太湖湖積相黏土高壓固結(jié)試驗(yàn)研究

林 偉，段宏飛，薛曉輝

(1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系，陜西 渭南714000;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州221116)

滬寧城際軌道交通婁蘊(yùn)特大橋昆山西橋段位于江蘇省昆山市境內(nèi)，里程為DK240+203.80～DK252+279.36，橋梁全長(zhǎng)12075.88m。橋址區(qū)屬太湖沖湖積平原，地勢(shì)平坦開(kāi)闊，地面高程在－2.70～3.87m之間，最大相對(duì)高差約5.2m，地勢(shì)較平緩，辟為農(nóng)田、水塘及菜地。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)和鉆探資料，地層由第四系全新統(tǒng)人工堆積層、沖湖積層、海積層、瀉湖積層、上更新統(tǒng)沖積層組成，巖性巖相復(fù)雜，常發(fā)生相變或尖滅。

1 取樣及試驗(yàn)內(nèi)容

鐵道第四勘察設(shè)計(jì)院工程測(cè)試中心對(duì)婁蘊(yùn)特大橋昆山西橋段土樣做了高壓固結(jié)試驗(yàn)，本文以其中里程DK251+821.37～DK252+213.99段太湖湖積相黏土為分析研究對(duì)象，由于黏土具有比一般材料更加顯著的非線性(模量隨應(yīng)力的大小而變化)、彈塑性(壓縮變形中既有可恢復(fù)的彈性變形又有不可恢復(fù)的塑性變形)和剪脹性(剪應(yīng)力引起的體積變形)，而且由于滲流固結(jié)作用，變形的發(fā)展有一個(gè)時(shí)間過(guò)程，因此，選取了代表性的土樣進(jìn)行高壓固結(jié)試驗(yàn)，試驗(yàn)分析土樣如表1所示。

表1 試驗(yàn)分析土樣信息

2 試驗(yàn)成果分析

2.1 e—p曲線及壓縮系數(shù)a

將試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)采用直角坐標(biāo)系繪制e—p曲線，假設(shè)壓力由pi增加至pi+1，相應(yīng)的孔隙比由ei減小到ei+1，則壓縮系數(shù) a(MPa－1)

當(dāng)壓力變化不是很大時(shí)，可以用它代表這一壓力段內(nèi)土的壓縮性。實(shí)際上，同一壓力段或者不同壓力段的a值是不同的，工程上一般取 p1=100 kPa，p2=200 kPa區(qū)間段內(nèi)的壓縮系數(shù)a1－2來(lái)評(píng)價(jià)土的壓縮性，即

取壓力在400 kPa以內(nèi)不同深度的土樣研究，其 e—p關(guān)系曲線見(jiàn)圖1，壓縮系數(shù) a1－2見(jiàn)表2。

圖1 e—p關(guān)系曲線

表2 壓縮系數(shù) a1－2

從圖1和表2還可以看到，深度從5.2 m到20.2 m黏土的壓縮系數(shù)呈變大趨勢(shì)，20.2 m以下黏土的壓縮系數(shù)逐漸變小;再由表2可以看出，從5.2 m到57.2 m的不同深度黏土的壓縮系數(shù)都大于0.5 MPa－1，僅37.2 m為0.49 MPa－1，說(shuō)明試樣黏土屬于高壓縮性黏土。

2.2 e—lgp曲線及壓縮指數(shù)cc

將孔隙比 e與垂直壓力 p的對(duì)數(shù)繪制 e—lgp曲線，見(jiàn)圖2。

圖2 e—lgp關(guān)系曲線

從圖2不難看出，e—lgp曲線后半段是一直線，其斜率就是壓縮指數(shù)cc

結(jié)合式(1)、式(3)，可以得出 a與cc的關(guān)系，如下:

對(duì)應(yīng)于公式(2)

不同深度的壓縮指數(shù) cc、cc(1－2)見(jiàn)表 3。

表3 壓縮指數(shù) cc、cc(1－2)

從圖2可以看到，e—lgp曲線前半段并非直線，原因是地基土在歷史上經(jīng)過(guò)大的壓力作用。從表3可以看出，深度從5.2 m到57.2 m壓縮指數(shù)cc由0.46基本上呈減小趨勢(shì)，直至變?yōu)?.40，僅在37.2 m處為0.43，稍大于27.2 m處的壓縮指數(shù)，但變化不大。

2.3 不同深度的壓縮模量Es曲線

壓縮模量是指在完全側(cè)限條件下土的豎向附加應(yīng)力與相應(yīng)的豎向應(yīng)變?cè)隽恐戎怠s越小，土的壓縮性越高。

試驗(yàn)取自重壓力pz對(duì)應(yīng)的孔隙比e，1+e1為土樣的起始高度時(shí)，Es為

圖3 壓縮模量Es與垂直壓力p關(guān)系曲線

圖4 壓縮曲線

從圖3可以看到，同一深度不同垂直壓力p作用下，壓縮模量Es是不一致的，表現(xiàn)出明顯的非線性特征，并且隨著p的加大，Es呈增大的趨勢(shì)，但不同深度的壓縮模量的變化規(guī)律有一些不同:深度為5.2 m時(shí)，在400 kPa以前Es曲線遞增，400 kPa以后 Es呈直線上升;深度為 20.2、27.2、37.2、57.2 m 時(shí)，Es基本上呈“S”形曲線遞增。總的來(lái)說(shuō)，Es呈增大的趨勢(shì)且遠(yuǎn)>4 MPa，而在200 kPa以下 Es都 <4 MPa，說(shuō)明隨著壓力的增大黏土的壓縮性會(huì)發(fā)生很大的變化，由高壓縮性向低壓縮性轉(zhuǎn)變，因?yàn)橥恋膲嚎s實(shí)質(zhì)上是孔隙水的消散，黏土孔隙比減小(見(jiàn)圖4)、顆粒的擠密過(guò)程，地基處理中采用的預(yù)壓固結(jié)法就是這個(gè)道理。

2.4 不同荷載作用壓縮模量曲線

由圖5可以看出，同一垂直壓力p作用下，壓縮模量Es并不是相等的，也沒(méi)有簡(jiǎn)單地呈一遞增或遞減的趨勢(shì)，而是在一個(gè)范圍之內(nèi)有一個(gè)上下的波動(dòng)，主體上呈現(xiàn)某一個(gè)數(shù)值;觀察壓縮模量Es與深度關(guān)系曲線，可以很明顯地看出，隨著垂直壓力的增加，Es呈臺(tái)階式的逐步跳躍上升，說(shuō)明了高壓作用下，黏土顆粒已趨于非常擠密狀態(tài)，黏土已由高壓縮性轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛪嚎s性了，這時(shí)工程施工，沉降變形就能夠很好的控制。

圖5 壓縮模量Es與深度關(guān)系曲線

3 結(jié)語(yǔ)

考慮了黏土材料的非線性、彈塑性和剪脹性特征，而且由于滲流固結(jié)作用，變形的發(fā)展有一個(gè)時(shí)間過(guò)程，選取了滬寧城際軌道交通婁蘊(yùn)特大橋昆山西橋段代表性的太湖湖積相黏土土樣進(jìn)行高壓固結(jié)試驗(yàn)，測(cè)出了壓縮系數(shù)、壓縮指數(shù)、壓縮模量等壓縮性指標(biāo)，結(jié)果表明太湖湖積相黏土屬于高壓縮性軟土，并對(duì)不同深度高壓作用下壓縮模量的變化進(jìn)行了詳細(xì)的分析，為工程中預(yù)壓固結(jié)處理地基的方法提供了試驗(yàn)基礎(chǔ)佐證。

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