飽和狀態(tài)下海積軟土一維滲透固結(jié)特征試驗(yàn)研究

葉朝良，謝玉芳，曹風(fēng)旭，王海強(qiáng)

(1.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，石家莊 050043；2.石家莊鐵道大學(xué)道路與鐵道工程安全保障省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石家莊 050043；3.中國(guó)兵器工業(yè)北方勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，石家莊 050011)

1 概述

軟土因具有高含水率、低強(qiáng)度、觸變性、高壓縮性、低滲透性等特性，導(dǎo)致其抗干擾能力極差。近年來，軟土地區(qū)頂管施工對(duì)周邊環(huán)境的影響或周邊場(chǎng)地環(huán)境變化對(duì)既有頂管工程的影響等問題引發(fā)的工程事故時(shí)有發(fā)生[1-2]，解決此類問題的關(guān)鍵在于嚴(yán)格控制軟土沉降變形。軟土在外部環(huán)境和荷載作用條件下會(huì)產(chǎn)生排水固結(jié)，而且排水固結(jié)時(shí)間較長(zhǎng)，這會(huì)給頂管工程施工期和運(yùn)營(yíng)期的沉降控制造成很大影響。因此，充分揭示軟土固結(jié)過程中滲透固結(jié)特性的變化規(guī)律是提高沉降計(jì)算準(zhǔn)確性的關(guān)鍵[3]。

軟土固結(jié)問題一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的重點(diǎn)之一。Terzaghi(1925)提出了飽和土一維固結(jié)理論，該理論前提之一就是假定固結(jié)過程中固結(jié)系數(shù)不變；Abbot[4]、Davis[5]、Olson[6]等研究發(fā)現(xiàn)，在固結(jié)過程中土體的體積壓縮系數(shù)與滲透系數(shù)隨深度與時(shí)間呈非線性變化。另外，我國(guó)學(xué)者對(duì)軟土固結(jié)問題研究成果也極為豐富[7-10]，但我國(guó)軟土因生成環(huán)境和賦存環(huán)境的巨大差異，其固結(jié)特性必然有所不同。自2002年后，我國(guó)學(xué)者分別對(duì)天津[11]、長(zhǎng)三角[7，12]、浙江[13]、珠三角[14-15]和北部灣[16]海積軟土的固結(jié)特性進(jìn)行了深入研究，鄧永鋒等[17]對(duì)通過自行設(shè)計(jì)的換鹽和固結(jié)裝置研究了連云港海積軟土脫鹽條件下的固結(jié)特性。

隨著連云港經(jīng)濟(jì)開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施和基礎(chǔ)設(shè)施的大量建設(shè)，連云港海積軟土工程特性的研究也日益引起業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注。本文主要通過室內(nèi)變水頭滲透試驗(yàn)和一維側(cè)限固結(jié)試驗(yàn)，分別對(duì)不同含水率條件下的連云港重塑海積軟土的滲透、固結(jié)特性進(jìn)行了研究。

2 滲透固結(jié)試驗(yàn)方案

2.1 土樣來源及物理性質(zhì)

取樣地點(diǎn)位于江蘇省連云港市東辛農(nóng)場(chǎng)內(nèi)，地屬濱海平原區(qū)，地形平坦、開闊，區(qū)內(nèi)河流縱橫成網(wǎng)，交通較為便利。表層分布黏土，灰黃色，軟塑，厚1～2 m，其下為淤泥，灰黑色，流塑，下為粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂、黏土等地層。所取海積軟土土樣為灰黑色淤泥，取樣深度在3～5 m，如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)取樣

通過室內(nèi)試驗(yàn)得到連云港海積軟土的物理性質(zhì)指標(biāo)見表1。從表1可看出，土樣天然孔隙比>1.5，且天然含水率大于液限，定名為淤泥，天然含水率與液限含水率之比w0/wL接近1。另外，顆粒分析試驗(yàn)的結(jié)果表明，該淤泥的黏粒含量是粉粒的2倍左右。表1中粒組的劃分依據(jù)JTGE40—2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》，粒徑2～0.074 mm為砂粒，0.074～0.002 mm為粉粒，<0.002 mm為黏粒。按照國(guó)標(biāo)可將其定名為高液限黏土，其具有高塑性，塑性指數(shù)高達(dá)35.4。

表1 淤泥的物理性質(zhì)指標(biāo)

2.2 試驗(yàn)方案

為研究連云港海積軟土孔隙比對(duì)滲透系數(shù)、固結(jié)變形特性的影響，在室內(nèi)用擾動(dòng)樣配制50%～80%間6種不同含水率的試驗(yàn)用樣，通過控制含水量來實(shí)現(xiàn)孔隙比的變化。為確保試樣在試驗(yàn)過程中一直處于飽和狀態(tài)，試驗(yàn)前對(duì)試樣進(jìn)行真空飽和，試驗(yàn)過程中進(jìn)行補(bǔ)水，以防止水分蒸發(fā)流失。

通過變水頭試驗(yàn)測(cè)定連云港重塑海積軟土的滲透系數(shù)，采用2組平行試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，如圖2所示。通過室內(nèi)一維側(cè)限固結(jié)試驗(yàn)測(cè)試土樣的固結(jié)變形，固結(jié)變形穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)取為0.005 mm/h，加荷方案見表2，每組試樣做2～3個(gè)平行試驗(yàn)，見圖3。

圖2 滲透試驗(yàn)

表2 連云港軟土固結(jié)試驗(yàn)加荷方案

圖3 固結(jié)試驗(yàn)

3 滲透試驗(yàn)成果分析

Mesri[18]曾通過試驗(yàn)建立了黏性土k～e乘冪經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，得到

k=B·eA

(1)

式中，A、B為黏土的滲透特性參數(shù)。

龔曉南[19]提出了lnk-e線性經(jīng)驗(yàn)關(guān)系如下

e=m+n·lnk

(2)

式中，m、n為土性參數(shù)。

Nishida[20]等通過大量試驗(yàn)分析，認(rèn)為黏土lgk-e曲線呈直線關(guān)系(k=10-7～10-4cm/s)。從數(shù)學(xué)角度分析三人所得孔隙比與滲透系數(shù)的關(guān)系，可知三者基本統(tǒng)一，只是表達(dá)方式不同而已。

為驗(yàn)證該關(guān)系對(duì)連云港海積軟土的適用性，依據(jù)各組試驗(yàn)所得實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的計(jì)算結(jié)果匯總于表3。

表3 軟土滲透試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表3的數(shù)據(jù)，嘗試建立了滲透系數(shù)與孔隙比(k-e)和滲透系數(shù)對(duì)數(shù)與孔隙比(lgk-e)之間的擬合關(guān)系，如圖4所示。根據(jù)圖4(a)可擬合得到滲透系數(shù)與孔隙比關(guān)系為

k=1.415×10-9·exp(3.584e0) (R2=0.997)

(3)

根據(jù)圖4(b)擬合可滲透系數(shù)對(duì)數(shù)與孔隙比關(guān)系為

lgk=1.556e0-8.854 (R2=0.997)

(4)

從圖4、式(3)和式(4)可看出，滲透系數(shù)與孔隙比之間或滲透系數(shù)對(duì)數(shù)與孔隙比之間存在較好的指數(shù)關(guān)系或線性關(guān)系，說明這兩種關(guān)系均能很好地反映連云港海積軟土孔隙比對(duì)滲透系數(shù)的影響。顯然，連云港海積軟土的滲透系數(shù)隨孔隙比的增大呈指數(shù)增大，滲透系數(shù)的對(duì)數(shù)隨孔隙比的增大呈線性增大的趨勢(shì)。

圖4 重塑海積軟土滲透系數(shù)k與孔隙比e的關(guān)系

4 連云港海積軟土的固結(jié)特性

軟土具有高孔隙比的特點(diǎn)，而飽和軟土的固結(jié)變形實(shí)際上就是孔隙中的水被排出，孔隙壓力消散，有效應(yīng)力增加，導(dǎo)致土體骨架壓密，孔隙減小的過程，它直接決定著軟土的滲透和固結(jié)特性。說明固結(jié)時(shí)間、固結(jié)壓力和含水率對(duì)固結(jié)變形有著很大影響。

4.1 固結(jié)變形分析

4.1.1 固結(jié)變形的時(shí)間效應(yīng)

以實(shí)測(cè)含水率w=66.3%試樣的固結(jié)試驗(yàn)數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析，見圖5。

圖5 固結(jié)變形s與固結(jié)時(shí)間t的關(guān)系(w=66.3%)

從圖5可看出，每級(jí)固結(jié)應(yīng)力下，試樣固結(jié)變形大致可分為3個(gè)階段：0～5 min為初始線性變形階段，此時(shí)土樣內(nèi)部有效應(yīng)力和孔隙水壓力傳遞、分布調(diào)整，排水量由小增大，變形也逐漸增大；5～400 min為快速固結(jié)變形階段，試樣逐漸產(chǎn)生固結(jié)變形，孔隙水壓力轉(zhuǎn)化為有效應(yīng)力，孔隙水快速排出，因此試樣固結(jié)變形增大；400 min后為變形穩(wěn)定階段，隨著試樣內(nèi)部孔隙水壓力的消散，孔隙逐漸減小，試樣有效應(yīng)力增大，固結(jié)效果減弱，變形逐漸趨于穩(wěn)定。

4.1.2 荷載對(duì)固結(jié)變形的影響

圖6為固結(jié)壓力與固結(jié)變形的關(guān)系曲線，從圖6可以看出，試樣固結(jié)變形隨著固結(jié)壓力增大而逐漸增大，但固結(jié)變形增量逐漸減小。另外，在800 kPa壓力范圍內(nèi)，s-p曲線沒有呈現(xiàn)明顯的收斂趨勢(shì)，也即隨著荷載增加，試樣還會(huì)繼續(xù)產(chǎn)生固結(jié)變形。

圖6 固結(jié)壓力p與固結(jié)變形s的關(guān)系

為評(píng)價(jià)固結(jié)壓力對(duì)固結(jié)變形的貢獻(xiàn)，引入“變形荷載比”這一概念，定義為相鄰兩級(jí)固結(jié)壓力所對(duì)應(yīng)變形差與壓力差之比，即

Gi=(si-si-1)/(pi-pi-1)=Δs/Δp

(5)

式中，Gi為第i級(jí)固結(jié)壓力下的變形荷載比，mm/kPa；si、si-1分別為第i、i-1級(jí)固結(jié)壓力下的固結(jié)變形，mm；pi、pi-1分別為第i、i-1級(jí)固結(jié)壓力，kPa。

固結(jié)變形荷載比G與固結(jié)壓力p之間的關(guān)系曲線如圖7所示。從圖7可看出，無論該海積軟土處于哪種含水率(或孔隙比)，變形荷載比G均隨固結(jié)壓力p的增大而減小，其變化明顯分為3個(gè)區(qū)段：Ⅰ區(qū)在0～50 kPa，為固結(jié)效果理想?yún)^(qū)，此階段單位荷載的固結(jié)變形很大，但衰減極快；Ⅱ區(qū)在50～200 kPa，為固結(jié)效果一般區(qū)，此階段單位荷載的固結(jié)變形也比較大，衰減較快；Ⅲ區(qū)在>200 kPa以后的范圍，為固結(jié)效果欠佳區(qū)，此階段隨著荷載的增大，土體內(nèi)部顆粒骨架已逐漸趨于密實(shí)，孔隙孔徑變小，且孔隙體積也減小，因此孔隙水更難有效排出，固結(jié)變形越來越小。

圖7 固結(jié)壓力p與固結(jié)變形荷載比G的關(guān)系

4.1.3 含水率對(duì)固結(jié)變形的影響

如圖6所示，從此6條固結(jié)壓力與固結(jié)變形關(guān)系曲線可知，隨含水率增大，固結(jié)變形整體呈增大趨勢(shì)，因?yàn)檐浲猎嚇雍试酱笠布纯紫侗仍酱?，在相同固結(jié)壓力作用下產(chǎn)生的固結(jié)變形也越大。

4.2 固結(jié)變形參數(shù)

4.2.1 壓縮系數(shù)

圖8為不同含水率條件下的e-p曲線。從圖8可以看出：固結(jié)壓力在100 kPa以內(nèi)，不同含水率的海積軟土的孔隙比變化較大，固結(jié)壓力>100 kPa后，孔隙比的變化趨于一致，總體都隨固結(jié)壓力的增大而呈緩慢減小趨勢(shì)。

時(shí)人對(duì)禮的地位做出如此高的評(píng)價(jià)，與他們對(duì)實(shí)際中禮儀的形式化問題的注意有關(guān)。僖三十三年齊國(guó)莊子來聘，“自郊勞至于贈(zèng)賄，禮成而加之以敏”，臧文仲言于公曰：

圖8 不同含水率軟土的e-p曲線

圖9為不同含水率條件下固結(jié)壓力p與壓縮系數(shù)av的關(guān)系曲線。從圖9可看出：固結(jié)壓力在100 kPa以內(nèi)，不同含水率的海積軟土的壓縮系數(shù)變化較大，衰減迅速；固結(jié)壓力>100 kPa后，壓縮系數(shù)的變化趨于一致，總體都隨固結(jié)壓力的增大而呈緩慢減小趨勢(shì)。

圖9 固結(jié)壓力p與壓縮系數(shù)av的關(guān)系

4.2.2 固結(jié)系數(shù)

依據(jù)固結(jié)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用時(shí)間平方根法計(jì)算得到含水率為50%～80%的連云港重塑海積軟土的固結(jié)系數(shù)，并繪制Cv-p變化曲線，如圖10所示。顯然，不同含水率條件下該軟土試樣的固結(jié)系數(shù)在10-5～10-4cm2/s，其表現(xiàn)出相當(dāng)小的滲透固結(jié)特性。

圖10 不同含水率軟土的Cv-p曲線

從圖10還可看出：當(dāng)含水率小于液限時(shí)，因土體強(qiáng)度稍高，若固結(jié)壓力較小，則其初期測(cè)試固結(jié)沉降變形值較小，故試樣25 kPa以內(nèi)的固結(jié)系數(shù)較為離散，而當(dāng)固結(jié)壓力變大后，規(guī)律性較為明顯，固結(jié)系數(shù)大多隨固結(jié)壓力增大而增大；當(dāng)含水率大于液限時(shí)，固結(jié)系數(shù)與壓力的規(guī)律性相對(duì)更好。將含水率高于液限的軟土所對(duì)應(yīng)的固結(jié)系數(shù)與固結(jié)壓力進(jìn)行擬合，得到Cv-p擬合曲線(圖11)。從圖11可看出，固結(jié)系數(shù)與固結(jié)壓力有很好的對(duì)數(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)均在96%以上。

圖11 海積軟土典型Cv-p曲線擬合關(guān)系

(1)含水率為66.3%時(shí)，有

Cv=0.346lnp-0.465 (R2=0.961)

(6)

(2)含水率為71.4%時(shí)，有

Cv=0.427lnp-0.665 (R2=0.992)

(7)

(3)含水率為78.4%時(shí)，有

Cv=0.485lnp-0.559 (R2=0.981)

(8)

Cv=Alnp-B

(9)

式中，A、B為Cv-p擬合曲線參數(shù)。

5 關(guān)于堆載預(yù)壓荷載討論

基于連云港海積軟土的固結(jié)特性分析，考慮若單純采用堆載預(yù)壓法處理該類軟土地基，其經(jīng)濟(jì)合理的預(yù)壓荷載應(yīng)如何取值，為此進(jìn)行以下討論。

5.1 變形荷載比

本文引入“變形荷載比G”。通過變形荷載比G與固結(jié)壓力p之間的關(guān)系分析表明：不同含水率(或孔隙比)連云港海積軟土，其固結(jié)變形荷載比G隨固結(jié)壓力p的增大而減小。固結(jié)變形荷載比G隨固結(jié)壓力p的變化，可分為3個(gè)區(qū)段：Ⅰ區(qū)在0～50 kPa，為固結(jié)沉降效果理想?yún)^(qū)，此階段單位荷載的固結(jié)變形很大，但衰減極快；Ⅱ區(qū)在50～200 kPa，為固結(jié)效果一般區(qū)，此階段單位荷載的固結(jié)變形也比較大，衰減較快；Ⅲ區(qū)在>200 kPa以后的范圍，為固結(jié)效果欠佳區(qū)，此階段隨著荷載的增大，土體內(nèi)部顆粒骨架已逐漸趨于密實(shí)，孔隙的孔徑大小變小，孔隙體積也減小，孔隙水排除也越來越困難，固結(jié)變形越來越小。

5.2 固結(jié)壓力與固結(jié)變形的關(guān)系

將一維側(cè)限固結(jié)試驗(yàn)中不同固結(jié)壓力下的固結(jié)穩(wěn)定變形匯總至表4。同時(shí)假定800 kPa下的固結(jié)穩(wěn)定變形為固結(jié)最終變形值，分別求得各級(jí)壓力下的固結(jié)穩(wěn)定變形占最終變形值的百分比，并匯總至表5。

表4 各級(jí)固結(jié)壓力下的穩(wěn)定固結(jié)變形均值 mm

表5 各級(jí)固結(jié)壓力下的穩(wěn)定固結(jié)變形占比 %

從表4和表5可看出：雖然隨著含水率的增大，800 kPa固結(jié)壓力作用下的固結(jié)變形明顯增大，但在100 kPa作用下的固結(jié)變形占比也明顯增長(zhǎng)，從46.7%增至72.8%，而相應(yīng)荷載僅為800 kPa的1/8。

5.3 固結(jié)壓力與壓縮系數(shù)的關(guān)系

結(jié)合不同含水率條件下固結(jié)壓力p與壓縮系數(shù)av的關(guān)系曲線(圖9)分析得到：固結(jié)壓力在100 kPa以內(nèi)，不同含水率的海積軟土的壓縮系數(shù)變化較大，衰減迅速；固結(jié)壓力>100 kPa后，壓縮系數(shù)的變化趨于一致，總體都隨固結(jié)壓力的增大而呈減小趨勢(shì)。

綜合上述3個(gè)方面的分析，可以確定：對(duì)于含水量超過液限的連云港海積軟土，單純采用預(yù)壓堆載法進(jìn)行地基處理，經(jīng)濟(jì)合理的預(yù)壓荷載應(yīng)在100 kPa左右。如果要取得更好的預(yù)壓效果，應(yīng)結(jié)合塑料排水板、砂井等措施增加固結(jié)排水效果。單純依靠增加預(yù)壓荷載值的方法是不可取的。

6 研究結(jié)論

本文通過室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)不同含水率條件下的連云港飽和重塑海積軟土的滲透、固結(jié)等特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得到以下結(jié)論。

(1)該軟土孔隙比>1.5；黏粒含量高達(dá)67%，是粉粒的2倍左右；液限高達(dá)62.6%，塑性指數(shù)高達(dá)35.4，塑性很高。

(2)滲透、固結(jié)試驗(yàn)表明，該飽和重塑軟土的滲透系數(shù)與孔隙比呈指數(shù)關(guān)系，滲透系數(shù)對(duì)數(shù)與孔隙比呈線性關(guān)系，可擬合得到k=1.415×10-9·exp(3.584e0)(R2=0.997)或lgk=1.556e0-8.854(R2=0.997)，固結(jié)時(shí)間、固結(jié)壓力和含水率對(duì)該軟土的固結(jié)變形有顯著影響。

(3)分析變形荷載比G與固結(jié)壓力p的關(guān)系得到：不同孔隙比軟土的變形荷載比隨固結(jié)壓力的增大而減?。蛔冃魏奢d比隨固結(jié)壓力的變化可分為3個(gè)區(qū)段：固結(jié)沉降效果理想?yún)^(qū)(0～50 kPa)，固結(jié)效果一般區(qū)(50～200 kPa)和固結(jié)效果欠佳區(qū)(>200 kPa)。

(4)采用時(shí)間平方根法計(jì)算得到該重塑軟土的固結(jié)系數(shù)為10-5～10-4cm2/s，滲透固結(jié)特性差，該重塑海積軟土固結(jié)系數(shù)與固結(jié)壓力的統(tǒng)計(jì)關(guān)系為Cv=Alnp-B。

(5)若只采用預(yù)壓堆載法進(jìn)行地基處理，經(jīng)濟(jì)合理的堆載壓力宜在100 kPa左右，欲取得更好預(yù)壓效果，應(yīng)結(jié)合塑料排水板、砂井等措施來改善固結(jié)排水效果。