖1 第1 級(jí)固結(jié)壓力土樣頂部壓縮變形sFig.1 Compression deformation s of soil sample under first level consolidation pressure

圖2 各級(jí)固結(jié)壓力土樣SZ09-2 頂部壓縮變形sFig.2 Compression deformation s of soil sample SZ09-2 under all consolidation pressures

表4 土樣SZ09-1 和SZ09-2 固結(jié)試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Consolidation test results of soil sample SZ09-1 and SZ09-2

其他各級(jí)固結(jié)壓力土樣SZ09-2 的壓縮變形曲線如圖2 所示。由圖2 可見：1) 土樣的壓縮變形曲線都呈現(xiàn)起始段微曲，固結(jié)結(jié)束時(shí)平緩的光滑曲線特征，經(jīng)過24 h 的固結(jié)試驗(yàn)后，各土樣的主固結(jié)沉降已基本完成。2) 固結(jié)前段時(shí)間(1 000 s)內(nèi)，土樣不同固結(jié)壓力下的壓縮變形速率相近，隨著試驗(yàn)時(shí)間的增加，變形速率之間的差異逐漸增大，且隨著固結(jié)壓力的增加，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的總壓縮變形逐漸減小。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果匯總

由反壓飽和后試樣的高度及孔隙比，采用與傳統(tǒng)固結(jié)試驗(yàn)方法相同的計(jì)算方法，得到表4 所示土樣SZ09-1 和SZ09-2 的壓縮應(yīng)變、孔隙比ei、壓縮系數(shù)av、壓縮模量Es，體積壓縮系數(shù)mv、壓縮指數(shù)Cc等值。由表4 可知：1) 經(jīng)過6～400 kPa 荷載作用后，吹填淤泥累計(jì)壓縮應(yīng)變高達(dá)43.34%，在第1 級(jí)較小荷載(p≤25 kPa)作用下，壓縮應(yīng)變高達(dá)24.44%，約占整個(gè)荷載范圍內(nèi)累計(jì)壓縮應(yīng)變的一半以上，具有大應(yīng)變特性；2) 吹填淤泥的壓縮系數(shù)av、體積壓縮系數(shù)mv隨固結(jié)過程中孔隙比的減小呈非線性減小，減小幅度分別高達(dá)60 倍與34 倍；壓縮模量Es隨孔隙比的減小呈非線性增加，增加幅度高達(dá)34 倍。3) 吹填淤泥的壓縮指數(shù)Cc的變化范圍為0.495～0.875，單個(gè)土樣的壓縮指數(shù)不是常數(shù)，隨著固結(jié)過程中孔隙比的減小而減小。

3 非線性壓縮關(guān)系的適應(yīng)性分析

吹填淤泥固結(jié)過程中孔隙比e 隨有效應(yīng)力p′的增加而非線性減小，并不是傳統(tǒng)固結(jié)理論假定的線性減小。這里采用軟黏土常見的3 種孔隙比與有效應(yīng)力的非線性關(guān)系對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合。

e-lgp′壓縮關(guān)系：

式中：λ為單位有效應(yīng)力對(duì)應(yīng)的孔隙比；Cc為壓縮指數(shù)。

lge-lgp′壓縮關(guān)系為[3-5]：

式中：λ1為單位有效應(yīng)力對(duì)應(yīng)的孔隙比；Cc′為直線的斜率。

lg(1+e)-lgp′壓縮關(guān)系為[6-7]：

式中：λ2為土體材料參數(shù)；Cc″為直線的斜率。

吹填淤泥土樣各種壓縮關(guān)系擬合的結(jié)果如圖3～5所示，各土樣的擬合參數(shù)及相關(guān)系數(shù)R 見表5。由圖3～5 及表5 可知3 種壓縮關(guān)系擬合相關(guān)系數(shù)R 均超過0.94。擬合參數(shù)的變化情況如下：e-lgp′壓縮關(guān)系中擬合參數(shù)λ=2.872～3.868，Cc=0.519～1.083，隨著初始含水量w0的增加，參數(shù)λ及壓縮指數(shù)Cc均呈增大趨勢；lge-lgp′壓 縮 關(guān) 系 中 擬 合 參 數(shù)Cc′=0.140～0.195；lg(1+e)-lgp′壓縮關(guān)系中擬合參數(shù)Cc″=0.094～0.135，參數(shù)Cc″隨初始含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)w0的增加均呈增大趨勢。

表6 所示為全部土樣的擬合參數(shù)及相關(guān)系數(shù)R，R 均在0.75 以上，說明這3 種壓縮關(guān)系對(duì)吹填淤泥來說都是適合的。但lge-lgp′壓縮關(guān)系即孔隙比與有效壓力之間的非線性冪函數(shù)關(guān)系，由于其擬合效果最好(R=0.961)、形式簡潔，成為最優(yōu)非線性壓縮關(guān)系。

圖3 e-lgp'壓縮關(guān)系Fig.3 Compression relationship between e and lgp'

圖4 lge-lgp'壓縮關(guān)系Fig.4 Compression relationship between lge and lgp'

圖5 lg(1+e)-lgp'壓縮關(guān)系Fig.5 Compression relationship between lg(1+e)and lgp'

表5 各土樣擬合參數(shù)及相關(guān)系數(shù)RTable 5 Fitting parameters and correlation coefficient R of soil samples

表6 全部土樣擬合參數(shù)及相關(guān)系數(shù)RTable 6 Fitting parameters and correlation coefficient R of all soil samples

4 結(jié)論

1) 在6～400 kPa 固結(jié)壓力作用下，深圳灣吹填淤泥的壓縮系數(shù)、體積壓縮系數(shù)、壓縮模量隨固結(jié)過程中孔隙比的減小呈現(xiàn)非線性變化，變化幅度達(dá)數(shù)十倍；壓縮指數(shù)隨固結(jié)過程中孔隙比的減小而而減小，變化幅度近1 倍，單個(gè)土樣的壓縮指數(shù)不是常數(shù)。

2) 由于吹填淤泥初始含水量高，較小的第1 級(jí)固結(jié)壓力(p≤25 kPa)下壓縮應(yīng)變高達(dá)24.44%，占整個(gè)荷載范圍內(nèi)累計(jì)壓縮應(yīng)變的一半以上，具有顯著的大應(yīng)變特性。

3) 對(duì)深圳灣吹填淤泥而言，3 種非線性壓縮關(guān)系都適用，其中l(wèi)ge-lgp′非線性壓縮關(guān)系即孔隙比與有效應(yīng)力之間的冪函數(shù)關(guān)系適用性較強(qiáng)，數(shù)據(jù)擬合效果最好，可應(yīng)用于吹填淤泥非線性與大變形壓縮特性分析與數(shù)值計(jì)算。

[1] Garlanger J E. The consolidation of soils exhibiting creep under constant effective stress[J].Geotechnique,1972,22(1)：71-78.

[2] Mcvay M C, Townsend F C, Bloomquist D. Quiescent consolidation of phosphatic waste clays[J]. J Geotech Engrg,ASCE,1986,112(11)：1033-1052.

[3] Huerta A, Kriegasmann G A, Krizek R J. Permeability and compressibilityofslurriesfromseepage-induced consolidation[J]. Journal of Geotechnical Engineering Division,ASCE,1988,114(5)：614-627.

[4] Juarez-Badillo E. Discussion on A natural compression law for soils(an advance on e-logp’) by Butterfield[J]. Geotechnique,1981,31(4)：567.

[5] Sridharan A, Abraham B M, Jose B T. Improved technique for estimation of preconsolidation pressure[J]. Geotechnique, 1991,41(2)：263-268.

[6] 齊添, 謝康和, 李西斌. 軟土的一維非線性固結(jié)計(jì)算參數(shù)及其測定[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2006,40(8)：1388-1392.QI Tian, XIE Kanghe, LI Xibin. Laboratory determination of one-dimensional nonlinear[J]. Journal of Zhejiang University(Engineering Science),2006,40(8)：1388-1392.

[7] 齊添, 謝康和, 唐胡樂. 超固結(jié)土的一維非線性固結(jié)計(jì)算參數(shù)及其試驗(yàn)測試[J]. 工程地球物理學(xué)報(bào),2008,5(6)：735-741.QI Tian, XIE Kanghe, TANG Hule. Computational Parameters on One-dimensional nonlinear consolidation of over-consolidation soil and its experimental determination[J].Chinese Journal of Engineering Geophysics, 2008, 5(6)：735-741.

[8] 陳國紅, 齊添, 謝康和, 等. 超固結(jié)土的一維固結(jié)計(jì)算參數(shù)及其測定[J]. 應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào),2009,26(3)：614-618.CHEN Guohong, QI Tian, XIE Kanghe, et al. Laboratory Determination of one dimensional linear overconsolidation computational parameters of soft soil[J]. Chinese Journal of Applied Mechanics,2009,26(3)：614-618.

[9] Butterfield R. A natural compression law for soils[J].Geotechnique,1979,29(4)：469-480.

[10] Leroueil S, Kabbaj M, Tavenas F, et al. Stress-strain-strain rate relation for the compressibility of sensitive natural clays[J].Geotechnique,1985,35(2)：159-180.

[11] Cai J C, Miura N, Zhu H H, et al. Compression and consolidation characteristics of structured natural clay[J]. Can Geotech J,2004,41：1250-1258.