伊通軟土的次固結(jié)特性

王常明，張索煜，李 碩

吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，長(zhǎng)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(duì)不同的軟土蠕變數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行了對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)了不同處理方法下蠕變結(jié)果的差別。一般將軟土的變形分為主固結(jié)變形與次固結(jié)變形兩部分：主固結(jié)過程是一個(gè)排水固結(jié)過程，土體被壓密，有效應(yīng)力增加；次固結(jié)過程是指土顆粒的重新排列與結(jié)合水膜的蠕變。針對(duì)次固結(jié)的影響因素，國(guó)內(nèi)外的許多學(xué)者做了大量的研究。殷宗澤等[3-5]針對(duì)載荷對(duì)次固結(jié)特性的影響做了研究，得出了超固結(jié)土的次固結(jié)系數(shù)隨固結(jié)壓力變化的規(guī)律。Mesri等[6]認(rèn)為最終固結(jié)壓力是決定次固結(jié)系數(shù)大小的因素，與加荷比無(wú)關(guān)。Nash等[7]通過試驗(yàn)得出了次固結(jié)系數(shù)與固結(jié)壓力之間的規(guī)律。Leioueil等[8]發(fā)現(xiàn)了次固結(jié)系數(shù)隨時(shí)間的增長(zhǎng)而減小的規(guī)律。也有許多學(xué)者對(duì)次固結(jié)特性得出了不一致的結(jié)論，比如在固結(jié)壓力增大的條件下得到的次固結(jié)系數(shù)的變化規(guī)律并不相同[9-12]。可見，軟土的次固結(jié)特性非常復(fù)雜。

從目前來看，軟土的變形研究還遠(yuǎn)未達(dá)到完善水平，對(duì)軟土的次固結(jié)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(yīng)用價(jià)值。

本文對(duì)取自伊通河谷地區(qū)的軟土進(jìn)行了一維固結(jié)蠕變?cè)囼?yàn)，并對(duì)影響次固結(jié)的因素進(jìn)行了分析，提出了伊通軟土次固結(jié)系數(shù)的計(jì)算方法。

1 試樣與試驗(yàn)方案

1.1 試樣基本物理性質(zhì)

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(zhì)黏土，為一種河灘沉積型欠固結(jié)軟土(文中簡(jiǎn)稱“伊通軟土”)。其基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)是在WG型杠桿式固結(jié)儀上進(jìn)行的。試樣高度2 cm，表面積30 cm2。采用分級(jí)加荷的方式，加荷比為1，從12.5 kPa到1 600.0 kPa，共8級(jí)荷載。規(guī)定1 d內(nèi)變形量不大于0.01 mm時(shí)視為變形穩(wěn)定，然后施加下一級(jí)固結(jié)壓力。壓縮試驗(yàn)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(zhì)

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(jié)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(jí)加載蠕變曲線，圖2是應(yīng)變速率與時(shí)間雙對(duì)數(shù)曲線。

ε.應(yīng)變；t.時(shí)間。上圖為下圖的局部放大圖。圖1 伊通軟土應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系曲線Fig.1 Strain vs. time curves of Yitong soft soil

由圖1可見：在固結(jié)壓力作用下，短時(shí)間產(chǎn)生了較大的變形，前60 min變形量達(dá)到該級(jí)總變形量的90%以上，隨后緩慢增長(zhǎng)至穩(wěn)定；隨著固結(jié)壓力的增長(zhǎng)，各級(jí)固結(jié)壓力下的總應(yīng)變隨著時(shí)間的增長(zhǎng)逐漸增至最大。從圖2可以看出，應(yīng)變速率與時(shí)間雙對(duì)數(shù)曲線在各級(jí)載荷下具有比較好的線性相關(guān)性。各級(jí)固結(jié)壓力下擬合結(jié)果見表2。由表2的計(jì)算結(jié)果可以看出,相關(guān)系數(shù)(R)均在0.999 00以上。由此可見，伊通軟土符合Mitchell的應(yīng)變速率與時(shí)間雙對(duì)數(shù)關(guān)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(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)擬合方程求得伊通軟土在不同固結(jié)壓力下某一時(shí)刻的應(yīng)變大小。

圖2 伊通軟土應(yīng)變速率與時(shí)間雙對(duì)數(shù)關(guān)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(guān)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(yīng)力應(yīng)變等時(shí)曲線

為了對(duì)伊通軟土變形進(jìn)行進(jìn)一步研究，將不同固結(jié)壓力(p)下同一時(shí)刻的應(yīng)變連成曲線，可得到應(yīng)力-應(yīng)變等時(shí)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(jié)壓力較小(p<60 kPa)時(shí)呈現(xiàn)出線性；p≥60 kPa之后，隨著固結(jié)壓力增大，表現(xiàn)出非線性，曲線斜率逐漸減小，并偏向應(yīng)力軸。在p<60 kPa以前，土體原有結(jié)構(gòu)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(guān)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(jié)構(gòu)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(shí)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(yīng)力-應(yīng)變等時(shí)曲線Fig.3 Isochronous curve of stress-strain of Yitong soft soil

2.3 軟土次固結(jié)系數(shù)

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

次固結(jié)系數(shù)Ca的計(jì)算公式為

(2)

式中:tp為主固結(jié)完成所用時(shí)間；tk為次固結(jié)系數(shù)的計(jì)算時(shí)間；Δes為tp、tk對(duì)應(yīng)時(shí)刻土樣孔隙比的差值。

圖4 土的一維固結(jié)典型e-lg t關(guān)系曲線Fig.4 Typical curves of void ratio versus consolidation time

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

2.4 固結(jié)壓力對(duì)次固結(jié)系數(shù)的影響

次固結(jié)系數(shù)隨固結(jié)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(dá)到峰值后逐步減小至穩(wěn)定：當(dāng)p從0.0 kPa增至100.0 kPa時(shí)，Ca增長(zhǎng)了接近3倍，增幅很大；當(dāng)p超過100.0 kPa再繼續(xù)增大時(shí)，Ca先減小了15%，此后基本保持不變。

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

通常認(rèn)為在固結(jié)壓力小于屈服應(yīng)力時(shí)，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(jié)構(gòu)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減小；當(dāng)p繼續(xù)增大，土體進(jìn)入穩(wěn)定蠕變，Ca趨于穩(wěn)定。這與雷華陽(yáng)等[9]、李碩等[13]的結(jié)論相似。

2.5 次固結(jié)系數(shù)與壓縮指數(shù)的關(guān)系

Walker[14]通過對(duì)Leda地區(qū)的黏土試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，Ca/Cc(Cc為壓縮指數(shù))約為0.025。Mesri[15]通過對(duì)22種黏土的的試驗(yàn)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(guān)系，其值在0.030～0.043之間，與Mesri[15]得出的結(jié)論一致。從圖7可以看出，線性擬合的相關(guān)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(jié)系數(shù)與壓縮指數(shù)的關(guān)系曲線Fig.7 Relationship between secondary considation eoefficient and compression index of Yitong soft soil

2.6 次固結(jié)系數(shù)與時(shí)間的關(guān)系

通過式(2)計(jì)算次固結(jié)系數(shù)時(shí)，tk與tp的選取對(duì)Ca的大小有很大的影響。從表3可以看出，不同時(shí)段得到的Ca差別較大。在恒定固結(jié)壓力100 kPa下，得到Ca與tc/tp(tc為次固結(jié)結(jié)束時(shí)間)的關(guān)系如圖8所示。

表3伊通軟土不同時(shí)間周期的次固結(jié)系數(shù)

Table3SecondaryconsolidationcoeffcientsunderdifferenttimeperiodsofYitongsoftsoil

時(shí)間/minCa30～42000.011930～12000.01271200～42000.0098

圖8 伊通軟土次固結(jié)系數(shù)與時(shí)間的關(guān)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(shí)間的增加在下降，Ca與tc/tp呈對(duì)數(shù)關(guān)系；Ca的最小值最終達(dá)到其最大值的72.3%。分析來看，土體變形隨著時(shí)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(shí)，變形隨時(shí)間的增長(zhǎng)越來越緩慢，即Ca隨著時(shí)間增加呈對(duì)數(shù)下降。因此，可以得到兩者的對(duì)數(shù)關(guān)系：

Ca=h-klg(tc/tp)。

(3)

式中，h為tc=tp時(shí)的次固結(jié)系數(shù)。

3 結(jié)論

1)伊通軟土的非線性蠕變性明顯，應(yīng)變速率與時(shí)間雙對(duì)數(shù)曲線具有很好的線性相關(guān)性。擬合方程相關(guān)系數(shù)很高，實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)擬合方程求得伊通軟土不同固結(jié)壓力下某一時(shí)刻的應(yīng)變大小。

2)伊通軟土的e-lgt曲線基本上為反S型。次固結(jié)系數(shù)隨著固結(jié)壓力的增大，先迅速增大，達(dá)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(guān)系，線性擬合的相關(guān)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(shí)間對(duì)伊通軟土次固結(jié)系數(shù)的影響比較大。隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，Ca下降，最終達(dá)到最大值的72.3%，且次固結(jié)系數(shù)隨時(shí)間的增加均呈對(duì)數(shù)下降。

(

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