季凍區濕地軟土固結特性與固結壓力相關性的試驗研究

王宏光，程顯東，張 冕，田蕾蕾，馬 強，劉紅軍，韓春鵬

(1.東北林業大學，哈爾濱 150040;2.五邑大學，廣東 江門 529020)

軟土壓縮性大、強度低，在軟土地基上修建道路，地基很難滿足工程建設的要求，必須采取相應的工程措施，并考慮軟土地基在荷載作用下的固結沉降問題。了解軟土的固結壓縮特性，成為一件必要的工作。

1 試驗方案

試驗土樣取自黑龍江省松嫩平原，松嫩平原位于齊齊哈爾北部，屬于季節性凍土區，其大地構造單元為松嫩中央凹陷帶，區內堆積有巨厚的第四系河湖相松散物質，常年淤積形成沼澤。土樣取土深度為2.0 m，為淤泥質粉質粘土，該土層厚度變化范圍在1.5～6.2 m［1］，土樣呈黃灰色，軟塑狀態，干強度與韌性中等，強度較低。按《公路土工試驗規程》(JTG E40－2007)試驗方法，對所取原狀土進行室內試驗，并與珠江三角洲軟土相應指標進行對比，其相關指標見表1。

由表1試驗結果可知，季凍區濕地軟土天然含水率較高，接近液限值，孔隙比大于1，壓縮系數a1－2＞0.5 MPa－1，為高壓縮性土。

從表1可以看出，與珠江三角洲軟土指標相比，松嫩平原季凍區軟土天然含水率低，壓縮系數較低，壓縮模量較高，強度指標較高。

為研究季凍區濕地軟土固結系數與固結應力之間的聯系，對所取土樣進行壓縮試驗。一維固結試驗采用的是高壓固結儀，土樣高為2 cm，面積為30 cm2，模擬軟土地基實際工作狀態采用雙面排水并逐級加荷，加荷等級為 50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa和800 kPa，每一級固結壓力荷載從15 s記錄變形量，按規定時間記錄直至穩定［2，3］。圖1所示為季凍區濕地軟土e～p變化曲線，從圖中可以明顯看出，軟土的孔隙比隨固結壓力的增大在逐漸減小。且軟土在較小固結壓力下孔隙比發生明顯的變化，其主要原因是軟土為欠固結土，固結壓力大于前期固結壓力，土體產生較大變形。

表1 軟土物理性質Tab.1 Physical properties of soft soil

圖1 季凍區濕地軟土的e～p曲線Fig.1 e～p curve of wetland soft soil in seasonal frost area

2 試驗結果分析

2.1 壓縮系數、壓縮模量與固結壓力的關系

圖2和圖3所示分別為軟土土樣的壓縮系數與壓縮模量隨固結壓力變化的關系曲線，壓縮系數與壓縮模量根據相鄰荷載計算，從圖中可以看出，壓縮系數隨固結壓力增大在減小，而壓縮模量隨固結壓力的增大在增加。在固結壓力小于200 kPa時，壓縮系數隨固結壓力的增加明顯減少，當固結壓力大于200 kPa時，壓縮系數雖然在減少但變化并不大，而壓縮模量一直隨著固結壓力的增加而增加，并且其線形接近于線性關系。

2.2 固結系數與固結壓力的關系

土的固結是指土在壓力的作用下，土體孔隙減小，超孔隙水壓力逐漸消散的過程。土的固結一般分為主固結和次固結。主固結是指土體中因超靜孔隙水壓力逐漸消散和有效應力不斷增加而引起的壓縮過程，其過程為孔隙水被逐漸擠出，孔隙體積逐漸減小，從而土體壓密產生體積變形而引起的沉降，是黏性土地基沉降最主要的組成部分;而次固結是指在超靜孔隙水壓力基本消散后，在有效應力基本上不變的情況下，隨時間繼續發生的沉降量，一般認為是在恒定應力狀態下，土中的結合水以黏滯流動的形態緩慢移動，造成水膜厚度相應地發生變化，使骨架產生徐變的結果。土體的變形與沉降主要在主固結過程中完成，對于飽和軟黏土，次固結沉降量同固結沉降量相比往往是不重要的［4］。

圖2 固結壓力與壓縮系數關系曲線圖Fig.2 Curve graph of the relationship between consolidation pressure and compression coefficient

圖3 固結壓力與壓縮模量關系曲線圖Fig.3 Curve graph of the relationship between consolidation pressure and compression modulu

在飽和軟土的固結過程中，固結系數Cv的表達式為:

式中:k為滲透系數;e0為初始孔隙比;α為壓縮系數;γw為水的重度。

太沙基一維固結理論假定土的固結系數在壓縮過程中保持不變，這是因為土體在壓縮固結過程中，公式 (1)中的滲透系數k和壓縮系數α均呈遞減趨勢，因而計算出來的主固結系數Cv一般被當作常數。國內外大量試驗研究已經證明，隨著固結應力的變化，固結系數Cv并不是完全保持常數，而是隨著固結應力發生變化，所以在計算軟土地基固結沉降量時，采用不變的固結系數Cv是不符合工程實際情況的，應考慮固結系數的變化對于計算結果產生的影響并予以修正［5，6］。

圖4 軟土固結系數與固結壓力關系曲線Fig.4 Curve of the relationship between consolidation coefficient and consolidation pressure for soft soil

如圖4展示了固結系數與固結壓力之間的變化曲線，試驗結果表明固結壓力從50～800 kPa時，軟土固結系數變化范圍為1.71～7.11×10－4cm2/s。根據圖4所示，固結系數總體上隨固結壓力的增大逐漸減小。軟土在固結壓力小于400 kPa時，固結系數變化趨勢較快，近似線性變化，固結壓力超過400 kPa后，其線形變化趨于平緩，其原因是固結壓力超過前期固結壓力后，土體固結接近結束，滲透系數與壓縮系數變化量不大，固結系數趨于一個穩定值。

3 結論

(1)與珠江三角洲地區軟土相比，松嫩平原濕地軟土含水率較小，壓縮性指標略低，強度指標略高，整體物理力學性質及工程性質稍好。

(2)季凍區軟土的壓縮系數隨固結壓力增大而減小，而壓縮模量隨固結壓力增大而增大，其固結系數與固結壓力具有一定的相關性，隨著固結壓力增大，固結系數逐漸減小，當固結壓力大于400 kPa時，固結系數趨于一個穩定數值。

［1］程培峰，姜海洋，劉紅軍.寒區濕地軟土固結變形特性試驗研究［J］.自然災害學報，2007，16(2):82－85.

［2］陳曉平，黃國怡，梁志松.珠江三角洲軟土特性研究 ［J］.巖石力學與工程學報，2003，22(1):137－141.

［3］JTG E40－2007公路土工試驗規程 ［S］.

［4］袁聚云，錢建固，張宏鳴，等.土質學與土力學［M］.北京:人民交通出版社，2009.

［5］劉紅軍.寒區濕地軟土地基固結沉降與穩定性研究 ［D］.哈爾濱:中國地震局工程力學研究所，2007.

［6］于顏泉，李新年，鄒小兵，等.碎石樁潔處理軟土地基在公路工程中的應用［J］.森林工程，2006，22(6):26－27.