雷華陽 ，李 賓，仇王維，盧海濱，任 倩

（1.天津大學(xué) 土木工程系，天津 300072；2.天津大學(xué) 濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點實驗室，天津 300072）

1 引 言

隨著天津濱海新區(qū)的發(fā)展，圍海造陸工程成為解決土地需求量矛盾的有效途徑。由于吹填材料常采用疏浚淤泥，其含水率高達(dá)80%以上，經(jīng)真空預(yù)壓加固后，與下臥正常沉積的軟土形成典型的“上生下熟”的雙層地基，新近吹填成陸的地基與歷經(jīng)數(shù)百萬年天然形成的地基存在諸多差異。由于吹填地基（此部分土層受真空預(yù)壓、堆載預(yù)壓、塑料插板存在的長期排水等三重作用）和天然沉積地基（受上部堆載預(yù)壓作用）在強(qiáng)度和變形特性上的差異性，在這種雙層地基上進(jìn)行工程建設(shè)，隨著時間的推移，常出現(xiàn)各種各樣的巖土工程問題，甚至于導(dǎo)致建筑物出現(xiàn)不同程度的破壞。例如，法國一個建在6 m厚的黏土質(zhì)地基上的大壩,由于軟黏土蠕變，導(dǎo)致大壩在建成11年后遭到破壞。上海市外環(huán)線北翟路口交通開放兩年后的實測結(jié)果表明，道路殘余變形達(dá)9～10 cm。因此，有必要對吹填土層和天然沉積土層進(jìn)行試驗研究，為吹填場區(qū)軟黏土地基變形模型建立及長期工后沉降預(yù)測提供理論依據(jù)。

國內(nèi)外學(xué)者針對土體的次固結(jié)特性進(jìn)行了大量的研究。1967年Bjerrum[1]基于重塑土提出了等時e-lgp 曲線，且認(rèn)為次固結(jié)系數(shù)與時間和應(yīng)力水平均不相關(guān)。Mesri 等[2]認(rèn)為次固結(jié)系數(shù)與加荷比無關(guān)，僅取決于最終固結(jié)壓力。Nash 等[3]通過試驗發(fā)現(xiàn),隨固結(jié)壓力增大,次固結(jié)系數(shù)存在由小到大再減小的現(xiàn)象。劉世明[4]針對杭州黏土認(rèn)為當(dāng)荷載小于某值時，次固結(jié)系數(shù)與荷載有關(guān)，大于某值后則無關(guān)。雷華陽等[5]認(rèn)為次固結(jié)系數(shù)與荷載無關(guān)的結(jié)論不適用于天津的海積軟土。周秋娟等[6]對廣州南沙原狀軟土進(jìn)行了一系列的固結(jié)試驗，探討了應(yīng)力歷史、加荷比、超載預(yù)壓對軟土固結(jié)特性的影響。張衛(wèi)兵等[7]認(rèn)為當(dāng)土體處于正常固結(jié)狀態(tài)時次固結(jié)系數(shù)近似為一常數(shù)，經(jīng)超載預(yù)壓處理后次固結(jié)系數(shù)隨超載比和超載作用時間不同而變化。曾玲玲等[8]分析了結(jié)構(gòu)性土的次固結(jié)變形機(jī)理。雷華陽等[9]研究分析了真空預(yù)壓處理前后土體的次固結(jié)特性。

前人的研究主要集中在次固結(jié)系數(shù)的影響因素方面，包括應(yīng)力歷史、荷載及加荷比等。針對吹填場區(qū)地基土開展的次固結(jié)試驗研究，尤其是針對真空預(yù)壓處理后吹填土層和天然沉積土層的次固結(jié)特性研究較少。隨著大面積的新近吹填土地投入建設(shè)和使用，如何認(rèn)識這種雙層地基土的固結(jié)和次固結(jié)特性是后續(xù)工程安全建設(shè)和使用的理論依據(jù)。

本文結(jié)合中心漁港地區(qū)已處理場區(qū)地基土，選取不同深度的吹填土和天然沉積土進(jìn)行一系列室內(nèi)固結(jié)和次固結(jié)試驗，揭示吹填場區(qū)軟黏土地基的固結(jié)和次固結(jié)特性。

2 試驗內(nèi)容及方法

試驗土樣取自天津中心漁港吹填場區(qū)吹填土和天然沉積土，吹填土厚6 m，塑料插板深度為5 m左右。處理前吹填土含水率為30%～40%，處理后含水率減小到20%～28%。處理后的吹填土經(jīng)過長期的自然晾曬，對吹填土層和天然沉積土層進(jìn)行一系列的一維次固結(jié)試驗，每一土層取多個土樣進(jìn)行平行試驗。

試樣面積為30 cm2，高度為2 cm，均采用雙面排水。試驗儀器采用常規(guī)的WG 型高壓單杠桿固結(jié)儀，采用分級加載加載方式。加載分為8 個等級進(jìn)行加載，加載方案為25 kPa→50 kPa→100 kPa→200 kPa→100 kPa→200 kPa→300 kPa→400 kPa，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(jī)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，土樣的基本物理參數(shù)見表1。

表1 土樣的基本物理參數(shù)Table 1 Physical parameters of soil samples

3 固結(jié)變形特性分析

3.1 應(yīng)變-時間關(guān)系曲線

由于每層土樣的試驗規(guī)律相同，分別取代表性土樣進(jìn)行結(jié)果分析。圖1為中心漁港吹填場區(qū)吹填土層和天然沉積土層雙面排水條件下的應(yīng)變-時間關(guān)系曲線，圖2為4 層土的應(yīng)變速率與時間雙對數(shù)關(guān)系曲線。

圖1 應(yīng)變-時間關(guān)系曲線Fig.1 Strain vs.time curves

圖2 應(yīng)變速率與時間雙對數(shù)關(guān)系曲線Fig.2 Double logarithm curves of strain rate and time

從圖1 中可以看出，4 層土在加載后均產(chǎn)生較大的瞬時應(yīng)變，隨著時間的增加，應(yīng)變逐漸增大并趨于穩(wěn)定。圖2 表明，4 層土的應(yīng)變速率與時間雙對數(shù)曲線具有很好的線性相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)均為0.99，說明吹填土和天然沉積土均符合Mitchell 的應(yīng)變速率與時間雙對數(shù)關(guān)系，其應(yīng)變速率-時間雙對數(shù)曲線擬合方程為

式中：t為計算時間；ε為相應(yīng)時刻的應(yīng)變；a、b為曲線擬合參數(shù)。

3.2 壓縮特性與深度的關(guān)系

圖3為4 層土在整個壓縮試驗過程中的e-p 曲線。圖中，e為土樣壓縮過程中的孔隙比；p為施加的外部荷載。以此曲線及相關(guān)試驗數(shù)據(jù)為依據(jù)，計算不同荷載等級下的壓縮指標(biāo)見表2、3。

圖3 土樣的e-p 壓縮曲線Fig.3 e-p compression curves

表2 不同荷載等級下的壓縮系數(shù)Table 2 Compression coefficients under different consolidation pressures

表3 4 層土的壓縮指數(shù)Table 3 Compression indices of four soils

對比不同土層壓縮系數(shù)發(fā)現(xiàn)，相同荷載等級下吹填淺層土壓縮系數(shù)最小，其次是吹填深層土，再是天然沉積深層土，天然沉積淺層土壓縮系數(shù)最大，壓縮指數(shù)呈現(xiàn)出相同的變化規(guī)律。這是因為土體的壓縮性受含水率的影響，吹填淺層土排水路徑短，排水充分，經(jīng)過真空預(yù)壓處理后其含水率低，土顆粒密實，顆粒間的摩擦力較大，土體不易被壓縮；吹填深層土排水路徑變長，真空預(yù)壓加固效果有所減弱。天然沉積土受真空預(yù)壓作用不明顯，其含水率高，土體表現(xiàn)出較高的壓縮特性。

4 次固結(jié)變形特性分析

4.1 次固結(jié)系數(shù)與荷載的關(guān)系

Buisman（1936年）認(rèn)為，在次固結(jié)變形階段，變形與時間對數(shù)之間基本呈線性關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上提出了次固結(jié)系數(shù)的概念。次固結(jié)系數(shù)可由土樣的e-lgt 關(guān)系曲線求得

式中：t為計算次固結(jié)的時間；tp為主固結(jié)結(jié)束的時間。

由上述計算公式，計算吹填土層和天然沉積土層在各級荷載作用下的次固結(jié)系數(shù)，得到其次固結(jié)系數(shù)與荷載之間的關(guān)系曲線如圖4 所示。

圖4 次固結(jié)系數(shù)-荷載關(guān)系曲線Fig.4 Curves of secondary consolidation ratio and consolidation pressure

從圖4 可以看出，吹填土層和天然沉積土層次固結(jié)系數(shù)隨荷載變化具有明顯的差異性。吹填土在各級荷載作用下次固結(jié)系數(shù)基本保持不變，波動幅度很小；天然沉積淺層土次固結(jié)系數(shù)受荷載作用的影響大，當(dāng)荷載小于200 kPa 時，次固結(jié)系數(shù)增長了6 倍，增幅十分明顯，當(dāng)荷載超過 200 kPa，次固結(jié)系數(shù)減小了22%，此后保持不變；對天然沉積深層土，當(dāng)荷載小于100 kPa 時，次固結(jié)系數(shù)增長了1 倍，當(dāng)荷載超過100 kPa，次固結(jié)系數(shù)基本保持不變。

產(chǎn)生上面的結(jié)果主要是由于天然沉積土的壓縮性較強(qiáng)，主固結(jié)變形明顯，載荷不同造成的主固結(jié)變形的差異也較大，由于次固結(jié)變形與主固結(jié)存在耦合作用，表現(xiàn)出次固結(jié)系數(shù)隨荷載變化明顯。而吹填土經(jīng)真空預(yù)壓處理后，壓縮性低，土顆粒密實，土體變形發(fā)展緩慢，表現(xiàn)出次固結(jié)系數(shù)受荷載變化的影響小。研究表明，中心漁港吹填場區(qū)吹填土的次固結(jié)系數(shù)受荷載變化的影響??；天然沉積土的次固結(jié)系數(shù)隨荷載的增大先增大后減小，最終趨于穩(wěn)定。

4.2 次固結(jié)系數(shù)與壓縮指數(shù)的關(guān)系

1977年，Mesri 等[2]總結(jié)了22 種黏土的次固結(jié)試驗結(jié)果后發(fā)現(xiàn)，對于同一種原狀土，次固結(jié)系數(shù)與壓縮指數(shù)的比值 Ca/Cc是一個常數(shù)。我國一些學(xué)者如高彥斌等[10]、張衛(wèi)兵等[8]的研究也認(rèn)為正常固結(jié)的軟黏土 Ca/Cc可近似看作常數(shù)。

根據(jù)試驗研究結(jié)果，吹填土和天然沉積土的次固結(jié)系數(shù)隨荷載變化表現(xiàn)出明顯差異性。匯總吹填土和天然沉積土試驗結(jié)果，次固結(jié)系數(shù)與壓縮指數(shù)的關(guān)系曲線如圖5 所示。從圖中可以看出，雖然吹填土和天然沉積土的次固結(jié)系數(shù)受荷載變化表現(xiàn)出明顯差異性，但是其與壓縮指數(shù)仍呈較好的線性關(guān)系，Ca/Cc=0.032 8，與Mesri 等提出的次固結(jié)系數(shù)和壓縮指數(shù)之比在0.025～0.100 之間的結(jié)論基本一致，該經(jīng)驗關(guān)系為實際工程中確定次固結(jié)系數(shù)提供了一種新的途徑。

圖5 次固結(jié)系數(shù)與壓縮指數(shù)的關(guān)系曲線Fig.5 Relatioship between secondary consolidation coefficient and compression index

4.3 次固結(jié)系數(shù)與時間的關(guān)系

由（2）計算次固結(jié)次數(shù)時，Ca的大小與主固結(jié)結(jié)束的時間和計算次固結(jié)所需的時間選取有較大的關(guān)系。對4 層土樣，計算恒定壓力下不同時間周期的次固結(jié)系數(shù)見表4。從表中可以看出，不同時間周期求得的次固結(jié)系數(shù)有較大差別，吹填淺層土次固結(jié)系數(shù)的最大值與最小值相差為11.7%，吹填深層土其差值為5.6%；天然沉積淺層土次固結(jié)系數(shù)的最大值與最小值相差45.9%，天然沉積深層土其差值為26.9%，這說明次固結(jié)系數(shù)受時間周期的影響而變化不是一個定值，吹填土層次固結(jié)系數(shù)受時間的影響小，而天然沉積土層次固結(jié)系數(shù)受時間的影響明顯。為了更好的了解次固結(jié)系數(shù)與時間的關(guān)系，在恒定壓力下，得到4 層土樣次固結(jié)系數(shù)Ca與t/tp的關(guān)系，如圖6 所示。

表4 不同時間周期的次固結(jié)系數(shù)Table 4 Secondary consolidation coefficients under different time periods

圖6 次固結(jié)系數(shù)與時間的關(guān)系曲線Fig.6 Curves of secondary consolidation coefficient and time under different depths

從圖6 中可以看出，4 層土的次固結(jié)系數(shù)隨時間的增加均呈對數(shù)下降趨勢。分析其原因主要是隨著時間周期增加，土體變形的發(fā)展，土體的粘性得到了逐步發(fā)揮，土顆粒間的距離隨著變形發(fā)展越來越小，繼而土顆粒變得密實，表現(xiàn)出變形發(fā)展減慢，即次固結(jié)系數(shù)隨時間增加呈對數(shù)下降的趨勢，得到兩者的對數(shù)關(guān)系表達(dá)式：

式中：t為次固結(jié)結(jié)束時間；tp為主固結(jié)結(jié)束時間；a為主固結(jié)完成t=tp時的次固結(jié)系數(shù)；b為曲線擬合參數(shù)。

5 結(jié) 論

（1）中心漁港吹填場區(qū)吹填土和天然沉積土均符合Mitchell 的應(yīng)變速率與時間雙對數(shù)關(guān)系，其應(yīng)變速率與時間雙對數(shù)曲線具有很好的線性相關(guān)性。

（2）中心漁港吹填場區(qū)真空預(yù)壓處理后吹填土層強(qiáng)度改善顯著，含水率和壓縮性較低，而天然沉積土加固效果不明顯，仍具有較高的含水率和壓縮性。

（3）中心漁港吹填場區(qū)吹填土和天然沉積土次固結(jié)系數(shù)隨荷載變化表現(xiàn)出明顯差異性。吹填土次固結(jié)系數(shù)受荷載作用的影響小，而天然沉積土層的次固結(jié)系數(shù)隨荷載的增大先增大后減小，最終趨于穩(wěn)定。

（4）分析吹填土和天然沉積土的次固結(jié)系數(shù)與壓縮指數(shù)關(guān)系，雖然次固結(jié)系數(shù)隨荷載變化表現(xiàn)出明顯差異性，但是其與壓縮指數(shù)仍呈較好的線性關(guān)系，比值 Ca/Cc是一個常數(shù)，這為實際工程中確定次固結(jié)系數(shù)提供了一種新的途徑。

（5）中心漁港吹填場區(qū)真空預(yù)壓處理后，其吹填土的次固結(jié)系數(shù)受時間的影響較小，天然沉積土的次固結(jié)系數(shù)受時間的影響較大。次固結(jié)系數(shù)隨時間的增加均呈對數(shù)下降趨勢。

[1]BJERRUM L.Embankments on soft ground:State of threat report[C]//Proceedings of Specialty Conference on Performance of Earth and Earth Supported Structures.Hosier State:Purdue University,1972:1－54.

[2]MESRI,GODLEWSKI P M.Time and stresscompressibility interrelationship[J].Journal of the Geo-technical Engineering Division,ASCE,1977,103(5):417－430.

[3]NASH D F T,SILLS G C,DAVISON L R.One-dimensional consolidation testing for soft clay from Bothkennar[J].Geotechnique,1992,42(2):241－256.

[4]劉世明.軟黏土的次固結(jié)變形特性研究[D].杭州:浙江大學(xué),1988:23－24.

[5]雷華陽,肖樹芳.天津軟土的次固結(jié)變形特性研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報,2002,10(4):385－389.LEI Hua-yang,XIAO Shu-fang.Study on secondary consolidation deformation characteristics of soft soil in Tianjin[J].Journal of Engineering Geology,2002,10(4):385－389.

[6]周秋娟,陳曉平.軟土次固結(jié)特性試驗研究[J].巖土力學(xué),2006,27(3):404－408.ZHOU Qiu-juan,CHEN Xiao-ping.Test study on properties of secondary consolidation of soft soil[J].Rock and Soil Mechanics,2006,27(3):404－408.

[7]張衛(wèi)兵,謝永利,楊曉華.壓實黃土的一維次固結(jié)特性研究[J].巖土工程學(xué)報,2007,29(5):765－768.ZHANG Wei-bing,XIE Yong-li,YANG Xiao-hua.Research on 1-D secondary consolidation characteristics of compacted loess[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2007,29(5):765－768.

[8]曾玲玲,洪振舜,劉松玉,等.天然沉積結(jié)構(gòu)性土的次固結(jié)變形預(yù)測方法[J].巖土力學(xué),2011,32(10):3136－3142.ZENG Ling-ling,HONG Zhen-shun,LIU Song-yu,et al.A method for predicting deformation caused by secondary consolidation for naturally sedimentary structural clays[J].Rock and Soil Mechanics,2011,32(10):3136－3142.

[9]雷華陽,陳麗,丁小東,等.兩種類型吹填場區(qū)地基土的次固結(jié)特性試驗研究[J].巖土工程學(xué)報,2013,35(增刊):90－96.LEI Hua-yang,CHEN Li,DING Xiao-dong,et al.Properties of secondary consolidation of two types of dredger fill sites[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2013,35(Suup.):90－96.

[10]高彥斌,朱合華,葉觀寶,等.飽和軟黏土一維次壓縮系數(shù)Ca值的試驗研究[J].巖土工程學(xué)報,2004,26(4):459－463.GAO Yan-bin,ZHU He-hua,YE Guan-bao,et al.The investigation of the coefficient of secondary compression Cain odometer tests[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2004,26(4):459－463.