非飽和重塑土固結(jié)變形影響因素試驗(yàn)研究

趙曉龍，劉玉海，卞漢兵，邱慶坤，邱秀梅*

1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院，山東泰安271018

2.東營(yíng)市河口區(qū)水利局，山東東營(yíng)257200

3.山東水利工程總公司，山東濟(jì)南250014

非飽和重塑土固結(jié)變形影響因素試驗(yàn)研究

趙曉龍1，劉玉海2，卞漢兵1，邱慶坤3，邱秀梅1*

1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)水利土木工程學(xué)院，山東泰安271018

2.東營(yíng)市河口區(qū)水利局，山東東營(yíng)257200

3.山東水利工程總公司，山東濟(jì)南250014

本文通過(guò)設(shè)計(jì)的一系列單向固結(jié)試驗(yàn)，分析了荷載、排水條件等因素對(duì)非飽和重塑土固結(jié)變形的影響。結(jié)果表明，隨著荷載的增加，土樣固結(jié)所需要的時(shí)間增加；相同荷載下，不能排水的土樣固結(jié)變形明顯小于可以自由排水的土樣。土樣質(zhì)量達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間要長(zhǎng)于土樣固結(jié)的時(shí)間，一定階段后，土樣水分已經(jīng)很少，土壤基質(zhì)吸力不再起主導(dǎo)作用，水分的散失不再影響土壤的固結(jié)變形，土壤的形變已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定。不同荷載下土樣的相對(duì)質(zhì)量都穩(wěn)定在約1.041左右，土樣質(zhì)量的最終穩(wěn)定值并不是取決于所加的荷載，而是由土樣內(nèi)部的性質(zhì)決定的。不同荷載下非飽和土樣的飽和度值都穩(wěn)定在約18.86%左右。非飽和土樣孔隙水的散失受環(huán)境溫度的影響較大，而受荷載的影響較小。本試驗(yàn)為研究非飽和重塑土固結(jié)穩(wěn)定影響因素提供了一種方法。

非飽和土；固結(jié)；飽和度；壓縮性；基質(zhì)吸力

在一定的荷載作用下，飽和土體中會(huì)產(chǎn)生超靜孔隙水壓力，這個(gè)壓力會(huì)促使孔隙水逐步排出，隨著時(shí)間的推移，超靜孔隙水壓力逐步消散，而土體中的有效應(yīng)力逐步增大，直到超靜孔隙水壓力完全消散，土體受到的荷載完全由有效應(yīng)力來(lái)承擔(dān)，這個(gè)過(guò)程就是飽和土的固結(jié)［1］。而對(duì)于非飽和土，加荷將會(huì)產(chǎn)生超孔隙氣壓力和孔隙水壓力。超孔隙壓力會(huì)隨時(shí)間增長(zhǎng)而消散，最終回到加荷以前的數(shù)值，此過(guò)程即為非飽和土的固結(jié)［2］。非飽和土的固結(jié)很大程度上是土骨架的壓縮和孔隙氣的排出，而且后者往往起著控制作用，這一條件又取決于土體的水—?dú)庑螒B(tài)［3］。

在巖土工程中，如公路路基、土石壩粘土心墻等工程中的壓實(shí)土都屬于非飽和土范疇。非飽和土中除了土顆粒、孔隙水和孔隙氣三相外，還存在著收縮膜（液氣臨界面）。通常將作用于收縮膜上的孔隙氣壓力Pa和孔隙水壓力Pw的差值，稱為基質(zhì)吸力Pc，即Pc=Pa-Pw。在非飽和土的固結(jié)過(guò)程中，孔隙中的孔隙氣和孔隙水同時(shí)受到擠壓，氣體在壓縮時(shí)會(huì)有部分溶解于水中，非飽和土的壓縮性比飽和土復(fù)雜得多。迄今為止，還沒(méi)有公認(rèn)為成熟的非飽和土固結(jié)理論［4，5］。

按照變形特征，非飽和重塑土的固結(jié)沉降過(guò)程可分為瞬時(shí)沉降、固結(jié)沉降和次固結(jié)沉降三部分。瞬時(shí)沉降指在加荷瞬間，土中孔隙水來(lái)不及排出，孔隙體積沒(méi)有變化即不產(chǎn)生體積變化，但荷載使土產(chǎn)生剪切變形。對(duì)于嚴(yán)格的土體一維變形情況，瞬時(shí)沉降很小。當(dāng)土體完全飽和時(shí)，由于土中水及土顆粒本身的變形可忽略不計(jì)，故瞬時(shí)沉降接近于零。固結(jié)沉降是由于外荷載引起的超靜孔隙水壓力的水力梯度促使水從土內(nèi)排出，而應(yīng)力增量轉(zhuǎn)移到土骨架上而發(fā)生的沉降。這是一個(gè)與時(shí)間有關(guān)的過(guò)程，而且主要發(fā)生在體積的變化，其中包括剪切變形在內(nèi)，故導(dǎo)致了進(jìn)一步的沉降，是粘性土地基沉降的最主要的組成部分。次固結(jié)沉降是指超靜孔隙水壓力基本消散，在有效應(yīng)力基本上不變的情況下，隨時(shí)間繼續(xù)發(fā)生的沉降量。一般認(rèn)為這是在恒定應(yīng)力狀態(tài)下，土中的結(jié)合水以粘質(zhì)流動(dòng)的形態(tài)緩慢移動(dòng)，造成結(jié)合水膜厚度相應(yīng)的變化，使土骨架產(chǎn)生徐變的結(jié)果。

路堤和土石壩等是一類典型的土工結(jié)構(gòu)物［6］，它們既是荷載，又是介質(zhì)，涉及到多種因素，如填土工況、壓實(shí)度、填土高度、地基軟弱土層厚度、路基填土及地基各層土的土性參數(shù)（如土的變形模量、泊松比、土的粘聚力、土的內(nèi)摩擦角）、交通荷載、修筑時(shí)間以及土的應(yīng)力歷史等，這些因素對(duì)路基沉降的作用并不是獨(dú)立的，而是相互制約，共同作用的。路基等土工結(jié)構(gòu)物的沉降主要由兩部分組成，包括其上地基土的沉降和路堤填土的沉降。對(duì)于軟弱地基來(lái)說(shuō)，軟弱地基的沉降占主要部分，而對(duì)于高填方路堤來(lái)說(shuō)，路堤本身的沉降也占相當(dāng)大的比例，其影響作用不可忽略［7］。

高速鐵路、公路軟土路基、高填方路基以及土石壩心墻等的過(guò)大沉降往往會(huì)導(dǎo)致不均勻沉降，這將嚴(yán)重影響工程體的營(yíng)運(yùn)質(zhì)量，以及上部機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性。路基的不均勻沉降會(huì)導(dǎo)致路面出現(xiàn)裂縫，坑洼，而土石壩心墻的不均勻沉降則會(huì)導(dǎo)致裂縫的出現(xiàn)，從而造成諸如防滲體破壞等類似的嚴(yán)重問(wèn)題［8］。

由于非飽和土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，以及外界環(huán)境（溫度、濕度）常常會(huì)引起土體飽和度的變化，進(jìn)而對(duì)土體的工程力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生直接影響，因此深入研究非飽和土的固結(jié)壓縮特性和變形機(jī)理顯得尤為重要，對(duì)非飽和土在工程實(shí)際中的應(yīng)用具有重要意義。本文通過(guò)非飽和重塑土一維固結(jié)對(duì)比試驗(yàn)，研究了不同因素對(duì)土樣固結(jié)變形的影響規(guī)律，較為深入地分析了非飽和土沉降的機(jī)理，為以后準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)沉降變形，解決不均勻沉降問(wèn)題提供參考依據(jù)，也為非飽和土的進(jìn)一步研究提供試驗(yàn)方法。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與處理

本試驗(yàn)所用土樣取自臨沂市蒙陰縣某土石壩附近，與該土石壩心墻所用土樣基本一致。取回后在試驗(yàn)室烘干粉碎，并過(guò)0.5 mm篩備用。經(jīng)試驗(yàn)分析得到土樣的基本物理性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。通過(guò)表1試驗(yàn)數(shù)據(jù)可判定土樣為低液限粘性土，該土已經(jīng)作為土石壩心墻填筑材料，可以進(jìn)行固結(jié)形變的相關(guān)研究。

表1 本研究土樣的基本物理參數(shù)Table 1 Essential properties of soil used in this study

1.2 試驗(yàn)方法與測(cè)定內(nèi)容

本試驗(yàn)采用WG-1B型三聯(lián)中壓固結(jié)儀進(jìn)行，將相同的6個(gè)土樣分為3組，每組兩個(gè)土樣做平行試驗(yàn)，互為對(duì)照，以保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。試驗(yàn)過(guò)程嚴(yán)格按照《土工試驗(yàn)規(guī)程》（SL237-1999）進(jìn)行，其中第一組土樣進(jìn)行常規(guī)的恒壓固結(jié)試驗(yàn)，記錄固結(jié)數(shù)據(jù)，直到土樣固結(jié)達(dá)到穩(wěn)定；第二組在試驗(yàn)前，先將環(huán)刀土樣稱重，然后在環(huán)刀側(cè)面及土樣上下表面涂一薄層凡士林，之后用保鮮膜包裹，再用濕潤(rùn)的橡膠膜套上，以防止土樣水分的流失，將包有橡膠膜和保鮮膜的環(huán)刀土樣放入固結(jié)儀內(nèi)加載，記錄固結(jié)數(shù)據(jù)；第三組土樣狀態(tài)同第一組，不用保鮮膜包裹，但不記錄固結(jié)數(shù)據(jù)，而是每隔一段時(shí)間從固結(jié)儀中取出稱重，稱完后立即放回固結(jié)儀中繼續(xù)加載，記錄土樣隨時(shí)間的質(zhì)量變化。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1 土樣固結(jié)穩(wěn)定物理參數(shù)比較分析

為了便于比較分析，將各級(jí)荷載下土樣的物理參數(shù)匯總于表2。

表2 試驗(yàn)土樣物理參數(shù)匯總Table 2 Summary of physical parameters of soil samples

表2中土樣編號(hào)1-1代表在50 kPa荷載下所做固結(jié)試驗(yàn)六個(gè)土樣中的第一個(gè)。1-1和1-2即為在50 kPa荷載下進(jìn)行常規(guī)恒壓固結(jié)試驗(yàn)的土樣（第一組土樣），1-3和1-4為在50 kPa荷載下，裹有橡膠模和保鮮膜的土樣（第二組土樣），其它各組土樣編號(hào)以此類推。

從表2中可以看出，（1）不同荷載下土樣固結(jié)穩(wěn)定時(shí)的飽和度相比初始飽和度都有大幅度降低，這是因?yàn)橥恋墓探Y(jié)過(guò)程是超凈孔隙水壓力消散的過(guò)程，在水力梯度的作用下，水分從土樣孔隙中排出并進(jìn)一步導(dǎo)致孔隙被壓縮，有效應(yīng)力逐漸由土壤骨架來(lái)承擔(dān)；另外由于土樣呈非飽和狀態(tài)，基質(zhì)吸力梯度也會(huì)促使土樣水分向外遷移，導(dǎo)致飽和度的降低，基質(zhì)吸力梯度的大小受環(huán)境溫度和濕度的控制；（2）各荷載下的土樣最終飽和度都穩(wěn)定在約15%～20%范圍內(nèi)。土樣固結(jié)穩(wěn)定時(shí)的孔隙比隨著荷載的增加而變小，說(shuō)明荷載越大，土壤被壓縮得越密實(shí)。

2.2 不同荷載下土樣固結(jié)穩(wěn)定過(guò)程曲線分析

從圖1中可以看出：

（1）不同荷載下土樣的固結(jié)曲線形狀基本一致，固結(jié)曲線并不是常見(jiàn)的那種S型曲線［9］，也就是常說(shuō)的固結(jié)過(guò)程中的瞬時(shí)沉降部分并不明顯。這是因?yàn)樗^的瞬時(shí)沉降，是在荷載作用下，土顆粒間的孔隙水來(lái)不及排出，土體發(fā)生側(cè)向變形而引起的剪切變形，這個(gè)階段的沉降應(yīng)該呈線性增長(zhǎng)。而在本設(shè)計(jì)的試驗(yàn)中，土樣是裝在環(huán)刀內(nèi)進(jìn)行固結(jié)壓縮的，其側(cè)向變形受到環(huán)刀的約束而難以發(fā)展，另一方面，受試驗(yàn)儀器的限制，無(wú)法測(cè)出剛開(kāi)始加載的瞬時(shí)沉降量，因此本試驗(yàn)的固結(jié)過(guò)程曲線在起始部分線性增長(zhǎng)部分并不明顯。

（2）土樣的固結(jié)沉降和次固結(jié)沉降部分。在最初階段，荷載在孔隙水、孔隙氣和土骨架之間進(jìn)行重新分配，孔隙水和孔隙氣在超凈孔隙水壓力的作用下逐步排出，土體也隨之壓密沉降，此時(shí)沉降速度較快。隨著孔隙壓力的逐步消散，荷載漸漸由土壤骨架來(lái)承擔(dān)，土骨架的粘滯蠕變開(kāi)始出現(xiàn)，沉降增速趨于緩慢，次固結(jié)變形所占比例增大。但次固結(jié)沉降對(duì)總沉降量的影響很小［10］，在該過(guò)程中，沉降速度趨于緩慢，并逼近某個(gè)最終值。這個(gè)最終值與土骨架的最終有效應(yīng)力有關(guān)，與外部荷載的大小和作用形式有關(guān)，而與時(shí)間無(wú)關(guān)。土樣的次固結(jié)階段是十分緩慢的，其沉降量已經(jīng)很小，在此階段通常認(rèn)為土樣已達(dá)到固結(jié)穩(wěn)定。另外，學(xué)術(shù)界對(duì)于主固結(jié)與次固結(jié)的區(qū)分方法、次固結(jié)的含義和影響評(píng)估還沒(méi)有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)［10］。

圖1 不同荷載下土樣的固結(jié)穩(wěn)定過(guò)程曲線Fig.1 Consolidation curves of soil samples under different load

（3）土樣的排水條件對(duì)土樣的固結(jié)過(guò)程的影響是很大的。土樣在排水受到限制的情況下（1-3、1-4、2-3、2-4、3-3、3-4、4-3、4-4、5-3、5-4），固結(jié)曲線反映出一定的特征。土樣在開(kāi)始產(chǎn)生較大的沉降量，這個(gè)階段的變形量主要是非飽和土中的孔隙氣的排出和土骨架的壓縮，并進(jìn)一步導(dǎo)致土壤孔隙體積的縮小。在這個(gè)過(guò)程中，部分孔隙氣也會(huì)溶解于孔隙水中，土壤的飽和度會(huì)相對(duì)增大。經(jīng)過(guò)初始幾個(gè)小時(shí)的快速沉降后，土樣的固結(jié)曲線開(kāi)始呈現(xiàn)出線性增長(zhǎng)，曲線一直以較為穩(wěn)定的速率發(fā)展，但總的沉降量相比可以自由排水的土樣來(lái)說(shuō)仍有較大差距。受到排水限制的土樣在自由排水土樣穩(wěn)定后的相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)仍未達(dá)到固結(jié)穩(wěn)定，沉降得以繼續(xù)發(fā)展。

由于試驗(yàn)的時(shí)間較長(zhǎng)，每次試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)幾十天，裹有橡膠模和保鮮膜的土樣難免會(huì)有水分的散失，這會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致土樣的固結(jié)沉降。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以推測(cè)，如果試驗(yàn)條件絕對(duì)理想，土樣中水分完全不會(huì)散失，那么經(jīng)過(guò)相當(dāng)?shù)臅r(shí)間后，土樣會(huì)以相對(duì)較小的沉降量達(dá)到穩(wěn)定。

2.3 不同荷載下土樣固結(jié)穩(wěn)定沉降量分析

將不同荷載下土樣的常規(guī)固結(jié)穩(wěn)定沉降量繪制成圖2。

從圖2可以看出，雖然試驗(yàn)數(shù)據(jù)受環(huán)境因素的影響，有小規(guī)模浮動(dòng)，但數(shù)據(jù)整體還是呈現(xiàn)出了規(guī)律性。隨著荷載的增加，土樣固結(jié)穩(wěn)定的最終沉降量有增加的趨勢(shì)。

土樣固結(jié)的最終沉降量除了受所加荷載大小和形式的影響外，僅與土骨架的壓縮模量有關(guān)［11］。

2.4 土樣固結(jié)質(zhì)量變化曲線分析研究

圖3為不同荷載下土樣質(zhì)量隨時(shí)間的變化曲線。從圖中可以看出，組1和組2（溫度約在31℃左右）的質(zhì)量變化曲線有相似的特征，而組4和組5（溫度約在17℃左右）具有相似的特征。試驗(yàn)的環(huán)境溫度對(duì)曲線的斜率變化有重要的影響，而土樣所受的荷載對(duì)曲線的形狀影響卻不明顯。試驗(yàn)中土樣減少的質(zhì)量即可認(rèn)為是土樣中排出的孔隙水的質(zhì)量。按照常規(guī)的固結(jié)理論，土樣的固結(jié)是其內(nèi)部孔隙水壓力和孔隙氣壓力消散的過(guò)程，所加的荷載越大，產(chǎn)生的超凈孔隙水壓力應(yīng)該也越大，孔隙水排出的速度也應(yīng)越快。但實(shí)際卻不盡然，在200 kPa和300 kPa荷載壓力作用下，土壤孔隙水消散的速度比50 kPa和100 kPa荷載下的速度更緩慢，土樣質(zhì)量達(dá)到穩(wěn)定所需要的時(shí)間也更長(zhǎng)。溫度的差異卻可以解釋這一現(xiàn)象，50 kPa和100 kPa下進(jìn)行試驗(yàn)的環(huán)境溫度在31℃左右，土樣中的水分在高溫下蒸發(fā)速度快，土樣的基質(zhì)吸力梯度相對(duì)較大，進(jìn)一步促進(jìn)了土樣內(nèi)部孔隙水向外部的遷移擴(kuò)散，因而土樣的質(zhì)量變化曲線斜率較陡，土樣質(zhì)量達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間也相對(duì)較短（400 h）；而在200 kPa和300 kPa荷載作用下，超凈孔隙水壓力固然較大，但環(huán)境溫度在17℃左右，土樣中的水分蒸發(fā)速度較慢，基質(zhì)吸力梯度較小，孔隙水在土樣中的遷移擴(kuò)散速度也減緩了，因而曲線斜率較為平緩，土樣質(zhì)量達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間也較長(zhǎng)（長(zhǎng)達(dá)1000 h）。組3前期環(huán)境溫度在22℃左右，而后期（600 h）溫度升高（28℃左右），可以看到后期曲線斜率有明顯增大的趨勢(shì)。

圖2 不同荷載下土樣常規(guī)固結(jié)穩(wěn)定沉降量Fig.2 Consolidation settlement of soil samples under different load

為了更準(zhǔn)確地表現(xiàn)不同荷載下土樣的質(zhì)量變化，減少土樣個(gè)體差異的影響，繪制了土樣質(zhì)量的相對(duì)變化曲線圖（見(jiàn)圖4），縱坐標(biāo)為土樣實(shí)際質(zhì)量與干土質(zhì)量的比值。

從圖4中依然可以看出，組1和組2的曲線斜率較大，而組4和組5的曲線斜率則相對(duì)平緩。此外，幾組曲線最終的穩(wěn)定值都接近于一個(gè)固定值，這個(gè)值約為1.041（見(jiàn)圖中的水平虛線）。也就是說(shuō)，土樣質(zhì)量的最終穩(wěn)定值并不是取決于所加的荷載，而是由土樣內(nèi)部的性質(zhì)決定的，受土樣內(nèi)部基質(zhì)吸力的影響。

圖3 不同荷載下土樣質(zhì)量隨時(shí)間變化曲線Fig.3 Curves of soil samples mass versus time under different load

圖4 土樣質(zhì)量的相對(duì)變化曲線Fig.4 Curves of relative changes of soil samples mass

2.5 土樣固結(jié)沉降穩(wěn)定與質(zhì)量穩(wěn)定比較分析

將不同荷載下，土樣固結(jié)穩(wěn)定與質(zhì)量穩(wěn)定時(shí)間繪制成圖5。盡管在前面已經(jīng)提到過(guò)，環(huán)境溫度的提高可以加速土樣質(zhì)量穩(wěn)定的時(shí)間，但從圖5中仍可以看出，土樣固結(jié)穩(wěn)定的時(shí)間要比質(zhì)量穩(wěn)定的時(shí)間的短。若環(huán)境溫度降低，土樣質(zhì)量穩(wěn)定時(shí)間延長(zhǎng)，二者的時(shí)間差距將進(jìn)一步拉大。土樣的固結(jié)穩(wěn)定標(biāo)志著其內(nèi)部孔隙水壓力和孔隙氣壓力已消散并到達(dá)穩(wěn)定，荷載已轉(zhuǎn)移到土樣骨架上。但從圖5中可以看出試驗(yàn)土樣的水分仍在散失，這表明在此階段，土樣內(nèi)部孔隙水的體積變化已經(jīng)對(duì)土體的變形不再產(chǎn)生影響。隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，孔隙水不斷排出，當(dāng)水分減少到一定程度后，原來(lái)土樣內(nèi)部的連續(xù)水膜已經(jīng)不再存在，孔隙水被孔隙氣分隔開(kāi)來(lái)，處于封閉狀態(tài)，而孔隙氣則連續(xù)成片，孔隙氣逐漸與大氣連通。土的透氣性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于土的透水性，在一定的氣壓下，孔隙氣快速消散，導(dǎo)致土樣的固結(jié)過(guò)程加快。隨著孔隙氣壓力的消散，土的有效應(yīng)力基本轉(zhuǎn)移到土骨架上，因此試驗(yàn)中水分的散失穩(wěn)定時(shí)間要慢于土樣的固結(jié)穩(wěn)定時(shí)間。此時(shí)基質(zhì)吸力對(duì)土樣本身的固結(jié)已不再起決定作用。

孔隙水的壓縮模量比土骨架的壓縮模量要大得多，水本身的壓縮是可以忽略的。對(duì)于飽和土來(lái)說(shuō)，土中水體積的變化主要源自孔隙水的排出［12］。而對(duì)于非飽和土，由于基質(zhì)吸力的存在，使得非飽和土固結(jié)變形特性較飽和土要復(fù)雜得多。研究資料［13］表明，基質(zhì)吸力對(duì)土體的壓縮變形特性有著不可忽視的作用。由于試驗(yàn)環(huán)境的影響而引起的土樣飽和度的變化，將直接導(dǎo)致平均凈應(yīng)力和基質(zhì)吸力發(fā)生改變，從而最終造成土體固結(jié)特性的改變。

2.6 不同荷載下土樣飽和度變化曲線分析

將不同荷載下土樣的飽和度變化曲線與固結(jié)沉降曲線繪制成圖6。與土樣的質(zhì)量變化曲線類似，飽和度變化曲線也表現(xiàn)出了受環(huán)境溫度影響較大，而受所加荷載影響較小的現(xiàn)象。從圖6中可以看出，Group1和Group2土樣由于環(huán)境溫度較高，導(dǎo)致其飽和度變化和固結(jié)沉降變化的斜率都較大。二者到達(dá)穩(wěn)定的時(shí)間也比較吻合，約在322 h左右；Group4和Group5的環(huán)境溫度由于相對(duì)較低，飽和度變化曲線和固結(jié)沉降曲線斜率都較為平緩，和前兩組明顯不同的是，飽和度變化和固結(jié)沉降變化曲線穩(wěn)定的時(shí)間不再吻合，飽和度變化穩(wěn)定時(shí)間明顯要長(zhǎng)于固結(jié)穩(wěn)定的時(shí)間。Group3土樣環(huán)境溫度比Group4和Group5略高，因此曲線斜率比它們略大。此外，雖然所加荷載和環(huán)境溫度不同，幾組土樣最終穩(wěn)定的飽和度數(shù)值卻大體一致，穩(wěn)定在約18.28%左右。

圖5 不同荷載下土樣固結(jié)穩(wěn)定與質(zhì)量穩(wěn)定時(shí)間Fig.5 Consolidation and mass stable time under different load

圖6 不同荷載下土樣的飽和度變化與固結(jié)沉降變化曲線Fig.6 Curves of degree of saturation and consolidation under different load

3 討論

Group3、Group4和Group5土樣在400 h后固結(jié)曲線已趨于平緩，可以認(rèn)為已經(jīng)進(jìn)入次固結(jié)階段，但從圖中對(duì)比可以看出，400 h后三組的土樣飽和度仍在繼續(xù)降低，孔隙水仍在不斷散失。土的主固結(jié)過(guò)程是排水過(guò)程，其沉降變形速率與排水速率是相一致的，這也是研究者們的共識(shí)。但在次固結(jié)過(guò)程中水的作用仍有爭(zhēng)議。在不同的次固結(jié)定義方式中，有一些描述了土中孔隙水的作用，但人們的認(rèn)識(shí)程度有所不同。陳仲頤［2］給次固結(jié)的定義是：在主固結(jié)過(guò)程（超凈孔隙水壓力消散過(guò)程）結(jié)束以后，在有效應(yīng)力不變的情況下，土的骨架仍隨時(shí)間繼續(xù)發(fā)生變形，這種變形與孔隙水排出的速率無(wú)關(guān)，而是取決于土骨架本身的蠕變性質(zhì)。錢家歡［1］認(rèn)為，次固結(jié)是有效應(yīng)力已經(jīng)基本上不變，但土的體積仍隨時(shí)間增長(zhǎng)而發(fā)生的壓縮。在次固結(jié)過(guò)程中，實(shí)際上也有微小的超凈孔隙水壓力存在，驅(qū)使孔隙水在土顆粒之間流動(dòng)。但由于次固結(jié)進(jìn)行得極慢，水的流動(dòng)速度是很小的，上述超凈孔隙水壓力小到無(wú)法測(cè)量。所以，次固結(jié)的沉降變形速率與孔隙水從土流出的速率無(wú)關(guān)，與土層的厚度也無(wú)關(guān)。有研究者［9］同意錢家歡先生的觀點(diǎn)，認(rèn)為次固結(jié)的過(guò)程也有微小的超凈孔隙水壓力的存在，驅(qū)使水在土顆粒之間流動(dòng)，只是水的流速極小，不便用儀器測(cè)量，但這也僅限于飽和土的討論范圍。對(duì)于非飽和土，由于氣相的存在，隨著飽和度的降低，土樣內(nèi)孔隙氣逐漸連通并與大氣相通，孔隙氣的排出速率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于孔隙水的排出速率，從而加速了土樣的固結(jié)穩(wěn)定過(guò)程。筆者認(rèn)為，對(duì)于非飽和土，主固結(jié)完成后，有效應(yīng)力主要由土骨架來(lái)承擔(dān)，孔隙水的繼續(xù)散失對(duì)土樣的固結(jié)形變并不再起決定作用。孔隙水的散失速率受環(huán)境溫度、非飽和土相對(duì)滲透系數(shù)以及基質(zhì)吸力等多種因素影響。

4 結(jié)論

（1）荷載對(duì)非飽和土固結(jié)穩(wěn)定時(shí)間影響明顯，荷載越大，穩(wěn)定所需時(shí)間相應(yīng)延長(zhǎng)。

（2）相同荷載下，覆有橡膠模和保鮮膜的土樣固結(jié)變形明顯小于沒(méi)有保鮮膜覆蓋的土樣。

（3）非飽和土樣質(zhì)量達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間要長(zhǎng)于其固結(jié)穩(wěn)定的時(shí)間。

（4）土樣質(zhì)量的穩(wěn)定值并不是取決于所加的荷載，而是由土樣內(nèi)部的性質(zhì)決定的，受土樣內(nèi)部基質(zhì)吸力的影響。

（5）不同荷載下非飽和土樣的飽和度值都穩(wěn)定在約18.86%左右。非飽和土樣孔隙水的散失受環(huán)境溫度的影響較大，而受荷載的影響較小。

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Experimental Research on the Influence Factors of Unsaturated Remolded Soil Consolidation

ZHAO Xiao-long1，LIU Yu-hai2，BIAN Han-bing1，QIU Qing-kun3，QIU Xiu-mei1*
1.College of Water Conservancy and Civil Engineering，Shandong Agricultural University，Tai'an 271018，China
2.Water Bureau of Hekou District Dongying City，Dongying 257200，China
3.Shandong Water Engineering Corporation，Jinan 250014，China

In this study，by using a series of designed one-way consolidation test，the influence of load and drainage condition on unsaturated remolded soil consolidation deformation was analyzed.The results indicated that as the load raised，the time of consolidation increased and under the same load condition，the consolidation deformation of soil sample which cannot drain were smaller than that which can drain freely.It showed that the time of unsaturated soil mass reaching stable was longer than that of unsaturated soil consolidation deformation reaching stable.After a certain stage，the soil water was fewer and the soil suction did not play a leading role any more.The loss of the soil water would not influence the consolidation deformation any longer and the deformation had reached stable.The soil relative mass under different load stabilized at about 1.041.The final stable value of the soil mass did not depend on the load but the soil inner properties.The degree of saturation under different load stabilized at about 18.86%.The loss of pore water was influenced significantly by the environmental temperature and insignificantly by the load.This test provides a meaningful suggestion for the analysis of unsaturated remolded soil consolidation deformation.

Unsaturated soil；consolidation；degree of saturation；compressibility；matrix suction

TU43

A

1000-2324（2015）01-0001-07

2013-04-22

2013-05-02

山東省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2012GNC11203）

趙曉龍（1989-），男，在讀碩士研究生，主要從事土體工程安全等方面的研究.E-mail：longxingtianxiale@126.com

*通訊作者:Author for correspondence.E-mail：qxmxr@126.com