探究飽和軟粘土固結特性

馮鐘鐘

摘要：固結理論是土力學中十分重要的研究對象。本文詳細介紹了國內外飽和軟粘土固結變形的歷史和現狀。探討了飽和軟粘土的固結特點，為今后的研究指明了方向。

關鍵詞：飽和軟粘土；固結；特性

1.引言

飽和軟粘土在中國大量分布，在靠近海岸、河流和湖泊中下游的區域都可以經常看到，砂質土和粉質土是飽和軟粘土的重要組成部分。它們主要是細粘土膠體材料，一般存在于不流動的水中或流動非常緩慢的湖泊環境中，并且在其土的內部有大量微生物存在。飽和粘性土的力學特點是強度比較低，壓縮性比較高，流動性比較差。在這種土上建造的結構經常存在如下沉嚴重以及結構的承受能力不能滿足外部荷載要求的問題，這樣的地基一般被叫作軟土地基。正是因為飽和軟粘土的固結特點造成了其本身的低強度和高壓縮性的性質。通常講的固結是指在外界的壓力下土壤孔隙中的水漸漸排出時飽和軟粘土連續壓縮的過程。Terzaghi首次提出了研究飽和土固結過程的理論。該理論基于一些假設，如忽略土壤骨架的變形和數值不會改變的數值系數，這就是固結理論的來源。后來，Biot等人對三向固結理論進行了有效延伸，發現這是更加合理的。但是，考慮到確定指標對方程求解有一定的困難，使用最多的依然是單向固結理論。

2. T Terzaghi固結理論

Terzaghi的一維固結理論的重要基礎就是應變比較小的線性理論，并對土體做了一定的假定，飽和粘性土的壓縮系數和透水系數是一直不變的，不用參考重力造成的外部應力影響。在此假設的基礎上，將一維固結的一般方程簡化如下：

按照土壤周圍的邊界，加載在土體上的瞬間荷載的邊界條件應該滿足（1）公式的解，這個解的含義是用來表示固結的快慢與土壤深度之間的函數關系。在他的一維固結理論中，固結系數是一個不變的量，而在真實的土環境中，參數的值在固結過程中是一直變化的，但參數的比值和常量卻非常接近。然而，對于具有高壓縮性的軟粘土，這種假設不一定正確，特別是當參數值隨著孔隙率的降低而大幅度減小時。考慮到這種參考理論時，流動的水滿足達西理論是這種理論中最為基礎的假定，速度v與水力梯度之間的函數關系式是呈正相關的，也就是說v=ki0。但是當今的許多研究數據寫到，有些粘土不符合這一規則。Miller認為存在一個有界梯度，低于該梯度不存在可測量的滲流，但在超過梯度后，V-I仍顯示線性關系，即v=k（i-i0），I.0是初始梯度。Swartzendruber發現沒有邊界梯度，但V-I是非線性關系，并在此基礎上提出了一些非線性相關的表達式。A.Mahinda提出滲透系數K與孔隙率之間的關系非常的特殊。Log[K（1+e）]與log具有線性關系。由于e-log_是線性關系，固結系數能夠和真實的作用力在一定程度上能夠直接是相關的，從而對正常固結軟粘土的滲透指數和固結特點進行研究。F.Tavenas理論上升到試驗，在實驗中對軟粘土的滲透規律進行了有效分析并且實測了軟粘土滲透性的規律曲線。常規的三軸試驗能夠非常好地對現場的應變條件進行模擬。盡管集料器中的落錘試驗操作簡單，但是試驗獲得的樣本數據是非常少的，在一定程度上不一定具有真實性。從固結試驗中間計算K值的方法在一定程度上不能夠滿足軟粘土的計算方法；由V值計算得出K值在較低的一方，從常規應變值測試取得的K值在較高的一方，并且從梯度實測獲得的K值也在較低的一方。Duncan研究了之前固結理論有明顯缺陷的地方。他說道，軟粘土的固結會對位移差造成非常大的影響。結果預測和其比值是非常重要的工作。為了防止出現評估值與真實值之間存在明顯差別，需要建立更好的模型對土體固結的性狀進行描述，比如說結合固結系數cv的變化，應力-應變的非線性關系，土壤非均質性和應變效應。馮小力設計了一種K0固結儀來測試淤泥。得到了滲透率固結過程中孔隙比，壓縮變量，滲透變量和固結變量的幾何分布。參考另外的實驗理論值，討論了粉土滲透固結的微觀機理。鄭一峰從土壤壓縮和水分釋放的角度考慮了固結，認為淤泥質軟土的固結是由于外力作用下土壤中部分自由水的強制釋放和排放造成的，也就是說，土壤是水分釋集固結而不是滲流固結，土壤固結中存在釋水作用。將Terzaghi固結模型的滲透系數替換為釋水功能，形成一種粉土軟土的固結方法。史建勇針對這種問題想出了雙曲線擬合法，參考壓縮曲線的性質對土體壓縮進行數值模擬。在對Terzaghi固結理論假設進行一定的修改后，演變出了非線性固結問題和它的解，并把解與底部可測的固結數據進行了對比。

3.考慮蠕變問題的合并理論

Terzaghi的一維固結理論一直是估算工程界土壤沉降的基礎。Terzaghi的一維固結是以孔隙壓力的消失作為基礎而不對二次固結的影響進行考慮，所以它與真實狀態下不太一樣。但是對于軟粘土，二次固結占總壓縮的系數是非常的大的。這部分在估算土體變形時不能夠被忽視。所以，非常多的學者為改進Terzaghi的一維固結理論作了非常多的研究。Terzaghi的一維固結理論假設應力-應變關系是線性的、彈性的和時間無關的。在實際工作中，軟粘土的應力-應變關系是時間依賴的，非線性的和不可逆的。因此，當Terzaghi的固結理論和許多其他與時間無關的應力-應變關系理論應用于軟粘土的固結分析時，具有一定的狹隘性。為了補充這一缺點，對很多本構關系理論進行提出。Ladd總結了這些固結理論作為假設A和B，假設A將軟粘土在荷載作用下的變形分為兩部分：滲透固結或主要固結，這是一個壓縮時間過程，當孔隙水被擠出土壤時發生。通常認為孔隙水壓力消散并且滲透固結過程結束。蠕變或亞固結是指應力下粘性土骨架的蠕變變形。Terzaghi固結理論用于計算主要固結階段的孔隙水壓力和壓縮隨時間的變化。通過二次固結系數計算超孔隙水壓力消散至零后的蠕變變形。假設A意味著假設當初始固結完成時，應力-應變關系是獨特的并且與土壤厚度無關。假設B假設在固結期間發生蠕變，這與連續力學的流變學和粘塑性理論中使用的方法一致。陳宗基用鋼絲彈簧和線棍罐的混合模型分析了一維軟土的固結。在一些特殊的負載條件下，可以獲得分析解決方案。線性流變模型的局限性在于它沒有描述土壤的時變和時變非線性特征。Baden提出了一種非線性流變模型，其非線性特征主要通過實驗模擬。非線性和非線性粘性土的應力-應變特性，非線性流變模型的開發沒有理論框架。

4.大面積卸載后的回彈膨脹變形

當軟粘土受到較大的卸載時，它會回彈，也稱為膨脹變形。在壓縮變形期間，孔隙水的排出沉淀。同樣，水對回彈的變形有很大影響。軟土固結卸荷變形的理論研究明顯滯后于工程實踐的發展。國內外軟土的變形計算主要基于壓縮試驗中的卸載曲線。根據卸載條件計算模量，不考慮水對變形的影響和變形隨時間的變化。這使得許多工程師在軟土工程中遇到許多實際問題。首先，飽和軟粘土難以用作天然基礎，因此需要進行基礎處理。對于大面積軟土，預壓排水加固是基礎處理的常用方法。在加固完成后進行卸載，通常發生回彈。這使得技術人員對卸載后排出的水是否會返回到孔隙和返回孔隙的水量感到困惑，并且難以科學合理地評價排水固結效果。

5.軟粘土固結實驗

土壤樣品取自某地區的海洋泥質粘土床。天然水含量很高，能夠達到80%～90%。土壤樣品是可塑性的并且含有有機物。對多個未擾動的飽和軟粘土進行多階段固結測試[1]，樣品直徑6.18cm，樣品高度2cm，加載壓力12.5、25、50、100，200、400、800，1600kPa。根據實驗室測試，樣品的基本特性見表1。

6.固結特性試驗結果與分析

6.1主、次固結變形特性與分析

反映軟土中應變和時間變化之間關系的固結試驗曲線如圖1所示。從圖中能夠發現，初固結后固結率較大，曲線十分陡峭。在一段時間（約60min～100min）內，曲線的斜率減慢且固結速率降低，表明軟土主要為固體。固結已經完成，并且已進入二級固結（蠕變）壓縮階段。此外，圖1還顯示出應變時間的對數曲線隨著壓力的增加而變慢，這表明壓縮蠕變速率隨載荷的增加而減小。

通常，對數應變時間曲線上的拐點用作主要和次要固結極限點。根據試驗結果，軟土在不同壓力下的一次固結和二次固結的總變形略有不同，而土樣的總固結和次固結的總變形則有所不同。在壓力下，第二固結與總變形的比率如表2所示。結果表明，一次固結變形和第二次固結變形分別占總變形的80%和20%。

在工程實際沉降的計算中，一般采用一維大砂固結理論。從以上分析結果可以看出，某地區軟粘土沉降的二次固結變形計算不容忽視。

6.2次固結系數的變化規律

最后的固結系數（C）用于計算飽和軟粘土的二次固結沉降。二次固結系數從圖2所示的孔隙率和時間對數之間的關系得出：a（100）L/G LG C ETT=-d-（1），其中t100是100%的時間的主要固結；t是計算次級合并所需的時間。

二次固結系數與固結壓力之間的關系如圖3所示。曲線可以看出，飽和軟粘土的二次固結系數隨固結壓力的增加而減小，表明之前的二次固結系數Ca和荷載均較大。歷史或超合并比率。結果表明，某地區飽和軟粘土的次固結系數在0.02～0.04的范圍內。

6.3固結系數的變化規律

土的固結系數越高，土層的固結速度越快。中國和世界上很多的學者提出了很多確定固結系數的方法。經常使用的方法就是時間對數和時間平方根。飽和軟粘土的固結系數通過時間平方根法確定。固結系數的值與測試方法，加載速率，應力路徑和應力水平有關。土壤固結系數cv隨固結壓力而變化，如圖5所示。cv-lgo圖顯示，曲線開始時cv隨著lgo的增加而降低，而當固結壓力大于200kpa時，cv隨固結壓力的增加而增加。lgo的增加。C-v-lgo關系式擬合二次多項式，得出c-v=15.135（lgo）2-68.295 lgo+78.792。

7.結論

（1）在實驗室通過一維固結試驗確定軟粘土的一次固結極限和二次固結極限后，分別對一次固結和二次固結進行分析，為工程實際沉降的計算提供依據。結果顯示，飽和軟粘土的二次固結變形約占總變形的20%。在工程沉降計算中，這部分變形不能夠忽略。（2）某地區的飽和軟粘土的二次固結系數隨固結壓力的增加而減小，隨壓縮系數的增加而增加，呈線性增長關系。二次固結系數C為0.02～ 0.04。（3）珠江三角洲飽和軟粘土固結系數與固結壓力有關。固結系數cv與固結壓力具有一定的經驗關系。

8.結語

從以上分析可以看出，飽和軟粘土在加載條件下的一維固結理論比較完善，無論在機理上還是在各類實際問題的應用中，都沒有障礙，它同土壤參數的實際參與值相比有些落后。考慮到區域軟粘土的性質不同，有必要加深粘土的固結。此外，國內外學者對軟土豎向位移和變形進行了深入研究，研究成果具有重要意義。然而，國內外對荷載回彈變形的研究還沒有廣泛開展，因此開展此項研究具有重要意義。特別是對彈性變形特性的研究，特別是孔隙水對變形的影響，為軟土卸載變形的計算提供了理論依據。隨著我國經濟建設的快速發展和城市化進程的加快，人們在民用建筑、水利、水電、公路運輸等工程中不得不面對大量的軟土地基和變形分析。軟土地基在巖土工程設計中占有重要地位。人們不僅要研究荷載作用下的沉降變形，還要了解荷載作用下的回彈變形。因此，研究飽和軟粘土的固結特性和變形機理具有重要的現實意義和理論意義。

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