丁榮祥，張超杰，陳式華，魏海云

(浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020)

1 問題的提出

飽和軟黏土的一維壓縮主要由2部分組成:一部分是由于在總應力不變的情況下，隨著孔隙水的排出，有效應力逐漸增大，從而導致土體骨架的壓縮，這一部分被稱為主固結;另一部分則由于土顆粒的塑性調整而導致的土骨架流變特性而引起，由于具有流變特性，土骨架在有效應力不變的情況下也會產(chǎn)生壓縮，這種壓縮被稱為次壓縮(或次固結)。Bjerrum(1967年)［1］、Crawford(1985年)［2］指出土體在受荷之后便會立即產(chǎn)生次壓縮變形，而不只是在主固結結束后產(chǎn)生。這個觀點符合土體這一具有流變特性的工程材料的力學特性并已被工程界廣泛接受。本文通過對海積軟土的多級加荷一維固結蠕變試驗，研究與流變關系密切的次固結系數(shù)的變化和能夠減少軟土流變沉降的加載歷時。

2 試驗方案

試驗儀器采用有側限的常規(guī)固結壓縮儀，土樣面積為30cm2，高度為2cm，共進行2組8個土樣的一維壓縮試驗。土樣取自溫嶺市東海塘南片綜合開發(fā)區(qū)3-5淤泥質粉質黏土層，取樣深度19.2～19.7m，為了確保8個土樣性質均一、擾動少，2組取樣的鉆孔間距3m，并采用了用薄壁取土器取樣，此外，試樣運輸和切割也盡量采取措施減少試樣的擾動，因此這8個試樣的性質基本是均一的。土樣的主要物理力學指標為:ω=45%，Sr=100%，e0=1.007;壓縮 (固結):αv0.1～0.2=1.245MPa-1，Esv0.1～0.2=2.14MPa，Cv0.2=1.067×10-3cm2/s;滲透:kh=2.7×10-7cm/s。試驗方案見表1。

表1 試驗方案表

3 壓縮曲線形式與加荷比的關系

許多試驗表明，加荷比對固結時間過程曲線的影響是非常顯著的。Leonards(1964年)根據(jù)曲線形狀將其分為主次固結階段之間有一明顯最大曲率點的Ⅰ型、主次固結階段無法明顯分開的Ⅱ型和二者的過渡型Ⅲ型3種類型。從試樣zk5-8-5、zk5-8-6、zk5-8-7和zk5-8-8在荷載300kPa下持續(xù)26d后，分別施50，100，200，500kPa等不同荷載增量后的變形曲線可以看出 (見圖1～4)，本試驗土樣也呈現(xiàn)出了這一規(guī)律。從荷載和結構屈服應力的關系來看，如果荷載遠小于結構屈服應力，則壓縮曲線為Ⅱ型;如果荷載接近結構屈服應力，則壓縮曲線為Ⅲ型;如果荷載遠大于結構屈服應力，則壓縮曲線為Ⅰ型。

圖1 試樣zk5-8-5固結蠕變試驗圖

圖2 試樣zk5-8-6固結蠕變試驗圖

圖3 試樣zk5-8-7固結蠕變試驗圖

圖4 試樣zk5-8-8固結蠕變試驗圖

4 次固結系數(shù)的變化

關于次固結系數(shù)的變化，可以從2個角度來觀察:一是不同初始狀態(tài)和荷載增量下，荷載持續(xù)某一固定時間內(nèi)的次固結系數(shù)變化;二是同一荷載下，不同時間段內(nèi)的次固結系數(shù)的變化。

圖5和圖6是試樣zk5-8-4的e-log(P)曲線和e-log(t)曲線，圖7是不同初始狀態(tài)和荷載增量下，荷載持續(xù)24h內(nèi)的次固結系數(shù)變化?？梢钥闯?，在荷載達到結構屈服應力之前，e-log(t)曲線平緩，蠕變速率較低，土體的變形較小;在達到結構屈服應力之后，e-log(t)曲線變陡，蠕變速率增大，變形明顯增大。而且，在這個過程中，次固結系數(shù)也在不斷變化:在結構屈服應力之前，次固結系數(shù)隨著荷載的增加而顯著增大，在荷載大于結構屈服應力之后，次固結系數(shù)增加到最大值，之后緩慢減小，但結構屈服前的次固結系數(shù)遠小于結構屈服后的。

圖5 試樣e－log(P)曲線

同一荷載下不同時間段內(nèi)的次固結系數(shù)的變化與壓縮曲線的形狀相關，對于Ⅰ型壓縮曲線，次固結系數(shù)隨著荷載持續(xù)時間的延長而減小 (見表2);對于Ⅱ型的壓縮曲線，在加載后一定時間內(nèi)，次固結系數(shù)是逐漸增大的 (見表3);而對于Ⅲ型的壓縮曲線，在加載后一定時間內(nèi)，次固結系數(shù)是先增大后減小的 (見表4)。

圖6 試樣zk5-8-4固結蠕變試驗圖

表2 土樣zk5－8－7在500kPa下不同持續(xù)時間時的次固結系數(shù)表

表3 土樣zk5－8－5在350kPa下不同持續(xù)時間時的次固結系數(shù)表

表4 土樣zk5－8－6在400kPa下不同持續(xù)時間時的次固結系數(shù)表

5 壓縮指數(shù)和次固結系數(shù)的關系

因次固結系數(shù)變化較復雜，故本文僅研究同一初始狀態(tài)和相同荷載增量下，荷載持續(xù)某一固定時間內(nèi)的次固結系數(shù)變化。

從圖5可以看出，壓縮指數(shù) (e-log(P)曲線的斜率)隨著壓力的增大，值逐漸增大，這樣的變化規(guī)律與次固結系數(shù)的變化規(guī)律極其相似。Mesri＆Godlewski(1977年)［3］總結了22種黏土的次固結試驗結果指出，對于同一種原狀土次固結系數(shù)與壓縮指數(shù)的比值是一個常數(shù)，其值在0.025～0.100。經(jīng)計算，本次試驗次固結系數(shù)和壓縮指數(shù)的比值在0.020～0.028，基本維持恒定，這與Mesri的結論是相符的。

6 應力歷史對次固結系數(shù)的影響

為了研究應力歷史對次固結的影響，試樣zk5-8-5、zk5-8-6、zk5-8-7和zk5-8-8在施加到荷載300kPa之前的加載方式完全相同，在荷載300kPa下持續(xù)26d后，分別施50，100，200，500kPa等不同的荷載增量，試驗成果見圖1～4。由圖1～4對比可知，4個試樣在施加不同荷載前的變形規(guī)律完全相同，之后的變形就各有特色。

對比分析這幾個圖可知，試樣在26d的持續(xù)荷載下，產(chǎn)生了明顯的結構強度，使得變形狀況與應力水平相關:在下一級荷載增量不大的情況下，變形曲線上主次固結的分界逐漸模糊，曲線幾乎成了直線，次固結變形很小;隨著荷載增量增加，主固結與次固結分界明顯，次固結變形部分增大。此外，通過對次固結系數(shù)研究發(fā)現(xiàn)，在小荷載增量下，次固結系數(shù)前期 (24h內(nèi))較小，基本與原狀土在超固結狀態(tài)下的次固結系數(shù) (也是24h內(nèi))相同，后期逐漸長大，但仍小于正常固結狀態(tài)下的值 (約60%);在大荷載增量下，次固結系數(shù)基本不隨時間變化，與原狀土在正常固結下的值基本相同，不同荷載增量下次固結系數(shù)見表5。

對于試樣zk5-8-5和zk5-8-6，在分別施加荷載增量50，100kPa荷載增量并持續(xù)12d后，再次分別加載250，50kPa，試驗成果見圖1和圖2，可以看出，本次加載試樣zk5-8-5的變形曲線出現(xiàn)明顯的轉折，次固結變形曲線與該土樣在荷載300kPa下的變形曲線基本平行;而對土樣zk5-8-6，因本次荷載持續(xù)時間短，不能產(chǎn)生足夠的結構屈服應力，與試樣zk5-8-5在荷載增量50kPa次固結相比，次固結變形明顯小，次固結系數(shù)為0.00667，但小于該土樣在荷載300kPa下正常固結狀態(tài)時的值。

次固結變形是由于土骨架的流變?nèi)渥冏饔卯a(chǎn)生的。上述試驗表明，這類蠕變變形可以增加土的結構屈服應力，提高土體的抗變形能力，在一定荷載范圍內(nèi)可以大大減小土的次壓縮性，但當荷載增大至某一值后，這種效應便會消失。

表5 不同荷載增量下次固結系數(shù)的變化表

7 結語

通過上述對固結過程中3個黏滯性效應的分析，可以得出以下結論:

(1)對于結構性土，次固結系數(shù)與應力水平密切相關，在固結荷載小于結構屈服應力時，次固結系數(shù)隨著荷載的增加而顯著增大，在荷載大于結構屈服應力之后，次固結系數(shù)增加到最大值之后緩慢減小，但結構屈服前的次固結系數(shù)遠小于結構屈服后的。根據(jù)試驗成果，海積軟土在超固結階段也有明顯的次固結現(xiàn)象，在對這類土的工后沉降計算中須考慮這一因素。

(2)同一種原狀土次固結系數(shù)與壓縮指數(shù)的比值在較小的范圍內(nèi)變化，可以看作是一個常數(shù);歷史應力和加荷比對次固結變形都有很大的影響。

(3)次固結變形是由于土骨架的黏滯性蠕變作用產(chǎn)生的，這類蠕變變形可以增加土的結構屈服應力，提高土體的抗變形能力，在一定荷載范圍內(nèi)可以大大減小土的次壓縮性，但當荷載增大至某一值后，這種效應便會消失。海堤一般都建在深厚的海相軟土層上，工后沉降時間漫長，蠕變次固結沉降占的比例較大，據(jù)本文的試驗成果，如采用合理的加載施工工藝，在一定程度上可以大幅減少工后沉降。

［1］ Bjerrum L. Engineering geology of Norwegian normally consolidation marine clays as related to the settlement of building［J］.Geotechnique，1967，17(12):81-118.

［2］ Crawford C B.State of the art:evaluation and interpretation of soil consolidation tests［C］ //Proc.ASTM Symp.consolidation behavior og soils.Fort Lauderdale，1985，STP892，PP:71-103.

［3］ MesriG，GodlewskiP M.Time and stresscompressibility interrelationship ［J］.ASCE Journal of Geotechnical Engineering Division，1977，103(GT5):1067-1070.

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［7］魏汝龍.軟黏土的強度和變形［M］.北京:人民交通出版社，1987.