上海黏土固結(jié)特性及其各向異性的試驗研究

倪靜，朱叢薇，韓玉琪，郝港來

上海黏土固結(jié)特性及其各向異性的試驗研究

倪靜1，朱叢薇1，韓玉琪2，郝港來1

(1. 上海理工大學(xué) 環(huán)境與建筑學(xué)院，上海 200093；2. 上海申元巖土工程有限公司，上海 200021)

為研究上海黏土在固結(jié)過程中固結(jié)系數(shù)、體積壓縮系數(shù)及滲透系數(shù)的變化規(guī)律及各向異性，對豎直向和水平向原狀上海黏土土樣進行逐級加載固結(jié)試驗。試驗結(jié)果表明：在固結(jié)過程中，固結(jié)系數(shù)與固結(jié)應(yīng)力關(guān)系呈凹型曲線，水平向土樣的固結(jié)系數(shù)略大于豎直向土樣，且水平向土樣固結(jié)系數(shù)最小值對應(yīng)的固結(jié)應(yīng)力小于豎直向土樣；在自然沉積過程中，水平向片狀結(jié)構(gòu)土顆粒團聚成的絮狀物沉淀逐漸形成上海黏土，因而水平向土樣的孔隙比比豎直向略大，導(dǎo)致水平向滲透系數(shù)比豎直向大，但是由于豎直向與水平向土樣在固結(jié)過程中受軸力方向與片狀結(jié)構(gòu)土顆粒所成角度不同，水平向土樣壓縮性比豎直向土樣小。研究結(jié)果不僅完善了上海黏土各向異性的固結(jié)力學(xué)特性，也可為上海黏土地區(qū)的工程施工提供參考。

上海黏土；固結(jié)特性；各向異性；固結(jié)系數(shù)；壓縮系數(shù)；滲透系數(shù)

隨著城市地鐵軌道交通、機場、高速公路、高層以及超高層建筑基坑、市政工程、水利設(shè)施、海防及堤壩等大量工程在軟土地基上建造施工，了解和掌握軟土地基的物理力學(xué)特性，特別是固結(jié)特性成為這些工程建設(shè)安全實施的關(guān)鍵。近年來，隨著研究的不斷深入，土的各向異性固結(jié)特性獲得了越來越多的關(guān)注。土的各向異性是指天然土體在沉積過程中因土顆粒在不同方向的排列不同，而引起的不同方向力學(xué)性狀不同[1-4]。目前，已有許多國內(nèi)外學(xué)者對黏土的各向異性固結(jié)特性(固結(jié)系數(shù)、滲透系數(shù)及體積壓縮系數(shù))進行了分析研究。關(guān)于固結(jié)系數(shù)的各向異性，Wong[5]對豎直向及水平向泥炭土土樣進行逐級加載固結(jié)試驗，發(fā)現(xiàn)當固結(jié)應(yīng)力小于200 kPa，水平向與豎直向固結(jié)系數(shù)的比值大于1。Seah等[6]對豎直向及水平向Bangkok 黏土土樣進行了恒應(yīng)變速率固結(jié)試驗，發(fā)現(xiàn)當固結(jié)應(yīng)力從20 kPa增加至500 kPa時，水平向和豎直向固結(jié)系數(shù)的比值增大。關(guān)于滲透系數(shù)的各向異性，Chapuis等[7]通過對砂和黏性土進行滲透試驗，發(fā)現(xiàn)孔隙比越小, 滲透各向異性比越大，并建立了用孔隙比表述的指數(shù)型滲透各向異性模型。Adams等[8]基于波士頓藍黏土滲透各向異性的試驗數(shù)據(jù)，擬合得到用孔隙比表述的線性滲透各向異性模型。O’Kelly[9]通過逐級加載固結(jié)試驗研究了 11 種軟土的滲透特性，發(fā)現(xiàn)不同軟土水平向與豎直向滲透系數(shù)的比值在1到1.7 之間。宋云奇等[10]對豎直向及水平向上海淺部黏土土樣進行逐級加載固結(jié)試驗，發(fā)現(xiàn)水平滲透系數(shù)略大于豎直滲透系數(shù)。徐杰等[11]通過對高嶺-蒙脫混合黏土進行滲透試驗，發(fā)現(xiàn)宏觀參數(shù)孔隙比不是決定滲透各向異性比的關(guān)鍵，證明了從微觀角度探究滲透各向異性的可行性。關(guān)于體積壓縮系數(shù)各向異性的研究不多，加瑞等[12]對水平向與豎直向日本有明黏土進行了恒應(yīng)變速率固結(jié)試驗，發(fā)現(xiàn)在超固結(jié)階段，水平體積壓縮系數(shù)明顯大于豎向體積壓縮系數(shù)；在先期固結(jié)壓力附近，水平體積壓縮系數(shù)小于豎向體積壓縮系數(shù)；而正常固結(jié)階段，水平壓縮系數(shù)與豎向壓縮系數(shù)基本相等。綜上所述，這些研究多集中于固結(jié)特性中的單個方面，同時涉及土體固結(jié)系數(shù)、壓縮系數(shù)及滲透系數(shù)三者各向異性的綜合性研究文獻還不多[12]。因此，本文作者通過對上海軌道交通15號線古浪路站基坑采集的豎直向及水平向原狀土樣進行逐級加載固結(jié)試驗，分析探討固結(jié)系數(shù)、壓縮系數(shù)與滲透系數(shù)在固結(jié)過程中的變化及其各向異性。由于上海黏土的物理力學(xué)特性具有非常明顯的地域性，因此，研究總結(jié)上海地區(qū)的軟黏土固結(jié)特性對于指導(dǎo)該地區(qū)的工程建設(shè)具有重要的現(xiàn)實意義。

1 試驗儀器與試樣制備

1.1 試驗儀器

本試驗儀器為YS-2型壓縮儀，該儀器采用常規(guī)杠桿式壓力機，具有杠桿剛度大的特點(鑄造材質(zhì)為高強度鋁合金)。該儀器具有1:10及1:12 共2種加壓比，最小加載值為12.5 kPa，最大加載值為1 600 kPa，可以滿足本試驗對荷載等級的需求。

1.2 試樣制備

本試驗采用原狀土樣，取自上海軌道交通15號線古浪路站基坑，該工程勘察時一共取50個勘探點，本試驗所取原狀土樣位于孔號S25XJ23附近，該區(qū)域的工程地質(zhì)剖面圖如圖1所示。

取樣時，用直徑為6.18 cm，高度為2 cm內(nèi)壁涂凡士林的環(huán)刀在土層上切取土樣。環(huán)刀水平放置切取豎直向土樣，如圖2(a)所示；將環(huán)刀旋轉(zhuǎn)90°，豎直放置切取水平向土樣，如圖2(b)所示。

按《土工試驗方法標準》(GB/T50123—2019)[13]要求，測定土樣的基本物理性質(zhì)指標如表1所示。試驗前，將土樣置于疊加器中壓緊，放入真空飽和缸中，進行抽氣飽和，24 h后將土樣從飽和缸中取出，準備進行固結(jié)試驗。

2 試驗方案設(shè)計

本文利用固結(jié)儀對不同埋深、不同方向(水平向和豎直向)的原狀土樣，進行常規(guī)逐級加載固結(jié)試驗，試驗方案如表2所示。土樣按如下方式命名：第1個字母代表土樣方向，V為豎向土樣、H為水平向土樣；第2個數(shù)字代表土樣深度，1為第1層8.9 m，2為第2層14.8 m，3為第3層19.6 m。本試驗逐級加載的加載比，除了第2和3層土樣增加了中間值3/2及4/3以外，其余均為2。

圖1 取樣區(qū)域的工程地質(zhì)剖面圖

圖2 現(xiàn)場取樣圖

表1 試樣物理性質(zhì)指標

試驗過程中，按《土工試驗方法標準》(GB/ T50123—2019)[13]規(guī)定記錄下儀表盤的土樣變形量數(shù)據(jù)，并每隔24 h施加下一級荷載。某一級荷載作用下的固結(jié)系數(shù)獲取方式如下：采用時間平方根法及時間對數(shù)法分別計算固結(jié)系數(shù)，并反復(fù)迭代調(diào)整結(jié)果，使兩者互相逼近，取平均值作為固結(jié)系數(shù)。體積壓縮系數(shù)可通過下式獲得：

為上級荷載土樣固結(jié)穩(wěn)定后的孔隙比。

由固結(jié)系數(shù)的定義可推求滲透系數(shù)的計算 公式：

式中：w為水的重度；v為某級荷載下土樣的固結(jié)系數(shù)。

表2 逐級加載固結(jié)試驗方案

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 固結(jié)系數(shù)

圖3為逐級加載固結(jié)過程中，上海黏土豎直向及水平向土樣的固結(jié)系數(shù)隨固結(jié)應(yīng)力的變化曲線?？梢钥闯?，豎直向與水平向土樣固結(jié)系數(shù)具有相似的變化規(guī)律，即固結(jié)系數(shù)先減小后增大；并且隨著取土深度的增加，土樣固結(jié)系數(shù)減小且固結(jié)系數(shù)最小值對應(yīng)的固結(jié)應(yīng)力增大。以水平向土樣為例，當取土深度為8.9 m時，隨著固結(jié)應(yīng)力的增大固結(jié)系數(shù)先減小，在50 kPa固結(jié)應(yīng)力附近達到最小值后增大；當取土深度為14.8 m及19.6 m時，固結(jié)系數(shù)最小值對應(yīng)的固結(jié)應(yīng)力分別為100 kPa及200 kPa。固結(jié)系數(shù)的這種變化規(guī)律可能與先期固結(jié)應(yīng)力及當前固結(jié)應(yīng)力之間的相對大小變化有關(guān)。由于原狀土樣在取出前，上覆土層的自身重力及先前可能存在建筑物等影響，土樣存在先期固結(jié)應(yīng)力；并且隨著取土深度的增加，上覆土層厚度增加，先期固結(jié)應(yīng)力越大。在加載初期，當前固結(jié)應(yīng)力小于先期固結(jié)應(yīng)力，固結(jié)系數(shù)隨著固結(jié)應(yīng)力的增大而減??；當當前固結(jié)應(yīng)力等于先期固結(jié)應(yīng)力時，固結(jié)系數(shù)取得最小值；當前固結(jié)應(yīng)力大于先期固結(jié)應(yīng)力時，固結(jié)系數(shù)隨著固結(jié)應(yīng)力的增大而增大。描述固結(jié)系數(shù)在某級固結(jié)應(yīng)力附近出現(xiàn)極值的文獻見[14-15]，其中文獻[15]得到的結(jié)論與本文類似，即固結(jié)系數(shù)存在最小值(固結(jié)系數(shù)與固結(jié)應(yīng)力關(guān)系呈凹型曲線)；文獻[14]得到的結(jié)論與本文相反，即固結(jié)系數(shù)存在最大值(固結(jié)系數(shù)與固結(jié)應(yīng)力關(guān)系呈凸型曲線)。

由固結(jié)系數(shù)的定義可知，凹型曲線與凸型曲線的出現(xiàn)與固結(jié)過程中滲透系數(shù)與體積壓縮系數(shù)的相對變化有關(guān)：若1) 當先期固結(jié)應(yīng)力大于當前固結(jié)應(yīng)力時，+1/vi+1＜k/vi；當先期固結(jié)應(yīng)力等于固結(jié)應(yīng)力時，+1/vi+1=kvi；當先期固結(jié)應(yīng)力小于當前固結(jié)應(yīng)力時，+1/vi+1＞k/vi，則固結(jié)系數(shù)與固結(jié)應(yīng)力關(guān)系呈凹型曲線。2) 反之，則呈凸型曲線。

圖3 不同取土深度處原狀土樣固結(jié)系數(shù)-固結(jié)應(yīng)力曲線

此外，對比圖3不同深度處水平向土樣的固結(jié)系數(shù)，發(fā)現(xiàn)存在試驗曲線的交叉現(xiàn)象，原因如下：由前述可知，本文固結(jié)系數(shù)與固結(jié)應(yīng)力關(guān)系呈凹型曲線，并且隨著取土深度的增加，土樣固結(jié)系數(shù)最小值對應(yīng)的固結(jié)應(yīng)力增大。以取土深度為14.8 m的土樣為例，固結(jié)系數(shù)在100 kPa固結(jié)應(yīng)力附近達到最小值后增大，而取土深度為19.6 m的土樣固結(jié)系數(shù)在200 kPa固結(jié)應(yīng)力附近達到最小值后增大。因此，在固結(jié)應(yīng)力由100 kPa 增長到200 kPa的過程中，取土深度為14.8 m的土樣固結(jié)系數(shù)開始增大，而取土深度為19.6 m的土樣固結(jié)系數(shù)仍在減小，從而出現(xiàn)了2條試驗曲線的交叉現(xiàn)象。

對比相同取土深度的豎直向及水平向土樣的固結(jié)系數(shù)發(fā)現(xiàn)，水平向土樣的固結(jié)系數(shù)略大于豎直向土樣的固結(jié)系數(shù)。此外，對于取自同一深度處的豎直向及水平向土樣(除19.6 m外)，固結(jié)系數(shù)與固結(jié)應(yīng)力關(guān)系凹型曲線極值點對應(yīng)的固結(jié)應(yīng)力值并不相同，豎直向土樣大于水平向土樣。例如，當取土深度為8.9 m時，豎直向土樣固結(jié)系數(shù)最小值對應(yīng)的固結(jié)應(yīng)力為100 kPa，而水平向土樣為50 kPa；當取土深度為14.8 m時，豎直向及水平向土樣固結(jié)系數(shù)最小值對應(yīng)固結(jié)應(yīng)力分別為200 kPa及100 kPa。聯(lián)系之前提到的極值點出現(xiàn)在先期固結(jié)應(yīng)力附近，說明豎直向土樣的先期固結(jié)應(yīng)力大于水平向土樣。對于某一取土深度，豎直向土樣經(jīng)歷的最大軸向(加載方向)有效應(yīng)力為，而水平向土樣經(jīng)歷的最大軸向(加載方向)有效應(yīng)力為0，因此水平向土樣極值點較豎直向土樣出現(xiàn)得早。

3.2 壓縮系數(shù)

圖4為上海黏土隨取土深度變化的壓縮曲線，可以看出，孔隙比的變化量隨取土深度增加而減小。取土深度為8.9 m土樣(豎直向及水平向)的孔隙比變化量都是最大的，取土深度為19.6 m的土樣最小。此外，對比圖4不同深度處水平向土樣的壓縮曲線，發(fā)現(xiàn)取土深度為8.9 m和19.6 m的試驗曲線存在交叉現(xiàn)象，原因如下：由前述可知，土樣的取土深度越大，先期固結(jié)應(yīng)力就越大，因而取土深度較大的土樣具有較大的壓實程度，導(dǎo)致在再壓縮階段取土深度為19.6 m土樣的孔隙比變化量較小。此外，取土深度為8.9 m的土樣屬于④1灰色淤泥質(zhì)黏土，具有高壓縮性，而取土深度為19.6 m的土樣屬于⑤3-1灰色粉質(zhì)黏土，具有中～高壓縮性(小于前者)。綜上所述，以取土深度為8.9 m的土樣為例，初始孔隙比為1.213，最終孔隙比為0.714，壓縮過程中孔隙比的變化量為0.499。當取土深度為19.6 m時，土樣的初始孔隙比為1.15，最終孔隙比為0.833，壓縮過程中孔隙比的變化量為0.317。所以，2條曲線存在交叉現(xiàn)象。

根據(jù)圖4數(shù)據(jù)，運用式(1)計算各固結(jié)應(yīng)力下的體積壓縮系數(shù)，如圖5所示?？芍w積壓縮系數(shù)隨著固結(jié)應(yīng)力的增大而減小。除取土深度為8.9 m的豎直向土樣，其余土樣的體積壓縮系數(shù)曲線差別不大。當固結(jié)應(yīng)力大于400 kPa，所有土樣的體積壓縮系數(shù)趨于一致。

圖4 不同取土深度處原狀土樣孔隙比-固結(jié)應(yīng)力對數(shù)關(guān)系曲線

圖5 不同取土深度處原狀土樣體積壓縮系數(shù)-應(yīng)力關(guān)系曲線

此外，通過對比圖4中不同方向土樣的壓縮曲線，可以發(fā)現(xiàn)水平向土樣的孔隙比比豎直向土樣的孔隙比略大。這可能是因為在自然沉積環(huán)境中，上海黏土由水平向片狀結(jié)構(gòu)土顆粒團聚成的絮狀物形成[10]，因而水平向的孔隙比較豎直向的孔隙比略大，如圖6所示。另一方面，豎直向土樣的體積壓縮系在300 kPa之前略大于水平向土樣。這是因為在200～300 kPa之前，原狀土樣具有較強的結(jié)構(gòu)性，豎直向土樣所受固結(jié)應(yīng)力方向與水平向片狀土顆粒所成角度較大，較易使土顆粒發(fā)生錯動、體積壓縮；水平向土樣所受固結(jié)應(yīng)力方向與水平向片狀土顆粒所成角度較小，較難使土顆粒發(fā)生錯動，此時土顆粒本身在顆粒軸向受力發(fā)生壓縮變形，但土顆粒本身的壓縮變形很小，不及全部土體壓縮變形的1/400，因此水平向土樣的壓縮性不及豎直向土樣。當固結(jié)應(yīng)力超過300 kPa后，土體結(jié)構(gòu)性在較大的應(yīng)力水平下逐漸被破壞，故不同方向土樣的壓縮性逐漸趨近。

圖6 黏土顆粒受力示意圖

3.3 滲透系數(shù)

圖7為原狀土樣滲透系數(shù)隨應(yīng)力變化的曲線：隨著固結(jié)應(yīng)力的增加，孔隙水排出、孔隙體積減小，導(dǎo)致滲透系數(shù)減小。對比圖7不同深度處水平向土樣的滲透系數(shù)-應(yīng)力關(guān)系曲線，發(fā)現(xiàn)存在試驗曲線的交叉現(xiàn)象，原因如下：由前所述，取土深度為8.9 m的土樣屬于④1灰色淤泥質(zhì)黏土，其壓縮性大于取土深度為19.6 m的土樣(屬于⑤3-1灰色粉質(zhì)黏土)。因而在固結(jié)過程中，取土深度為8.9 m的土樣孔隙比變化較大，導(dǎo)致與孔隙比有關(guān)的滲透系數(shù)也變化較大，因此出現(xiàn)試驗曲線的交叉現(xiàn)象。另外，通過對比可知，水平向土樣滲透系數(shù)的數(shù)值在1.20×10-9m/s～9.20×10-9m/s之間，比豎直向土樣滲透系數(shù)略大(豎直向為8.90×10-10m/s～5.30× 10-9m/s)。原因在之前已有提及，即上海黏土的自然沉積過程引起了各向異性。隨著土體沉積，土顆粒在豎直向和水平向形成了不同的排列接觸形式，大部分片狀黏土顆粒趨向于水平定向排列，相比于豎直向，水平向具有更大的孔隙比(見圖6)，水更容易從水平向滲流，因而水平向的滲透系數(shù)大于豎直向的滲透系數(shù)。

圖8為原狀土樣孔隙比與滲透系數(shù)在雙對數(shù)坐標中的關(guān)系圖，可知不同取土深度及不同取土方向得到的原狀土樣的數(shù)據(jù)點較集中。對試驗所得滲透系數(shù)的對數(shù)隨孔隙比變化的數(shù)據(jù)進行直線擬合，得到相關(guān)性系數(shù)R為0.95，可知二者基本呈線性 關(guān)系。

圖7 不同取土深度處原狀土樣滲透系數(shù)-應(yīng)力關(guān)系曲線

圖8 滲透系數(shù)對數(shù)-孔隙比對數(shù)關(guān)系曲線

4 結(jié)論

1) 上海黏土豎直向與水平向土樣固結(jié)系數(shù)具有相似的變化規(guī)律，即固結(jié)系數(shù)先減小后增大，固結(jié)系數(shù)與固結(jié)應(yīng)力曲線呈凹型；并且隨著取土深度增加，固結(jié)系數(shù)最小值對應(yīng)的固結(jié)應(yīng)力也相應(yīng) 增大。

2) 上海黏土的固結(jié)系數(shù)存在各向異性，即水平向固結(jié)系數(shù)略大于豎直向固結(jié)系數(shù)。此外，水平向土樣固結(jié)系數(shù)-固結(jié)應(yīng)力凹型曲線拐點對應(yīng)的固結(jié)應(yīng)力小于豎直向土樣。

3)上海黏土由水平向片狀結(jié)構(gòu)土顆粒團聚成的絮狀物形成，因而水平向土樣的孔隙比較豎直向的孔隙比略大。但是，水平向土樣的壓縮性卻小于豎直向土樣，這是因為豎直向土樣所受的應(yīng)力方向與水平向片狀土顆粒所成角度較大，易使土顆粒發(fā)生錯動，體積壓縮；水平向土樣所受應(yīng)力方向與水平向片狀土顆粒所成角度小，土顆粒較難發(fā)生錯動，且土顆粒本身較難發(fā)生壓縮，所以水平壓縮性較豎向壓縮性小。

4) 上海黏土的滲透系數(shù)隨著固結(jié)應(yīng)力增大而減小，并且水平滲透系數(shù)大于豎直向滲透系數(shù)。不同取土深度及不同取土方向土樣的孔隙比與滲透系數(shù)在雙對數(shù)坐標中呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系。

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Experimental study on anisotropic consolidation behavior of Shanghai clay

NI Jing1, ZHU Congwei1, HAN Yuqi2, HAO Ganglai1

(1. School of Environment and Architecture, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China;2. Shanghai Shenyuan Geotechnical Engineering Co., Ltd., Shanghai 200021, China)

In order to investigate the anisotropic consolidation characteristics including consolidation coefficients, volume compressibility coefficients and permeability coefficients, the incremental-loading consolidation tests were conducted on vertical and horizontal undisturbed Shanghai clay samples. The test results show that the relationship between consolidation coefficients and consolidation stresses can be represented by concave curves and the consolidation coefficients of the horizontal samples are slightly higher than the vertical ones. In addition, the consolidation stress corresponding to the minimum consolidation coefficient for the horizontal sample is smaller than that of the vertical one. In the natural deposition process, the flake soil particles unite in the horizontal direction into flocculent structure to form Shanghai clay, leading to larger void ratios for the horizontal samples than the vertical ones, and therefore larger horizontal permeability coefficients than the vertical ones. However, the horizontal compressibility is smaller than the vertical one, as the axial force applied is in the different direction from that of the flake soil particles for vertical and horizontal samples respectively. The results not only promote the better understanding of the anisotropic consolidation properties of Shanghai clay, but also provide certain references for engineering construction in Shanghai clay area.

Shanghai clay; consolidation characteristics; anisotropy; consolidation coefficient; compressibility; permeability coefficient

TU447

A

1672 - 7029(2020)11 - 2782 - 07

10.19713/j.cnki.43-1423/u.T20200063

2020-01-16

國家自然科學(xué)基金資助項目(51608323)

倪靜(1983-)，女，上海人，副教授，博士，從事土動力學(xué)及軟土地基加固研究；E-mail：wendy_1943@163.com

(編輯 涂鵬)