陳云長(zhǎng),羅慶姿,王 盛,黃井武,*,么振東,陳曉平

(1.廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣州 510170；2.廣東工業(yè)大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，廣州 510006； 3.暨南大學(xué) 理工學(xué)院，廣州 510632)

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吹填區(qū)軟土固結(jié)及次固結(jié)特性試驗(yàn)研究

陳云長(zhǎng)1,羅慶姿2,王 盛1,黃井武1,*,么振東1,陳曉平3

(1.廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣州 510170；2.廣東工業(yè)大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，廣州 510006； 3.暨南大學(xué) 理工學(xué)院，廣州 510632)

對(duì)某吹填區(qū)軟土進(jìn)行了不同固結(jié)壓力、固結(jié)時(shí)間、排水距離、初始孔隙比等的對(duì)比性固結(jié)試驗(yàn)，研究了軟土的固結(jié)及次固結(jié)特性。試驗(yàn)結(jié)果表明：次固結(jié)系數(shù)與壓縮指數(shù)呈較好的線性關(guān)系，壓縮性指標(biāo)與上覆固結(jié)壓力密切相關(guān)；固結(jié)變形與先期固結(jié)壓力有關(guān)，在超固結(jié)階段呈線性變形、正常固結(jié)階段呈黏塑性變形的特征；次固結(jié)系數(shù)隨固結(jié)壓力變化可分3個(gè)階段，階段II(pc

固結(jié)試驗(yàn);次固結(jié)系數(shù);壓縮指數(shù);固結(jié)壓力

軟土變形具有時(shí)效性的重要特征，包括孔隙水?dāng)D出而壓密的固結(jié)過(guò)程，以及土骨架受壓土顆粒平衡位置重新調(diào)整的次固結(jié)過(guò)程。次固結(jié)是孔隙水消散后，在有效應(yīng)力不變情況下土體體積仍隨時(shí)間增長(zhǎng)而減小的過(guò)程。在實(shí)際工程中往往忽略次固結(jié)對(duì)沉降的影響，導(dǎo)致工后沉降超出計(jì)算值，甚至影響工程正常運(yùn)行。因此，通過(guò)一系列試驗(yàn)研究吹填區(qū)軟土的固結(jié)與次固結(jié)變形特性，對(duì)科學(xué)合理評(píng)估吹填區(qū)上建筑物的沉降及穩(wěn)定尤為重要。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)軟土的變形特性進(jìn)行了一系列的研究[1-10]，分析了先期固結(jié)壓力、加荷比、固結(jié)壓力、應(yīng)力歷史、結(jié)構(gòu)性等因素對(duì)固結(jié)及次固結(jié)系數(shù)的影響，得到的結(jié)論不盡相同。文獻(xiàn)[1-2]通過(guò)試驗(yàn)研究和理論分析提出軟黏土的次固結(jié)系數(shù)與其所處的固結(jié)狀態(tài)有關(guān)；而Newland等[3]研究顯示正常固結(jié)的軟黏土的次固結(jié)系數(shù)與固結(jié)壓力無(wú)關(guān)；文獻(xiàn)[4-5]認(rèn)為次固結(jié)系數(shù)隨荷載的變化曲線在先期固結(jié)壓力附近出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)；而邵光輝等[6]提出次固結(jié)系數(shù)隨荷載的變化曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的固結(jié)壓力為n倍先期固結(jié)壓力；Ladd[9]則提出正常固結(jié)軟黏土的次固結(jié)系數(shù)隨著荷載增加的變化規(guī)律不是唯一的；雷華陽(yáng)等[10]研究了軟土結(jié)構(gòu)性對(duì)次固結(jié)系數(shù)的影響?？梢?jiàn)不同區(qū)域的軟土，由于礦物成分及結(jié)構(gòu)性等影響，變形特性存在較大差異。

本文基于前人的研究成果，以粵東沿海某吹填區(qū)軟土作為研究對(duì)象，進(jìn)行了一系列固結(jié)試驗(yàn)，系統(tǒng)研究了壓縮性指標(biāo)的影響因素和固結(jié)的變形規(guī)律，以及固結(jié)壓力、固結(jié)時(shí)間、排水距離、初始孔隙比等對(duì)次固結(jié)系數(shù)的影響，所獲結(jié)論可為工程計(jì)算提供科學(xué)的建議。

1 試驗(yàn)方案

1.1 物理特性

試驗(yàn)土樣為粵東沿海某吹填區(qū)的淤泥與淤泥質(zhì)土，取自吹填土表面以下7～16 m(其中吹填厚度為7 m)。根據(jù)Casagrande法所確定的先期固結(jié)壓力為48～102 kPa，均為欠固結(jié)狀態(tài)，主要物理指標(biāo)見(jiàn)表1。

1.2 試驗(yàn)方案

一維固結(jié)試驗(yàn)在WG型杠桿式三聯(lián)高壓固結(jié)儀上完成，土樣面積為30 cm2，高度為2 cm或4 cm，為避免溫度變化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成影響，將試驗(yàn)溫度控制在24±1 ℃。試驗(yàn)采用分級(jí)加載方式，具體見(jiàn)表2。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 固結(jié)特性

由試驗(yàn)獲得的土樣孔隙比e隨時(shí)間t的變化曲線見(jiàn)圖1。在超固結(jié)階段曲線的反彎現(xiàn)象不明顯，次固結(jié)系數(shù)較??；在正常固結(jié)階段呈“S”狀，有明顯的反彎點(diǎn)，且斜率隨荷載基本不變。利用陳式加載法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理，可得土樣在分別加載時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變等時(shí)曲線，見(jiàn)圖2。由圖2可見(jiàn)，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為一簇趨勢(shì)相同的曲線，當(dāng)上部荷載較小時(shí)，土體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系近似呈直線，可認(rèn)為土體在超固結(jié)階段應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為線性相關(guān)，但當(dāng)土體處于正常固結(jié)階段，試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線向應(yīng)力軸偏轉(zhuǎn)，非線性特征明顯。表明試樣具有在超固結(jié)階段為彈性變形、正常固結(jié)階段為黏塑性變形的變形特征，這一特征與先期固結(jié)壓力有關(guān)。

表1 土樣物理指標(biāo)

Table 1 Basic physical indices of soft soil sample

W/%Ρ/(g·cm-3)e0Sr/%ds40.4～54.61.64～1.801.14～1.4491.0～100.02.62～2.67

表2 試驗(yàn)方案

Table 2 Test scheme

(1)分級(jí)加載,加荷比=1(2)保持側(cè)向變形=0(3)加載方式:a)12.5→25→50→100→200→400→800→1600→3200,72h/stepb)12.5→25→50→100→200→400→800→1600,48h/stepc)25→50→100→200→400→800,24h/stepd)25→50→100→200→400→800,72h/stepe)25→50→100→200→400→800→1600→3200,96h/stepf)25→50→100→200→400→800→1600,24h/stepg)25→50→100→200→400→800→1600,72h/step

圖1 一維固結(jié)試驗(yàn)e～lg t曲線Fig.1 Tested e-lg t curves of 1D consolidation test

圖2 一維固結(jié)等時(shí)曲線Fig.2 Isochronal curves of 1D consolidation test

2.2 次固結(jié)特性

2.2.1 固結(jié)壓力對(duì)次固結(jié)系數(shù)的影響

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)固結(jié)壓力對(duì)次固結(jié)系數(shù)的影響進(jìn)行了大量研究，但更多的試驗(yàn)結(jié)果表明變化規(guī)律并不唯一。Ladd 提出正常固結(jié)的軟黏土的次固結(jié)系數(shù)可能隨荷載增大不變或增大或減??；殷宗澤、陳曉平等提出次固結(jié)系數(shù)與所處的固結(jié)狀態(tài)有關(guān)。本文通過(guò)多組對(duì)比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)次固結(jié)系數(shù)隨固結(jié)壓力的變化除了與固結(jié)狀態(tài)相關(guān)外，還與土質(zhì)有關(guān)，對(duì)于淤泥和淤泥質(zhì)土樣，可近似歸納出的規(guī)律見(jiàn)圖3。

圖3 次固結(jié)系數(shù)隨固結(jié)壓力變化規(guī)律Fig.3 Curves of Caand p

次固結(jié)系數(shù)隨固結(jié)壓力的增大而增大，曲線的變化與先期固結(jié)壓力pc有關(guān)。當(dāng)荷載小于ηpc時(shí)，次固結(jié)系數(shù)隨荷載的增長(zhǎng)速率極其顯著，而當(dāng)荷載達(dá)到這一定值時(shí)，次固結(jié)系數(shù)隨荷載的增長(zhǎng)幅度則會(huì)趨于穩(wěn)定或非常小。對(duì)于淤泥質(zhì)土樣，η≈2.3，對(duì)于淤泥土樣，η≈3.5。這一現(xiàn)象表明，次固結(jié)系數(shù)隨固結(jié)壓力變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)并不是出現(xiàn)在先期固結(jié)壓力附近，而是η倍的pc。這與Nash(1992)、Chen(2014)等認(rèn)為次固結(jié)系數(shù)隨荷載的變化曲線在先期固結(jié)壓力附近出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)的結(jié)論有所不同；但與石井一郎(1984)、Reddy(2014)、邵光輝(2008)等學(xué)者提出次固結(jié)系數(shù)隨荷載的變化曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的固結(jié)壓力約為1.5～3.5倍先期固結(jié)壓力的結(jié)果相似?？梢?jiàn)，僅認(rèn)為次固結(jié)與固結(jié)狀態(tài)有關(guān)是不夠全面的，還與土質(zhì)相關(guān)，深層次的原因可能與土的結(jié)構(gòu)屈服壓力有關(guān)，這一現(xiàn)象還有待進(jìn)一步研究。

由圖3可見(jiàn)，次固結(jié)系數(shù)隨固結(jié)壓力的變化分為3個(gè)階段：Ⅰ階段pηpc，孔隙已經(jīng)被不斷的壓密，土顆粒間及土顆粒與結(jié)合水膜間的結(jié)構(gòu)性完全受到破壞，土體越來(lái)越接近重塑狀態(tài)，土體的次固結(jié)變形逐步趨于穩(wěn)定，次固結(jié)系數(shù)較小。對(duì)于淤泥土樣，由于其孔隙比較大、含水率高，土顆粒間及顆粒與結(jié)合水膜間的作用力被削弱，因此其Ⅱ階段經(jīng)歷的時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)，且Ⅱ階段內(nèi)的次固結(jié)系數(shù)較Ⅲ階段內(nèi)的次固結(jié)系數(shù)反而有所增大。

圖4 不同固結(jié)時(shí)間下的次固結(jié)系數(shù) CaFig.4 Caunder different consolidation times

2.2.2 固結(jié)時(shí)間對(duì)次固結(jié)系數(shù)的影響

通過(guò)不同固結(jié)時(shí)間的對(duì)比試驗(yàn)(圖4)，結(jié)果表明固結(jié)時(shí)間的長(zhǎng)短并不影響次固結(jié)系數(shù)隨固結(jié)壓力的變化，但在相同的固結(jié)壓力作用下，次固結(jié)系數(shù)會(huì)隨著固結(jié)時(shí)間的增長(zhǎng)而有所降低。

2.2.3 排水距離對(duì)次固結(jié)系數(shù)的影響

通過(guò)不同試樣高度、不同排水面的對(duì)比試驗(yàn)(圖5)，結(jié)果表明排水距離對(duì)次固結(jié)系數(shù)的影響可以忽略。

2.2.4 初始孔隙比對(duì)次固結(jié)系數(shù)的影響

通過(guò)不同初始孔隙比的對(duì)比試驗(yàn)(圖6)，結(jié)果表明在相同荷載作用下，次固結(jié)系數(shù)隨著孔隙比的增長(zhǎng)而增大。

2.3 壓縮性指標(biāo)與固結(jié)及次固結(jié)的關(guān)系

根據(jù)試驗(yàn)獲取的壓縮系數(shù)av、壓縮指數(shù)Cc、固結(jié)系數(shù)Cv和次固結(jié)系數(shù)Ca等數(shù)據(jù)，進(jìn)行整理分析可知：

1)次固結(jié)系數(shù)Ca與壓縮指數(shù)Cc具有較好的線性關(guān)系，見(jiàn)圖7，Ca/Cc為0.028～0.049，平均值約為0.032。這與Mesri[7]歸納的軟黏土次固結(jié)系數(shù)與壓縮指數(shù)的比值0.025～0.1相符。

2)壓縮性指標(biāo)與上覆固結(jié)壓力密切相關(guān)，見(jiàn)圖8。隨著上覆壓力的增加，壓縮系數(shù)明顯降低(圖8(a))；壓縮指數(shù)和固結(jié)系數(shù)則相對(duì)穩(wěn)定，但也不是常數(shù)(圖8(b)、(c))。這一現(xiàn)象與天然沉積的軟土大致相同。

(a)不同土樣高度

(b)不同排水條件圖5 次固結(jié)系數(shù)Ca隨排水距離的變化曲線Fig.5 Caunder different water discharging distances

圖6 次固結(jié)系數(shù)Ca與初始孔隙比的關(guān)系Fig.6 Curves of Ca initial void ratio

圖7 次固結(jié)系數(shù)Ca與壓縮指數(shù)Cc的關(guān)系Fig.7 Relationship between Ca and Cc

圖8 壓縮性指標(biāo)隨固結(jié)壓力變化趨勢(shì)Fig.8 Relationship between compressibility index and p

3 結(jié) 論

1)固結(jié)變形與固結(jié)狀態(tài)有關(guān)，在正常固結(jié)階段e-lgt曲線呈“S”狀，且次固結(jié)系數(shù)不隨荷載增加產(chǎn)生明顯變化，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為一簇趨勢(shì)相同的曲線，表明試驗(yàn)土樣在超固結(jié)階段具有線性變形、正常固結(jié)階段為黏塑性變形的特征。

2)次固結(jié)系數(shù)隨固結(jié)壓力的變化分為3個(gè)階段，階段I和階段III次固結(jié)系數(shù)很小，工程問(wèn)題中可以不考慮；階段II(pc

3)次固結(jié)系數(shù)隨固結(jié)時(shí)間、排水距離、初始孔隙比等條件變化而變化，在相同荷載作用下隨著固結(jié)時(shí)間的增長(zhǎng)而有所降低，隨初始孔隙比增大而增大，而排水距離的影響則可以忽略。

4)次固結(jié)系數(shù)與壓縮指數(shù)呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系，Ca/Cc為0.028～0.049，平均值約為0.032；壓縮性指標(biāo)與上覆固結(jié)壓力密切相關(guān)，隨著上覆壓力的增加，壓縮系數(shù)明顯降低，這一現(xiàn)象與天然沉積的軟土大致相同。

[1] 殷宗澤,張海波,朱俊高，等.軟土的次固結(jié)[J],巖土工程學(xué)報(bào),2003,25(5): 521-526.(Yin Zongze,Zhang Haibo,Zhu Jungao,et al.Secondary consolidation of soft soils[J].Chinese Jounal of Geotechnical Engineering,2003,25(5): 521-526.(in Chinese))

[2] 陳志波,孔秋平.福州軟土次固結(jié)變形特性試驗(yàn)研究[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2014,45(10): 3602-3607.(Chen Zhibo,Kong Qiuping.Experimental study on secondary consolidation properties of Fuzhou soft soils[J].Journal of Central South University：Science and Technology,2014,45(10): 3602-3607.(in Chinese))

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[4] 陳曉平,朱鴻鵠,張芳枝，等.軟土變形時(shí)效特性的試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005,24(12):2142-2148.(Chen Xiaoping,Zhu Honghu,Zhang Fangzhi，et al.Experimental study on time-dependent deformation of soft soil[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2005,24(12):2142-2148.(in Chinese))

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[6] 邵光輝,劉松玉.海相結(jié)構(gòu)軟土的次固結(jié)研究[J].巖土力學(xué),2008,29(8): 2057-2062.(Shao Guanghui,Liu Songyu.Research on secondary consolidation of structural marine clays[J].Rock and Soil Mechanics,2008,29(8): 2057-2062.(in Chinese))

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[10] 雷華陽(yáng),張文振,丁小冬,等.考慮軟土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的次固結(jié)特性試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2013,35(7): 1221-1227.(Lei Huayang,Zhang Wenzhen,Ding Xiaodong,et al.Experimental study on secondary consolidation considering structural strength of clay[J].Chinese Jounal of Geotechnical Engineering,2013,35(7): 1221-1227.(in Chinese))

Experimental study on consolidation and secondaryconsolidation of soft soil in fill zone

CHEN Yun-Chang1,LUO Qing-Zi2,WANG Sheng1,HUANG Jing-Wu1，*,YAO Zhen-Dong1,CHEN Xiao-Ping3

(1.GuangdongHydropowerPlanning&DesignInstitute,Guangzhou510170,China；2.SchoolofCivilandTransportationEngineering,GuangdongUniversityofTechnology,Guangzhou510006,China; 3.CollegeofScienceandEngineering,JinanUniversity,Guangzhou510632,China)

A series of consolidation tests based on different consolidation pressure,consolidation time,drainage distance and initial void ratio are conducted to investigate the time-dependent deformation characteristics of soft soil in fill zone.In the tests,the secondary consolidation coefficient and compression index has a good linear relationship,the compressibility index is closely related to overburden pressure.The soil consolidation deformation is linear in the over-consolidated stage and viscoplasticity in the normal consolidation,which related to the pre-consolidation pressure.The secondary consolidation coefficient curve divides into three stages by changing with consolidation pressure,phase II(pc

consolidation test;secondary consolidation coefficient; compression index; consolidation pressure

10.13524/j.2095-008x.2016.04.051

2016-11-08

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41472279)；廣東水利科技創(chuàng)新項(xiàng)目(2011-04)

陳云長(zhǎng)(1963-)，男，廣東茂名人，教授級(jí)高級(jí)工程師，研究方向：水利水電工程地質(zhì)與水文地質(zhì)，E-mail：chen.yc@gpdiwe.com;*通訊作者：黃井武(1980-)，男，福建漳州人，高級(jí)工程師，博士，研究方向：水利水電工程，E-mail：huang.jingwu@gpdiwe.com。

TU411.5

A

2095-008X(2016)04-0014-06