伊通軟土的次固結特性

王常明，張索煜，李 碩

吉林大學建設工程學院，長春 130026

0 引言

軟土的高含水量、低滲透性和高壓縮特性使其具有顯著的蠕變性。王常明、張先偉等[1-2]提出了軟土的蠕變模型，并對不同的軟土蠕變數(shù)據(jù)處理方法進行了對比研究，發(fā)現(xiàn)了不同處理方法下蠕變結果的差別。一般將軟土的變形分為主固結變形與次固結變形兩部分：主固結過程是一個排水固結過程，土體被壓密，有效應力增加；次固結過程是指土顆粒的重新排列與結合水膜的蠕變。針對次固結的影響因素，國內外的許多學者做了大量的研究。殷宗澤等[3-5]針對載荷對次固結特性的影響做了研究，得出了超固結土的次固結系數(shù)隨固結壓力變化的規(guī)律。Mesri等[6]認為最終固結壓力是決定次固結系數(shù)大小的因素，與加荷比無關。Nash等[7]通過試驗得出了次固結系數(shù)與固結壓力之間的規(guī)律。Leioueil等[8]發(fā)現(xiàn)了次固結系數(shù)隨時間的增長而減小的規(guī)律。也有許多學者對次固結特性得出了不一致的結論，比如在固結壓力增大的條件下得到的次固結系數(shù)的變化規(guī)律并不相同[9-12]。可見，軟土的次固結特性非常復雜。

從目前來看，軟土的變形研究還遠未達到完善水平，對軟土的次固結特性及影響因素的研究是解決軟土地基沉降量過大和不均勻沉降等問題的前提，有比較高的工程應用價值。

本文對取自伊通河谷地區(qū)的軟土進行了一維固結蠕變試驗，并對影響次固結的因素進行了分析，提出了伊通軟土次固結系數(shù)的計算方法。

1 試樣與試驗方案

1.1 試樣基本物理性質

原狀土樣取自于伊通河漫灘，去掉表層0.5 m左右的覆土，取樣深度為覆土下0.3～0.5 m，距地表深度為0.8～1.0 m。根據(jù)其塑性指數(shù)的大小，該土為粉質黏土，為一種河灘沉積型欠固結軟土(文中簡稱“伊通軟土”)。其基本物理力學性質指標如表1所示。

1.2 試驗方案

試驗是在WG型杠桿式固結儀上進行的。試樣高度2 cm，表面積30 cm2。采用分級加荷的方式，加荷比為1，從12.5 kPa到1 600.0 kPa，共8級荷載。規(guī)定1 d內變形量不大于0.01 mm時視為變形穩(wěn)定，然后施加下一級固結壓力。壓縮試驗方案為：12.5 kPa→25.0 kPa→50.0 kPa→100.0 kPa→200.0 kPa→400.0 kPa→800.0 kPa→1 600.0 kPa。

表1伊通軟土土樣的基本物理性質

Table1PhysicalparametersofsoilsamplesofYitongsoftsoil

天然密度/(g/cm3)干密度/(g/cm3)天然含水率/%孔隙比1.721.1944.61.25塑限含水率/%液限含水率/%壓縮系數(shù)/(MPa)-1飽和度/%23.834.41.003100

2 軟土的次固結特性

2.1 蠕變特性

圖1為伊通地區(qū)軟土層雙面排水條件下分級加載蠕變曲線，圖2是應變速率與時間雙對數(shù)曲線。

ε.應變；t.時間。上圖為下圖的局部放大圖。圖1 伊通軟土應變-時間關系曲線Fig.1 Strain vs. time curves of Yitong soft soil

由圖1可見：在固結壓力作用下，短時間產(chǎn)生了較大的變形，前60 min變形量達到該級總變形量的90%以上，隨后緩慢增長至穩(wěn)定；隨著固結壓力的增長，各級固結壓力下的總應變隨著時間的增長逐漸增至最大。從圖2可以看出，應變速率與時間雙對數(shù)曲線在各級載荷下具有比較好的線性相關性。各級固結壓力下擬合結果見表2。由表2的計算結果可以看出,相關系數(shù)(R)均在0.999 00以上。由此可見，伊通軟土符合Mitchell的應變速率與時間雙對數(shù)關系，其擬合方程為

ln(ε/t)=alnt+b。

(1)

式中，a、b為曲線的擬合參數(shù)。實際應用中可以根據(jù)擬合方程求得伊通軟土在不同固結壓力下某一時刻的應變大小。

圖2 伊通軟土應變速率與時間雙對數(shù)關系曲線Fig.2 Double logarithm curves of strain rate and time of Yitong soft soil

Table2FittingequationofstrainrateandtimeofYitongsoftsoil

載荷/kPa擬合方程相關系數(shù)12.5ln(ε/t)=-0.8995lnt-4.27830.9990025.0ln(ε/t)=-0.9481lnt-3.42671.00000100.0ln(ε/t)=-0.9683lnt-2.39600.99995200.0ln(ε/t)=-0.9744lnt-2.00100.99995400.0ln(ε/t)=-0.9796lnt-1.68981.00000800.0ln(ε/t)=-0.9849lnt-1.44421.000001600.0ln(ε/t)=-0.9881lnt-1.25531.00000

2.2 應力應變等時曲線

為了對伊通軟土變形進行進一步研究，將不同固結壓力(p)下同一時刻的應變連成曲線，可得到應力-應變等時曲線，如圖3所示。從圖3可以看出：伊通軟土的ε-p曲線在固結壓力較小(p<60 kPa)時呈現(xiàn)出線性；p≥60 kPa之后，隨著固結壓力增大，表現(xiàn)出非線性，曲線斜率逐漸減小，并偏向應力軸。在p<60 kPa以前，土體原有結構沒有被破壞，隨著p逐漸增大，孔隙逐漸變小，ε-p基本呈線性關系，軟土可以視為黏彈性體；之后隨著p繼續(xù)增大，土體原有結構被破壞，顆粒間接觸面積增大，壓縮速度越來越慢，ε-p呈非線性，此時軟土可視為黏塑性體。

上圖為下圖的局部放大圖。圖3 伊通軟土應力-應變等時曲線Fig.3 Isochronous curve of stress-strain of Yitong soft soil

2.3 軟土次固結系數(shù)

根據(jù)e-lgt(e為土樣孔隙比)曲線會出現(xiàn)反彎點的特點，用 Casagrande 作圖法來確定主次固結的分界點(EOP 點)，結果如圖4所示。圖5為根據(jù)伊通軟土一維固結蠕變試驗得到的e-lgt曲線，其反映了土體在固結壓力作用下的兩個過程，可由此劃分主固結與次固結階段。曲線呈反S型，反彎點處即是主固結階段與次固結階段的分界點。可以看出伊通軟土不同固結壓力下的分界點并不相同，伊通軟土的分界點為60～100 min。

次固結系數(shù)Ca的計算公式為

(2)

式中:tp為主固結完成所用時間；tk為次固結系數(shù)的計算時間；Δes為tp、tk對應時刻土樣孔隙比的差值。

圖4 土的一維固結典型e-lg t關系曲線Fig.4 Typical curves of void ratio versus consolidation time

圖5 伊通軟土一維固結e-lg t關系曲線Fig.5 Curves of one-dimensional e-lg t of Yitong soft soil

2.4 固結壓力對次固結系數(shù)的影響

次固結系數(shù)隨固結壓力的變化如圖6所示。從圖6可以看出，Ca隨著p的增大先迅速增大，達到峰值后逐步減小至穩(wěn)定：當p從0.0 kPa增至100.0 kPa時，Ca增長了接近3倍，增幅很大；當p超過100.0 kPa再繼續(xù)增大時，Ca先減小了15%，此后基本保持不變。

圖6 伊通軟土次固結系數(shù)-載荷關系曲線Fig.6 Curves of secondary considation ratio and consolidation pressures of Yitong soft soil

通常認為在固結壓力小于屈服應力時，土體可視為彈塑性體。分析表明：隨著p的增大，土體被壓密，孔隙比變化增大，Ca逐漸增大；超過峰值后，隨著p增大，原有土體結構破壞，土體壓密，土顆粒間接觸面積增大，排水困難，速度降低，壓縮減慢，則Ca減??；當p繼續(xù)增大，土體進入穩(wěn)定蠕變，Ca趨于穩(wěn)定。這與雷華陽等[9]、李碩等[13]的結論相似。

2.5 次固結系數(shù)與壓縮指數(shù)的關系

Walker[14]通過對Leda地區(qū)的黏土試驗發(fā)現(xiàn)，Ca/Cc(Cc為壓縮指數(shù))約為0.025。Mesri[15]通過對22種黏土的的試驗得出，原狀土的Ca/Cc在0.025～0.100之間。

伊通軟土的Ca/Cc值大致滿足線性關系，其值在0.030～0.043之間，與Mesri[15]得出的結論一致。從圖7可以看出，線性擬合的相關系數(shù)R為0.864 6，因此，可以利用Ca/Cc值來大致估算伊通軟土的Ca。

圖7 伊通軟土次固結系數(shù)與壓縮指數(shù)的關系曲線Fig.7 Relationship between secondary considation eoefficient and compression index of Yitong soft soil

2.6 次固結系數(shù)與時間的關系

通過式(2)計算次固結系數(shù)時，tk與tp的選取對Ca的大小有很大的影響。從表3可以看出，不同時段得到的Ca差別較大。在恒定固結壓力100 kPa下，得到Ca與tc/tp(tc為次固結結束時間)的關系如圖8所示。

表3伊通軟土不同時間周期的次固結系數(shù)

Table3SecondaryconsolidationcoeffcientsunderdifferenttimeperiodsofYitongsoftsoil

時間/minCa30～42000.011930～12000.01271200～42000.0098

圖8 伊通軟土次固結系數(shù)與時間的關系曲線Fig.8 Curves of secondary consolidation coefficient and time under different depths of Yitong soft soil

從圖8可以看出：伊通軟土的Ca隨時間的增加在下降，Ca與tc/tp呈對數(shù)關系；Ca的最小值最終達到其最大值的72.3%。分析來看，土體變形隨著時間的增加逐漸發(fā)展，土體的黏性逐漸得到發(fā)展，土體中土顆粒的距離隨著變形的發(fā)展逐漸減小，土顆粒越來越密實，變形隨時間的增長越來越緩慢，即Ca隨著時間增加呈對數(shù)下降。因此，可以得到兩者的對數(shù)關系：

Ca=h-klg(tc/tp)。

(3)

式中，h為tc=tp時的次固結系數(shù)。

3 結論

1)伊通軟土的非線性蠕變性明顯，應變速率與時間雙對數(shù)曲線具有很好的線性相關性。擬合方程相關系數(shù)很高，實際應用中可以根據(jù)擬合方程求得伊通軟土不同固結壓力下某一時刻的應變大小。

2)伊通軟土的e-lgt曲線基本上為反S型。次固結系數(shù)隨著固結壓力的增大，先迅速增大，達到峰值后逐步減小至穩(wěn)定。

3)伊通軟土Ca/Cc值在0.030～0.043之間，大致滿足線性關系，線性擬合的相關系數(shù)為0.864 6，可以利用Ca/Cc值來大致估算伊通的軟土的Ca。

4)時間對伊通軟土次固結系數(shù)的影響比較大。隨著時間的增長，Ca下降，最終達到最大值的72.3%，且次固結系數(shù)隨時間的增加均呈對數(shù)下降。

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