軟土主、次固結(jié)變形機(jī)理分析及試驗(yàn)研究

馮志剛，朱俊高，劉謝伶，王克東

(1.中國能源建設(shè)集團(tuán) 廣西電力設(shè)計(jì)研究院有限公司， 廣西 南寧 530007； 2.河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室， 江蘇 南京 210098； 3.中國能源建設(shè)集團(tuán) 陜西省電力設(shè)計(jì)院有限公司， 陜西 西安 710054)

軟土屬于軟弱土，在荷載作用下，會(huì)產(chǎn)生較大的變形。飽和軟土的次固結(jié)變形特性，一直受到學(xué)者的關(guān)注。對(duì)次固結(jié)變形機(jī)理，國內(nèi)外學(xué)者[1-7]提出了自己的理解，但至今沒有形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。對(duì)軟土的次固結(jié)特性，很多學(xué)者也開展了大量的試驗(yàn)研究工作，并總結(jié)出了一些規(guī)律[8-16]，但對(duì)試驗(yàn)規(guī)律也存在一定的爭議。

基于地下水動(dòng)力學(xué)相關(guān)理論，對(duì)飽和軟土主、次固結(jié)機(jī)理進(jìn)行了分析?？紤]加荷比等因素的影響，對(duì)軟土主、次固結(jié)特性進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)成果進(jìn)行了探討。在試驗(yàn)基礎(chǔ)上，對(duì)軟土地區(qū)地基施工提出了一些建議。

1 主、次固結(jié)變形機(jī)理分析

土體是由土顆粒、孔隙水和孔隙氣組成的三相體，在飽和軟土中，則只有土顆粒和孔隙水。一般認(rèn)為，在常溫狀態(tài)下，土顆粒和孔隙水均不可壓縮，在荷載作用下，土體變形只能先排出水，土體才有變形的空間。土體變形的過程即是孔隙水排出的過程。由地下水動(dòng)力學(xué)理論可知，水的流動(dòng)即使非常緩慢，也必須有水勢差的存在，而水勢差的產(chǎn)生只能是由于軟土內(nèi)部存在超靜孔隙水壓力。

飽和土體受到外荷載作用的瞬間，土體骨架還來不及變形，孔隙水將承擔(dān)全部的荷載增量，從而產(chǎn)生超靜孔隙水壓力(稱之為初始超靜孔壓)。隨時(shí)間的延續(xù)，土體中有兩個(gè)過程同時(shí)進(jìn)行：(1) 初始超靜孔壓消散的過程：在水勢差作用下，孔隙水被排出土體，土體產(chǎn)生變形，土體顆粒之間更為緊密，初始超靜孔壓逐漸消散為零；(2) 有效應(yīng)力作用下土體變形的過程：在有效應(yīng)力作用下，土顆粒產(chǎn)生位移；土體骨架結(jié)構(gòu)總會(huì)有局部的缺陷和軟弱部位，隨土顆粒位移的增加，缺陷會(huì)不斷累積，達(dá)到一定程度就會(huì)導(dǎo)致土體局部骨架結(jié)構(gòu)的破壞、坍塌和重新排列，產(chǎn)生微小的超靜孔隙水壓力，孔隙水被排出土體。過程(2)使土體顆粒接觸更加緊密，趨向于定向排列，從而可以承擔(dān)更大的外荷載。在主固結(jié)過程中，過程(1)和過程(2)相互影響，使孔隙水排出土體，土體骨架有效應(yīng)力增加，土體產(chǎn)生變形。

過程(1)即為主固結(jié)過程，主固結(jié)結(jié)束時(shí)，初始超靜孔壓已完全消散，過程(1)已結(jié)束。但過程(2)仍在繼續(xù)，微小的超靜孔壓仍不時(shí)產(chǎn)生，導(dǎo)致孔隙水緩慢排出土體，產(chǎn)生變形。由過程(2)產(chǎn)生的變形在整個(gè)固結(jié)過程中始終存在，只是在主固結(jié)階段，過程(1)占主導(dǎo)作用，過程(2)產(chǎn)生的變形量基本上可以忽略不計(jì)。在主固結(jié)結(jié)束后，土體變形則完全是由過程(2)產(chǎn)生，這部分變形就是次固結(jié)變形。

2 試驗(yàn)

2.1 土樣

自沿海某項(xiàng)目取得三種原狀樣，每種土樣各取1個(gè)試樣開展高壓固結(jié)試驗(yàn)，試樣編號(hào)1#—3#，試樣直徑61.8 mm，高度20 mm，基本物理性質(zhì)見表1。

表1 土體基本物理性質(zhì)

2.2 試驗(yàn)方案

為研究固結(jié)壓力p和加荷比Δp/p等因素對(duì)軟土主、次固結(jié)特性的影響，對(duì)1#—3#試樣開展了分級(jí)加荷一維固結(jié)試驗(yàn)。其中，Δp/p為荷載增量Δp與當(dāng)前荷載p之比。具體試驗(yàn)方案見表2。

表2 一維固結(jié)試驗(yàn)方案

注：變形穩(wěn)定控制標(biāo)準(zhǔn)為豎向變形速率<0.002 mm/d，且每級(jí)荷載持續(xù)時(shí)間>4 d。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 壓縮指數(shù)與液限的關(guān)系

圖1為1#—3#試樣第二級(jí)荷載之后的e-lgp關(guān)系曲線，由圖1可見，e與lgp呈良好的線性關(guān)系，其斜率即為壓縮指數(shù)Cc。將各試樣的Cc與液限ωL繪制于圖2，Cc與塑限ωP繪制于圖3，可知Cc與ωL和ωP之間均具有很好的線性關(guān)系，可分別用Cc=a(ωL-b)和Cc=c(ωP-d)表示，相關(guān)系數(shù)均很高，其他學(xué)者也通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了Cc與ωL之間的線性關(guān)系[17]，但變量a、b的數(shù)值與本文試驗(yàn)結(jié)果有異。變量a～d的數(shù)值受到何種因素的影響？因本次試驗(yàn)數(shù)量較少，且取自同一場地，未發(fā)現(xiàn)相關(guān)規(guī)律，有待今后進(jìn)一步試驗(yàn)研究。

圖1e-lgp關(guān)系曲線

3.2 加荷比對(duì)主、次固結(jié)階段土體變形的影響

整理了1#—3#試樣以Δp/p=1加荷時(shí)，各級(jí)荷載下0 min、10 min、100 min、1 000 min和10 000 min對(duì)應(yīng)的e-lgp試驗(yàn)曲線以及以Δp/p<1加荷時(shí)對(duì)應(yīng)的e-p試驗(yàn)曲線，列于圖4和圖5。

圖2 Cc-ωL關(guān)系曲線

圖3 Cc-ωP關(guān)系曲線

圖4 Δp/p=1時(shí)不同加荷持續(xù)時(shí)間e-lgp試驗(yàn)曲線

由圖4可知，以Δp/p=1加荷時(shí)，總體上，各加載持續(xù)時(shí)間的e-lgp曲線近似為一組平行直線，0 min和100 min各自對(duì)應(yīng)的e-lgp曲線之間的間距較大，是100 min到10 000 min間距的數(shù)倍。由室內(nèi)試驗(yàn)，100 min基本可視為主固結(jié)完成的時(shí)間，說明0 min到100 min的2個(gè)對(duì)數(shù)周期的主固結(jié)階段變形，相對(duì)于之后2個(gè)對(duì)數(shù)周期的次固結(jié)階段很大。由圖還可以看出，0 min和10 min的孔隙比之差又占到主固結(jié)變形的大部分。說明Δp/p=1時(shí)，主固結(jié)階段變形相對(duì)于次固結(jié)階段很大。而以Δp/p<1加荷時(shí)，各相鄰e-p曲線之間的間距比較接近，說明Δp/p較小時(shí)，主固結(jié)階段變形明顯減小。

圖5 Δp/p<1時(shí)不同加荷持續(xù)時(shí)間e-p試驗(yàn)曲線

為什么會(huì)出現(xiàn)上述現(xiàn)象呢？解釋如下：在以Δp/p=1加荷瞬時(shí)，土體來不及變形，荷載增量完全由孔隙水來承擔(dān)，土體中會(huì)產(chǎn)生較大的超靜孔隙水壓力。在此壓力作用下，孔隙水以較快的速率排出土體，土體會(huì)有一個(gè)明顯的加速變形過程。之后，超靜孔壓逐漸轉(zhuǎn)化為有效應(yīng)力，土體骨架被壓密，孔隙水排出的速率變慢，直至超靜孔壓消散為零。這樣，主固結(jié)階段的變形較明顯。Δp/p較小時(shí)，荷載增量較小，加荷瞬時(shí)產(chǎn)生的超靜孔壓較小，孔隙水排出比較緩慢，相應(yīng)地，主固結(jié)階段土體變形較小。

3.3 加荷比小于1時(shí)固結(jié)曲線的形狀

圖6是1#試樣e-lgt試驗(yàn)曲線，從圖6中可以看出，在Δp/p=1的荷載下，初始階段有明顯的加速變形階段，而后趨緩，e-lgt曲線可觀察到明顯的反彎點(diǎn)，而以Δp/p<1加荷時(shí)，則趨近于一條直線，且隨時(shí)間的發(fā)展，一個(gè)對(duì)數(shù)周期內(nèi)的孔隙比變化量有增大的趨勢。將Δp/p<1的幾級(jí)荷載單獨(dú)列于圖7，由圖7可以看到，固結(jié)曲線在初始階段較平緩，但100 min后有一個(gè)變形加速的過程，即存在由慢到快的變形趨勢。2#和3#試樣的試驗(yàn)結(jié)果也存在此趨勢，不再列出。Δp/p<1的荷載下，固結(jié)曲線為什么會(huì)有這樣的變形趨勢呢？在加速變形階段之后，固結(jié)曲線會(huì)不會(huì)有一個(gè)趨于平緩的過程？由于本文試驗(yàn)各級(jí)荷載持續(xù)時(shí)間較短，最長的也僅持續(xù)14 d，沒有觀察到之后的變化過程，故不能給出確定的答案，有待今后展開進(jìn)一步試驗(yàn)研究。

圖6 1#試樣e-lgt試驗(yàn)曲線

圖7 Δp/p<1時(shí)的1#試樣e-lgt試驗(yàn)曲線

3.4 加荷比對(duì)次固結(jié)系數(shù)的影響

次固結(jié)階段e-lgt曲線的斜率即為次固結(jié)系數(shù)Cα。值得指出的是，雖然Δp/p<1時(shí)次固結(jié)階段e-lgt曲線斜率大于主固結(jié)階段，但是相較于Δp/p=1的荷載，次固結(jié)系數(shù)Cα也是減小的。表3中列出了各試樣在減小Δp/p前、Δp/p<1時(shí)和減小Δp/p后的幾級(jí)荷載下相應(yīng)的次固結(jié)系數(shù)平均值，表中ps為減小Δp/p之前最后一級(jí)荷載；Cα1為減小Δp/p前以Δp/p=1加荷時(shí)各級(jí)荷載下的Cα平均值；Cα2為Δp/p<1時(shí)加荷時(shí)各級(jí)荷載下Cα平均值；Cα3為減小Δp/p后恢復(fù)Δp/p=1加荷時(shí)各級(jí)荷載下的Cα平均值；Rd1為Cα2較之Cα1減小的百分比；Rd2為Cα3較之Cα1減小的百分比。由表可知，Cα2較之Cα1減小了11.6%～33.1%，Cα3較之Cα1減小了6.0%～22.8%，說明減小Δp/p加荷對(duì)減少次固結(jié)系數(shù)是明顯的。

表3 Δp/p對(duì)次固結(jié)系數(shù)Cα的影響

4 結(jié) 論

對(duì)次固結(jié)變形機(jī)理進(jìn)行了分析。飽和土體由土體顆粒和孔隙水組成，土體變形只能是由于孔隙水的排出所引起。主固結(jié)結(jié)束后，在有效應(yīng)力作用下，土體顆粒會(huì)產(chǎn)生位移，導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)軟弱部位被破壞，發(fā)生重新排列，土體內(nèi)部產(chǎn)生微小的超靜孔隙水壓力，在水勢差的作用下，孔隙水被緩慢排出土體，產(chǎn)生次固結(jié)變形。

對(duì)3種原狀軟土進(jìn)行了分級(jí)加荷一維固結(jié)試驗(yàn)，得出以下一些主要結(jié)論：

(1)Cc與ωL和ωP均具有良好的線性關(guān)系。

(2) 相較于Δp/p=1的情況，Δp/p<1時(shí)，土體主固結(jié)階段的沉降變形明顯減小。這與減小Δp/p加荷時(shí)，荷載增量Δp較小，土體局部結(jié)構(gòu)被破壞、進(jìn)行重新排列的程度也相應(yīng)減小，從而導(dǎo)致孔隙水排出土體的速率較慢有關(guān)。

(3) 以Δp/p<1進(jìn)行加荷時(shí)，在有限的試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，次固結(jié)變形存在由慢到快的變形趨勢，但相較于Δp/p=1的荷載，Cα減小明顯。

在實(shí)際工程尤其是軟土路基施工中，在經(jīng)濟(jì)和其他條件允許的情況下，建議以較小的Δp/p進(jìn)行填筑，以減小變形初期土體的變形速率和工后沉降，以保證施工和運(yùn)行安全。