土體壓縮-回彈變形特性試驗研究

楊 星，錢 衛，武立林，盧洪寧，張海濤

(河海大學 地球科學與工程學院，江蘇 南京211100)

地面沉降是由于地殼表層土體壓縮而導致區域性地面標高降低的一種不可補償的永久性環境和資源損失[1-2]。造成地面沉降最主要的因素是松散土層結構由于地下水過度抽取引起的土層壓縮，土體的壓縮-回彈特性決定了土體變形的特征。

目前，眾多學者認為土體的壓縮-回彈特性與土體的變形以及地面沉降有十分重要的聯系[3-13]。而且，目前的研究主要集中于粘性土體，缺少砂性土以及兩者之間的對比。本文開展了不同土體在不同狀態下的壓縮-回彈試驗，研究成果可為地面沉降的防治工作提供一定的參考依據。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗采用的砂土來自于江蘇省南京市，主要的物理力學參數如表1所示。黏土為長江中下游地區廣泛分布的下蜀土，顏色較砂土深，含水率較高，其主要的物理力學參數如表2所示。粉土取自江蘇省常州市，其主要的物理力學參數如表3所示。

表3 粉土的物理力學參數

1.2 試驗原理

固結試驗(亦稱壓縮試驗)是研究土的壓縮性的最基本的方法。固結試驗就是將天然狀態下的原狀土或人工制備的擾動土，制備成一定規格的土樣，然后將土樣置于固結儀容器內，逐級施加荷載，測定試樣在側限與軸向排水條件下壓縮變形，以及變形和壓力的關系，孔隙比和壓力的關系，變形和時間的關系。

設土樣的初始高度為H0，初始孔隙比為e0，在荷載P作用下，土樣穩定后的總壓縮量為ΔH，假設土粒體積Vs=1，且不變，根據土的孔隙比的定義e=Vv/Vs，則受壓前后土的孔隙體積Vv分別為e0和e，因為受壓前后土粒體積不變，且土樣橫截面積不變，所有受壓前后試樣中土粒所占的高度不變，因此，根據荷載作用下土樣壓縮穩定后的總壓縮量ΔH，即可得到相應的孔隙比e的計算公式：

(1)

1.3 試驗方法

為研究試樣土的壓縮性，本論文設計不同參數土樣的壓縮固結試驗，通過控制密度、土體性質、含水率等參數研究其對土體壓縮回彈性質的影響。試驗所用儀器為WG(GDG)型杠桿式高壓固結儀。

根據《土工試驗方法標準(GB 50123-1999)》相關要求，選擇面積為30 cm2的環刀進行試樣的制備，試樣的相關參數如表4所示。將制備的土樣按以上標準進行壓縮試驗，加載壓力依次為12.5、25、50、100、200、400、600、800 kPa，每一級荷載的施加均需等上次荷載變形完全穩定后再施加下一級荷載。在加載全部完成后，進行回彈試驗，回彈時同樣逐級卸載，等上一級變形完全穩定后，再進行下一級卸載并記錄試驗數據。

表4 試樣的基本參數

2 試驗結果與分析

2.1 試驗結果

對試樣進行壓縮-回彈試驗后，試驗結果見表5和表6。根據以上七種土樣在不同固結壓力下的孔隙比變化，可對土樣的壓縮-回彈特性與土樣密度、土體性質和含水率之間的影響進行分析。

2.1.1 土體壓縮-回彈特性與密度的關系

控制含水率、固結壓力等其他參數不變，可以得到不同密度土體壓縮的e-p曲線，由圖1可知，隨著密度的減少，黏土在同一固結應力下的孔隙比等比例增加，分析由于黏土的密度較小，其在相同的體積下顆粒質量小，因此孔隙的占比大，在同樣壓力作用下，可以更好地壓縮孔隙體積，壓縮性也更強。此外，在400 kPa壓力下，四個密度的黏土土樣均有應變突增的表現，推測主要是由于前期顆粒的排列重組以及孔隙間自由水的排出，到300～400 kPa的壓力時，自由水基本排出，黏土顆粒表面的結合水膜相互接觸，厚度變薄，而密度較小的黏土土樣，顆粒的比表面積越大，可接觸并變薄的結合水膜面積越大，因此在相同的固結壓力下，其孔隙比越大。

表5 壓縮過程中土樣孔隙比變化情況

表6 回彈過程中土樣孔隙比變化情況

圖1 不同密度黏土在壓縮過程中的e-p曲線Fig.1 The e-p curve of clay with different density during compression

圖2 不同土性土體在壓縮過程中的e-p曲線Fig.2 The e -p curve of soil with different soil properties during compression

2.1.2 土體壓縮性與土體性質的關系

由圖2可知，在相同固結應力下，砂土、粉土、黏土的壓縮性表現為黏土最大，依次為粉土、砂土，分析其原因可知砂土的壓縮主要依靠顆粒的移動和結構的重組，而粉土、黏土等土樣內還有結合水、自由水的存在，其壓縮不僅有顆粒的滑移及重組，還包括有自由水的排出與結合水膜的變形，因此在相同密度的條件下其壓縮性高于砂土。此外，砂土顆粒之間主要為點-點接觸，而隨著土體稠度增加，逐漸變為面-面甚至堆疊式接觸，當砂土顆粒的孔隙被填滿后，砂土便不再變形，而粉土、黏土的稠度增加使其接觸面的滑動更加輕松，在相同壓力作用下，其變形更加顯著。

2.1.3 土體壓縮性與含水率的關系

如圖3所示，黏土C5的含水率為25%，黏土C4的含水率為30%，基本上在相同密度和相同固結壓力下，隨著含水率的增大，土顆粒中自由水與飽和水的含量增多，其可壓縮性也隨之增大。

圖3 不同含水率土體在壓縮過程中的e-p曲線Fig.3 The e-p curve of soil with different moisture content during compression

在固結壓力為0～200 kPa時，含水率的增加會大大增加土體的壓縮變形量，兩者之間的孔隙比差值達到0.07，分析可知在壓縮前期，壓縮主要依賴顆粒間的移動和破碎重組，自由水和結合水的存在減少了顆粒間的摩阻力，從而幫助其產生更快更大的壓密變形；但到壓縮后期即400～800 kPa階段，黏土顆粒間的自由水基本排出，壓縮主要以顆粒結合水膜的變形為主，兩者并沒有拉開較大的差距，孔隙比差值為0.02。

2.2 變形特性分析

砂土的顆粒大小不一，形狀基本呈幾何不規則狀，顆粒之間相互接觸，接觸方式多為點-點、點-面接觸，在收到外力作用時，接觸點發生應力集中，導致應力大于摩阻力，發生固體顆粒的滑動、孔隙坍塌以及顆粒結構的重組。在回彈過程中，由于顆粒結構的改變是不可逆的，因此砂土的回彈量并不大，變形很少為彈性變形。圖4為砂土S1在固結壓力為0～800 kPa過程中的的e-p曲線。

由圖4可看出，砂土的壓縮過程主要分為三個階段：(1)在受到較小的固結壓力時，砂土發生較快的壓縮變形，顆粒沿著接觸面發生滑動，小顆粒砂土隨著位移不斷填充進大孔隙中，砂土骨架結構發生彈性變形，應變的速率隨壓力的增加而增加；(2)在固結壓力達到200 kPa時，砂土的孔隙比出現小幅度的增加而后減少，這是由于在固結壓力達到砂土骨架的極限荷載，顆粒之間的接觸面的摩阻力小于有效應力的集中，在外部荷載的作用下，發生骨架坍塌以及顆粒的破碎，顆粒的破碎導致孔隙體積的增大，孔隙比也隨之增大，此時變形以塑性變形為主，甚至伴隨有一定程度的蠕變變形；(3)在固結應力達到400 kPa以后，在荷載作用下砂土的壓縮變形達到最大程度，蠕變變形逐漸收斂，砂土的應變速率逐漸減小直至最終穩定。

圖4 砂土S1壓縮過程的e-p曲線Fig.4 The e -p curve of sand S1 compression process

圖5 砂土變形受力示意圖Fig.5 Schematic diagram of sand deformation and stress

圖5為砂土在變形過程中受力示意圖，F1為外部荷載對砂土結構的力，F2為砂土顆粒接觸面之間的摩阻力，當收到某一級壓力F1時，瞬間F2小于外部荷載導致顆粒發生移動，孔隙體積減少，甚至顆粒破碎填充在大孔隙間，顆粒之間的接觸增加，從而使得F2不斷增大與F1趨于平衡，此時這一固結壓力F1作用下的壓縮變形結束。

砂土的壓縮特性主要受砂土顆粒的級配以及顆粒間的接觸關系控制，砂土顆粒的粒徑差距越大，顆粒形狀越復雜越容易產生應力集中，在相同荷載作用下更容易導致顆粒的破碎與結構的重組，因此其壓縮變形量也越大；顆粒之間的接觸關系若以點-點或點-邊類型接觸時，結構穩定性較差，更容易發生顆粒的移動，而邊-邊或邊-面接觸則更容易維持其結構的穩定性。

黏土顆粒較小，基本呈粒狀、片狀，因此顆粒間基本呈邊-邊或面-面接觸，黏土顆粒結構以“蜂窩狀”為主。此外，由于黏土顆粒本身帶電，孔隙間充斥有自由水與結合水，因此也有很多的黏土顆粒呈團塊狀粘結在一起。黏土顆粒的壓縮回彈主要表現為顆粒滑動、孔隙壓縮、自由水釋出以及結合水膜壓縮。圖6為黏土試樣C1的壓縮過程。

圖6 黏土C1壓縮過程的e-p曲線Fig.6 The e-p curve of clay C1 compression process

如圖7所示，黏土顆粒的壓縮過程與砂土顆粒類似，基本可分為三個階段：(1)在受到外力作用時，首先發生黏土顆粒間自由水的釋出，此外還包括有黏土顆粒的滑移，由于自由水充分潤滑了顆粒間的接觸，導致顆粒的移動所抵抗的摩阻力變小，因此黏土顆粒在壓縮初期呈現較快的壓縮變形；(2)在200 kPa的固結壓力時，黏土顆粒的孔隙比出現了反彈現象，這是由于隨著壓縮不斷進行，自由水充分排出，顆粒孔隙分布逐漸均勻，黏土顆粒間的結合水膜相互接觸，團塊化分布程度提高，顆粒變形轉為由結合水膜的壓縮變薄承擔；(3)隨著固結壓力的增加至400～800 kPa，黏土結合水膜壓縮變薄，黏土的飽和度不斷增加，孔隙體積減小至臨界值，顆粒之間的摩阻力逐漸增加，抗壓性也不斷增加，因此變形會逐漸趨于穩定。值得注意的是，由于黏土顆粒間的結合水雙電子層作用，顆粒逐漸變為近固體狀態，回彈量明顯小于砂土，且其回彈時間也增加，具有顯著的滯后效應。

圖7 黏土顆粒壓縮前后對比示意圖Fig.7 Schematic diagrams of comparison before and after clay particle compression

3 結論

1)砂土的壓縮變形主要是固體顆粒的滑動、孔隙坍塌和顆粒結構的重組，而黏土的壓縮包括顆粒滑動、孔隙壓縮、自由水釋出以及結合水膜壓縮，其中，黏土在壓縮初期的變形較為顯著，而到后期變形較為穩定；砂土呈現出相反的趨勢，在壓縮初期的變形較小，而到后期變形較為顯著。

2)砂土與黏土的變形中不可逆變形占較大比例，且黏土的壓縮回彈具有滯后性。黏土的壓縮特性與其密度、含水率等均有關系，密度越大，孔隙體積越小，可壓縮性越小；含水率越大，結合水與自由水的含量越大，顆粒之間的摩阻力越小，可壓縮性越大。

3)粉土的壓縮變形性質具有砂土和黏土的兩種特點。一方面，粉土的壓縮變形特點與黏土相似，均為在壓縮初期的變形較為顯著，而到后期變形較為穩定；另一方面，其壓縮性大于黏土，小于砂土，介于砂土與黏土之間。