含水率對軟土壓縮特性影響試驗研究

郭偉杰，王平，李洪峰，吳朋

(東北林業(yè)大學 土木工程學院，哈爾濱 150040)

含水率對軟土壓縮特性影響試驗研究

郭偉杰，王平*，李洪峰，吳朋

(東北林業(yè)大學 土木工程學院，哈爾濱 150040)

土的壓縮固結(jié)與土體的類別和性狀、初始含水率、加載方式、排水條件等因素有關(guān)。結(jié)合松花江避暑城戰(zhàn)備路工程實例，取同一路段軟土重塑土樣進行室內(nèi)快速固結(jié)試驗，測定其不同含水率條件下的s-p曲線、e-p曲線并計算壓縮系數(shù)。試驗結(jié)果表明：在前期固結(jié)壓力作用下，含水率變化對土的壓縮系數(shù)和沉降量有重要影響，在同一級荷載作用下，土的軸向變形隨含水率的增加逐漸增大；土樣含水率越大，孔隙比的變化速度越快，土樣越容易被壓縮；隨著固結(jié)壓力增大，土樣孔隙比的變化率減小，壓縮變化量也越來越小。其壓縮系數(shù)的變化符合常規(guī)固結(jié)試驗中的一般性壓縮規(guī)律，快速固結(jié)試驗法在一定程度上能正確反映土的壓縮特性，滿足指導(dǎo)施工的要求。

軟土地基；快速固結(jié)試驗；壓縮特性

0 引言

所謂軟土，是指天然孔隙比大于或等于1.0，且天然含水率大于液限的細粒土，為強度低、壓縮性較高(壓縮系數(shù)大于0.5 MPa-1)、不排水抗剪強度小于30 kPa的軟弱土層，多數(shù)含有一定的有機質(zhì)[1-3]。對于飽和土，荷載增加時，土體一般是逐漸被壓縮，壓縮過程中部分水量會從土體中排除，土中孔隙水壓力相應(yīng)的轉(zhuǎn)為土粒間的有效應(yīng)力，直至變形區(qū)域穩(wěn)定。這一變形的全過程稱為固結(jié)[4-7]。固結(jié)系數(shù)對建筑物沉降計算影響較大，是太沙基一維固結(jié)理論中一個重要的物理指標[8-10]。現(xiàn)有的室內(nèi)固結(jié)試驗大致分為以下3種：常規(guī)固結(jié)試驗、快速法固結(jié)試驗和連續(xù)加載固結(jié)試驗。而連續(xù)加載試驗又可分為等應(yīng)變速率固結(jié)試驗(簡稱CRS固結(jié)試驗)、控制梯度固結(jié)試驗(簡稱CG固結(jié)試驗)、等加載速率固結(jié)試驗(簡稱CRL固結(jié)試驗)[11-13]。對以上各試驗方法進行對比分析后，本文采取快速固結(jié)試驗法對軟土固結(jié)特性進行以下研究。

我國沿海地區(qū)對軟土工程進行了系統(tǒng)研究，在工程建設(shè)中取得大量成果，為工程建設(shè)提供了相關(guān)的理論基礎(chǔ)和豐富的工程經(jīng)驗?！盾浲凉こ倘舾衫碚撆c應(yīng)用》一書中，作者對湖北省宜昌至黃石一級公路仙桃至江陵段的軟粘土進行了一系列物理力學性質(zhì)研究。孫更生、鄭大同主編的《軟土地基與地下工程》在“軟土的一般工程特性”一章中，主要列舉了上海軟土、福建沿海軟土和天津新港軟土的工程特性。陳藝南等人的“連云港濱海軟土工程特性”研究，王著杰的“深圳河軟土層的工程地質(zhì)特征及整治措施”等，這些研究成果皆反映了不同地區(qū)或區(qū)域性軟土的工程特性，對當?shù)氐墓こ虒嵺`具有較高的參考價值。我國北方季凍區(qū)軟土地基的工程性質(zhì)研究較少，對濕地軟土工程性質(zhì)、地基固結(jié)沉降及穩(wěn)定性分析了解不足，多數(shù)仍停留在工程實踐階段。本論文以哈爾濱市松花江畔某道路工程項目為依托進行軟土地基在快速固結(jié)試驗條件下的固結(jié)特性研究，分析本地區(qū)軟土的壓縮固結(jié)與初始含水率、加載方式、排水條件等因素的關(guān)系，為在季凍區(qū)濕地軟土地區(qū)修筑公路的設(shè)計和施工提供依據(jù)。

1 快速固結(jié)試驗原理及方案

1.1 快速固結(jié)試驗原理

20世紀50年代，我國一些單位為滿足工程需求縮短試驗時間，先后采用了快速固結(jié)試驗法[14]。在后續(xù)的發(fā)展過程中，隨著連續(xù)加載試驗法的發(fā)展，快速固結(jié)試驗得到一定程度的驗證。1983年，美國也將快速試驗法列入ASTM標準?？焖俟探Y(jié)法是指按一定的荷載等級，一般規(guī)定為50、100、200、300、400 kPa，有時也可根據(jù)土的軟硬程度選擇第一級荷載為25 kPa，在每級荷載下固結(jié)1 h，最后一級固結(jié)24 h，然后根據(jù)最后一級荷載作用下達到標準的變形量與壓縮1h的變形量的比值K進行變形量的修正。快速固結(jié)試驗法之所以能在工程實踐中得到推廣，是因為對于固結(jié)試驗過程中的2 cm厚的試件，在各級荷載作用下1h的固結(jié)度一般可達到90%以上，對按此法測得的變形量乘以修正系數(shù)K，可得到與常規(guī)固結(jié)試驗近似的結(jié)果。各級荷載作用下試樣校正后的總變形量計算公式為：

(1)

祝劉文[15]通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，對飽和軟土而言，隨固結(jié)壓力的增加，試樣在每級荷載初始 1h 的沉降量與穩(wěn)定沉降量的比值逐漸增加。李家平[16]對粉質(zhì)粘土分別采用標準固結(jié)試驗法和快速固結(jié)試驗法來研究快速固結(jié)試驗法測得的壓縮性指標的可靠度。試驗結(jié)果表明：在常規(guī)壓力增量下，用快速固結(jié)試驗法測得壓縮性指標可以滿足一般工程的需要。姚貝貝[17]對飽和土進行連續(xù)加載固結(jié)試驗，試驗用土分別采用黃土和寧波軟土，黃土采用的是完全重塑土，而軟土則采用原狀土，在真空飽和器飽和后方可進行試驗，本文也是分別作了飽和土的常規(guī)固結(jié)試驗和連續(xù)加載固結(jié)試驗，并對兩種試驗方法的試驗數(shù)據(jù)進行了分析。

1.2 快速固結(jié)試驗方案

(1)試樣用土基本性質(zhì)。本試驗所采用的軟土土樣取自哈爾濱市松花江畔某道路工程同一路段，取土深度11 m。首先進行原狀土試樣指標的測試，然后根據(jù)原狀土指標重塑土樣進行試驗，在室內(nèi)對土樣含水率按要求進行配制，測得其物理基本指標見表1。

表1 不同含水率軟土的物理性指標[18]Tab.1 Physical indexes of soft soil with different water contents

(2)試件制作。按《公路土工試驗規(guī)程》配制所要求含水率土樣，本文所作試驗試樣的尺寸都是采用試樣高度為40 mm，直徑為61.8 mm的圓柱形。根據(jù)規(guī)范要求用環(huán)刀切取試樣，切取試樣時應(yīng)在環(huán)刀內(nèi)壁涂抹一層薄凡士林減少環(huán)刀和土樣的摩擦，環(huán)刀刃口朝下，放在土樣上，將環(huán)刀垂直壓入。邊壓邊削，待土樣略高于環(huán)刀高度。最后將環(huán)刀上下兩面削平，有缺陷處用余土樣補平。

(3)試驗步驟。在固結(jié)容器中放置透水石、7 mm濾紙、護環(huán)，將帶有試樣的環(huán)刀放入護環(huán)內(nèi)，放上導(dǎo)環(huán)，試樣頂部依次放上濾紙、透水石、加壓上蓋，并置于加壓框架正中。施加預(yù)壓力，使試樣與儀器上下各部件之間接觸，調(diào)整變形量測裝置使其位于零點，測記初讀數(shù)。確定需要施加的各級壓力。本試驗所要求壓力值依次為12.5、25 、50 、100 、200 、400 kPa。

2 不同含水率試驗對比分析

2.1 軸向應(yīng)變與時間關(guān)系曲線

按0、15 s及1、2、4、6、9、12、16、20、25、35、45、60 min，至穩(wěn)定為止。各級荷載下的壓縮時間規(guī)定為1 h，最后一級荷載下加讀到穩(wěn)定沉降時的讀數(shù)。本文通過對不同含水率下軟土的各級荷載下的軸向應(yīng)變與時間的關(guān)系做了s-t曲線如圖1～5所示。

圖1 含水率27% s-t曲線Fig.1 s-t curves of 27% moisture content

圖2 含水率30% s-t曲線Fig.2 s-t curves of 30%moisture content

由上圖各含水率條件下的形變量與時間關(guān)系的s-t曲線可知：在各級荷載作用下，土的最終形變量隨著時間的增加趨于平緩，逐漸達到穩(wěn)定；隨著荷載等級的增加，土體的軸向形變量不斷增大，由試驗數(shù)據(jù)可知各含水率條件下當荷載從12.5 kPa增大到400 kPa時，軸向應(yīng)變也呈明顯的增大趨勢；在不同含水率條件下，軸向變形量隨著含水率的增加逐漸增大。

圖3 含水率33% s-t曲線Fig.3 s-t curves of 33%moisture content

圖4 含水率36% s-t曲線Fig.4 s-t curves of 36%moisture content

圖5 含水率39% s-t曲線Fig.5 s-t curves of 39% moisture content of

2.2e-p曲線[19]

根據(jù)上式求得各級荷載p下所對應(yīng)的孔隙比e，繪制e-p曲線如圖6所示。

由圖6不同含水率條件下的e-p曲線可以得出：隨著壓力增大孔隙比的變化率逐漸趨于平緩；土樣含水量越大，孔隙比的變化速度越快，土樣越容易壓縮。

圖6 不同含水率e-p曲線Fig.6 e-p curves of different moisture contents

2.3 壓縮系數(shù)與軸向壓力曲線

壓縮系數(shù)av由e-p曲線確定，設(shè)壓力由p1增大到P2，相應(yīng)的孔隙比由e1減小到e2，但壓力變化范圍不大時，可將該壓力范圍的曲線用割線代替，并用該割線的斜率來表示這一段壓力范圍的壓縮性，即：

(2)

現(xiàn)將各含水率條件下的壓縮系數(shù)變化規(guī)律繪制如圖7～12所示。

圖7 含水率27% av-p曲線Fig.7 av-p curves of 27% moisture content of

圖8 含水率30% av-p曲線Fig.8 av-p curves of 30% moisture content

圖9 含水率33% av-p曲線Fig.9 av-p curves of 33% moisture content

圖10 含水率36% av-p曲線Fig.10 av-p curves of 36% moisture content of

圖11 含水率39% av-p曲線Fig.11 av-p curves of 39% moisture content

圖12 各含水率av-p曲線Fig.12 av-p curves of each moisture content

由上述av-p曲線可以看出：隨著固結(jié)壓力的增加，曲線的變化越來越平緩，壓縮系數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定；在固結(jié)壓力0～100 kPa，壓縮系數(shù)變化較大，超過100 kPa后，壓縮系數(shù)變化緩慢，趨近于0；含水率的變化在固結(jié)壓力前期對壓縮系數(shù)的變化起重要作用，含水率越高，壓縮系數(shù)變化越明顯，隨著固結(jié)壓力的增大，含水率的變化對壓縮系數(shù)的影響逐漸減小。

由土的三相草圖對上述現(xiàn)象進行分析。假定土的固體顆粒體積Vs=1，土樣初始孔隙比為e0，則孔隙體積vv=e0。設(shè)土樣的初始高度為H0，在固結(jié)壓力作用下試樣總壓縮量為ΔH，土樣穩(wěn)定后孔隙比為e。因為土的壓縮固結(jié)是由于孔隙水的排除而引起的，固體顆粒體積壓縮變化量可忽略不計，則：

(3)

(4)

由壓縮系數(shù)的計算公式可得，當發(fā)生相同壓力變化Δp時，初始含水率w0越大，壓縮系數(shù)變化越明顯。隨著固結(jié)壓力的增大，由于孔隙水的排出，試樣含水率下降，孔隙比變化減小，含水率的變化對壓縮系數(shù)的影響逐漸減小。

3 結(jié)論

通過對上述軟土地基室內(nèi)快速固結(jié)試驗的分析，可以得出以下結(jié)論：

(1)對于軟土試件，快速固結(jié)試驗法所測定的固結(jié)特性符合常規(guī)固結(jié)試驗所研究的一般規(guī)律：隨著時間的增加，豎向形變量越來越大，但其變化速率趨于平緩，逐漸趨于穩(wěn)定；隨著固結(jié)壓力的增大，土樣孔隙比的變化量也由大變小，其壓縮系數(shù)的變化也滿足一般性壓縮規(guī)律，所以說快速固結(jié)試驗法在一定程度上能正確反映土的壓縮特性，可用于指導(dǎo)工程的施工。

(2)在前期固結(jié)壓力作用下，含水率變化對壓縮系數(shù)的變化起重要作用，含水率越高，壓縮系數(shù)變化越明顯，隨著固結(jié)壓力的增大，含水率的變化對壓縮系數(shù)的影響逐漸減小。

(3)對于軟土地基，其含水率變化對固結(jié)沉降有重要影響，隨著含水率的減少，其最終沉降量也大大減小。當初始含水率一定時，隨著固結(jié)壓力的增大，軟土的總壓縮量越來越大，但固結(jié)壓力超過某一特定值后，壓縮量變化率越來越小，所以在施工過程中，前期的固結(jié)排水措施是必不可少的環(huán)節(jié)，對固結(jié)壓力的設(shè)定不僅可以達到最佳壓縮效果而且對能源消耗、成本控制都有指導(dǎo)作用。

[1]繆林昌.軟土力學特性與工程實踐第一版[M].北京：科學出版社，2012.

[2]吳雪婷.溫州淺灘軟土工程特性及固結(jié)沉降規(guī)律研究[D].武漢：中國地質(zhì)大學，2010.

[3]Que J，Wang Q，Chen J，et al.Geotechnical properties of the soft soil in Guangzhou College City[J].Bulletin of Engineering Geology and the Environment，2008，67(4)：479-483.

[4]李廣信.高等土力學第一版[M/OL].北京：清華大學出版社，2004.[5]Mikasam J.The consolidation of soft clay[J].Civil Eng Jpn，1965，1(1)：21-26.

[6]Weber W G.Performance of embankments constructed over peat[J].Journal of the Soil Mechanics & Foundations Division，1900，95(SM 1)：53-76.

[7]J Park，Y W Chun，H T Trung，et al.Effect of ultrasonic energy on self-weight consolidation of clay minerals[J].KSCE Journal of Civil Engineering，2014，18(4)：971-974.

[8]Burland J B.On the compressibility and shear strength of natural clays[J].Geo technique，1990，40(2)：327-378.

[9]沈珠江.軟土工程特性和軟土地基設(shè)計[J].巖土工程學報，1998，20(1)：100-110.

[10]章為民，顧行文，王芳.Terzaghi固結(jié)系數(shù)的試驗反演分析[J].巖土工程學報，2016，38(S1)：99-103.

[11]周文淵.固結(jié)試驗及固結(jié)參數(shù)確定方法研究綜述[J].治淮，2015(9)：33-35.

[12]崔彥平.連續(xù)加卸載條件下重塑黃土K0固結(jié)特性研究[D].西安：長安大學，2014.

[13]Chen W，Jiang G，Zhao H，et al.Analysis of nonlinear settlement for an unsaturated soil under stage continuous loading[J].Journal of Central South University，2014，21(12)：4690-4697.

[14]王園.《公路土工試驗規(guī)程》釋義手冊第一版[M].北京：人民交通出版社，2007.

[15]祝劉文.海相飽和軟土固結(jié)特性的研究[J].港工技術(shù)，2010，47(4)：51-54.

[16]李家平.快速固結(jié)試驗方法的可靠性[J].巖土工程技術(shù)，2002(4)：205-208.

[17]姚貝貝.土的連續(xù)加載固結(jié)試驗方法分析[D].西安：長安大學，2010.

[18]Lei H，Wang X，Chen L，et al.Compression characteristics of ultra-soft clays subjected to simulated staged preloading[J].KSCE Journal of Civil Engineering，2016，20(2)：718-728.

[19]周馳.軟土壓縮e-p曲線模型及其工程應(yīng)用[D].長沙：湖南大學，2012.

[20]袁聚云，錢建固，張宏鳴，等.土質(zhì)學與土力學第四版[M]，北京：人民交通出版社，2009.

[21]羅婧，申莉.考慮軟土地基固結(jié)沉降的填砂路堤變形特性分析[J].公路工程，2016，41(1)：147-151.

Experimental Study on the Effect of Moisture Content onCompression Characteristics of Soft Soil

Guo Weijie，Wang Ping*，Li Hongfeng，Wu Peng

(School of Civil Engineering，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

The compression consolidation of soil is related to the type and characters，the initial moisture content，loading mode，drainage condition and so on.Combined with the engineering project of Bishucheng Zhanbei road of Songhua River，the remolded soil sampled in the same road was used to carry out the indoor rapid consolidation test.Thes-pcurve，e-pcurve were measured under different water contents and the compression coefficientavwas calculated.Test results showed that the water content had important effect on compression coefficient and settlement of soft soil under the pre-consolidation pressure.Under the same load，the axial deformation gradually increases with increasing water content of soil；the greater the soil moisture content，the faster the speed of change in void ratio，the more easily compressed soil samples.With increasing consolidation pressure，the change in the void ratio of soil sample decreases and the amount of compression is getting smaller and smaller.The change in compression coefficient of the soil complies with the general compression law in the conventional consolidation test.The experimental method can reflect the compressibility of soil to a certain extent，and meet the requirements of construction.

soft soil foundation；rapid consolidation test；compression coefficient

2016-09-10

黑龍江省青年科學基金項目(QC2012C080)

郭偉杰，碩士研究生。研究方向：軟土工程。

郭偉杰，王平，李洪峰，等.含水率對軟土壓縮特性影響試驗研究[J].森林工程，2017，33(3)：80-84.

TU 472.3

A

1001-005X(2017)03-0080-05

*通信作者：王平，碩士，教授。研究方向：巖土工程。

E-mail：1311647285@qq.com