飽和狀態下海積軟土一維滲透固結特征試驗研究

葉朝良，謝玉芳，曹風旭，王海強

(1.石家莊鐵道大學土木工程學院，石家莊 050043；2.石家莊鐵道大學道路與鐵道工程安全保障省部共建教育部重點實驗室，石家莊 050043；3.中國兵器工業北方勘察設計研究院有限公司，石家莊 050011)

1 概述

軟土因具有高含水率、低強度、觸變性、高壓縮性、低滲透性等特性，導致其抗干擾能力極差。近年來，軟土地區頂管施工對周邊環境的影響或周邊場地環境變化對既有頂管工程的影響等問題引發的工程事故時有發生[1-2]，解決此類問題的關鍵在于嚴格控制軟土沉降變形。軟土在外部環境和荷載作用條件下會產生排水固結，而且排水固結時間較長，這會給頂管工程施工期和運營期的沉降控制造成很大影響。因此，充分揭示軟土固結過程中滲透固結特性的變化規律是提高沉降計算準確性的關鍵[3]。

軟土固結問題一直是國內外學者關注的重點之一。Terzaghi(1925)提出了飽和土一維固結理論，該理論前提之一就是假定固結過程中固結系數不變；Abbot[4]、Davis[5]、Olson[6]等研究發現，在固結過程中土體的體積壓縮系數與滲透系數隨深度與時間呈非線性變化。另外，我國學者對軟土固結問題研究成果也極為豐富[7-10]，但我國軟土因生成環境和賦存環境的巨大差異，其固結特性必然有所不同。自2002年后，我國學者分別對天津[11]、長三角[7，12]、浙江[13]、珠三角[14-15]和北部灣[16]海積軟土的固結特性進行了深入研究，鄧永鋒等[17]對通過自行設計的換鹽和固結裝置研究了連云港海積軟土脫鹽條件下的固結特性。

隨著連云港經濟開發戰略的實施和基礎設施的大量建設，連云港海積軟土工程特性的研究也日益引起業內人士的關注。本文主要通過室內變水頭滲透試驗和一維側限固結試驗，分別對不同含水率條件下的連云港重塑海積軟土的滲透、固結特性進行了研究。

2 滲透固結試驗方案

2.1 土樣來源及物理性質

取樣地點位于江蘇省連云港市東辛農場內，地屬濱海平原區，地形平坦、開闊，區內河流縱橫成網，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 現場取樣

通過室內試驗得到連云港海積軟土的物理性質指標見表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，顆粒分析試驗的結果表明，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JTGE40—2007《公路土工試驗規程》，粒徑2～0.074 mm為砂粒，0.074～0.002 mm為粉粒，<0.002 mm為黏粒。按照國標可將其定名為高液限黏土，其具有高塑性，塑性指數高達35.4。

表1 淤泥的物理性質指標

2.2 試驗方案

為研究連云港海積軟土孔隙比對滲透系數、固結變形特性的影響，在室內用擾動樣配制50%～80%間6種不同含水率的試驗用樣，通過控制含水量來實現孔隙比的變化。為確保試樣在試驗過程中一直處于飽和狀態，試驗前對試樣進行真空飽和，試驗過程中進行補水，以防止水分蒸發流失。

通過變水頭試驗測定連云港重塑海積軟土的滲透系數，采用2組平行試驗進行對比，如圖2所示。通過室內一維側限固結試驗測試土樣的固結變形，固結變形穩定標準取為0.005 mm/h，加荷方案見表2，每組試樣做2～3個平行試驗，見圖3。

圖2 滲透試驗

表2 連云港軟土固結試驗加荷方案

圖3 固結試驗

3 滲透試驗成果分析

Mesri[18]曾通過試驗建立了黏性土k～e乘冪經驗關系，得到

k=B·eA

(1)

式中，A、B為黏土的滲透特性參數。

龔曉南[19]提出了lnk-e線性經驗關系如下

e=m+n·lnk

(2)

式中，m、n為土性參數。

Nishida[20]等通過大量試驗分析，認為黏土lgk-e曲線呈直線關系(k=10-7～10-4cm/s)。從數學角度分析三人所得孔隙比與滲透系數的關系，可知三者基本統一，只是表達方式不同而已。

為驗證該關系對連云港海積軟土的適用性，依據各組試驗所得實測數據的計算結果匯總于表3。

表3 軟土滲透試驗結果

根據表3的數據，嘗試建立了滲透系數與孔隙比(k-e)和滲透系數對數與孔隙比(lgk-e)之間的擬合關系，如圖4所示。根據圖4(a)可擬合得到滲透系數與孔隙比關系為

k=1.415×10-9·exp(3.584e0) (R2=0.997)

(3)

根據圖4(b)擬合可滲透系數對數與孔隙比關系為

lgk=1.556e0-8.854 (R2=0.997)

(4)

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

圖4 重塑海積軟土滲透系數k與孔隙比e的關系

4 連云港海積軟土的固結特性

軟土具有高孔隙比的特點，而飽和軟土的固結變形實際上就是孔隙中的水被排出，孔隙壓力消散，有效應力增加，導致土體骨架壓密，孔隙減小的過程，它直接決定著軟土的滲透和固結特性。說明固結時間、固結壓力和含水率對固結變形有著很大影響。

4.1 固結變形分析

4.1.1 固結變形的時間效應

以實測含水率w=66.3%試樣的固結試驗數據為例進行分析，見圖5。

圖5 固結變形s與固結時間t的關系(w=66.3%)

從圖5可看出，每級固結應力下，試樣固結變形大致可分為3個階段：0～5 min為初始線性變形階段，此時土樣內部有效應力和孔隙水壓力傳遞、分布調整，排水量由小增大，變形也逐漸增大；5～400 min為快速固結變形階段，試樣逐漸產生固結變形，孔隙水壓力轉化為有效應力，孔隙水快速排出，因此試樣固結變形增大；400 min后為變形穩定階段，隨著試樣內部孔隙水壓力的消散，孔隙逐漸減小，試樣有效應力增大，固結效果減弱，變形逐漸趨于穩定。

4.1.2 荷載對固結變形的影響

圖6為固結壓力與固結變形的關系曲線，從圖6可以看出，試樣固結變形隨著固結壓力增大而逐漸增大，但固結變形增量逐漸減小。另外，在800 kPa壓力范圍內，s-p曲線沒有呈現明顯的收斂趨勢，也即隨著荷載增加，試樣還會繼續產生固結變形。

圖6 固結壓力p與固結變形s的關系

為評價固結壓力對固結變形的貢獻，引入“變形荷載比”這一概念，定義為相鄰兩級固結壓力所對應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級固結壓力下的變形荷載比，mm/kPa；si、si-1分別為第i、i-1級固結壓力下的固結變形，mm；pi、pi-1分別為第i、i-1級固結壓力，kPa。

固結變形荷載比G與固結壓力p之間的關系曲線如圖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均隨固結壓力p的增大而減小，其變化明顯分為3個區段：Ⅰ區在0～50 kPa，為固結效果理想區，此階段單位荷載的固結變形很大，但衰減極快；Ⅱ區在50～200 kPa，為固結效果一般區，此階段單位荷載的固結變形也比較大，衰減較快；Ⅲ區在>200 kPa以后的范圍，為固結效果欠佳區，此階段隨著荷載的增大，土體內部顆粒骨架已逐漸趨于密實，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，固結變形越來越小。

圖7 固結壓力p與固結變形荷載比G的關系

4.1.3 含水率對固結變形的影響

如圖6所示，從此6條固結壓力與固結變形關系曲線可知，隨含水率增大，固結變形整體呈增大趨勢，因為軟土試樣含水率越大也即孔隙比越大，在相同固結壓力作用下產生的固結變形也越大。

4.2 固結變形參數

4.2.1 壓縮系數

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

時人對禮的地位做出如此高的評價，與他們對實際中禮儀的形式化問題的注意有關。僖三十三年齊國莊子來聘，“自郊勞至于贈賄，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壓力p與壓縮系數av的關系曲線。從圖9可看出：固結壓力在100 kPa以內，不同含水率的海積軟土的壓縮系數變化較大，衰減迅速；固結壓力>100 kPa后，壓縮系數的變化趨于一致，總體都隨固結壓力的增大而呈緩慢減小趨勢。

圖9 固結壓力p與壓縮系數av的關系

4.2.2 固結系數

依據固結試驗數據，采用時間平方根法計算得到含水率為50%～80%的連云港重塑海積軟土的固結系數，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系數在10-5～10-4cm2/s，其表現出相當小的滲透固結特性。

圖10 不同含水率軟土的Cv-p曲線

從圖10還可看出：當含水率小于液限時，因土體強度稍高，若固結壓力較小，則其初期測試固結沉降變形值較小，故試樣25 kPa以內的固結系數較為離散，而當固結壓力變大后，規律性較為明顯，固結系數大多隨固結壓力增大而增大；當含水率大于液限時，固結系數與壓力的規律性相對更好。將含水率高于液限的軟土所對應的固結系數與固結壓力進行擬合，得到Cv-p擬合曲線(圖11)。從圖11可看出，固結系數與固結壓力有很好的對數關系，相關系數均在96%以上。

圖11 海積軟土典型Cv-p曲線擬合關系

(1)含水率為66.3%時，有

Cv=0.346lnp-0.465 (R2=0.961)

(6)

(2)含水率為71.4%時，有

Cv=0.427lnp-0.665 (R2=0.992)

(7)

(3)含水率為78.4%時，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。

5 關于堆載預壓荷載討論

基于連云港海積軟土的固結特性分析，考慮若單純采用堆載預壓法處理該類軟土地基，其經濟合理的預壓荷載應如何取值，為此進行以下討論。

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與固結壓力p之間的關系分析表明：不同含水率(或孔隙比)連云港海積軟土，其固結變形荷載比G隨固結壓力p的增大而減小。固結變形荷載比G隨固結壓力p的變化，可分為3個區段：Ⅰ區在0～50 kPa，為固結沉降效果理想區，此階段單位荷載的固結變形很大，但衰減極快；Ⅱ區在50～200 kPa，為固結效果一般區，此階段單位荷載的固結變形也比較大，衰減較快；Ⅲ區在>200 kPa以后的范圍，為固結效果欠佳區，此階段隨著荷載的增大，土體內部顆粒骨架已逐漸趨于密實，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，固結變形越來越小。

5.2 固結壓力與固結變形的關系

將一維側限固結試驗中不同固結壓力下的固結穩定變形匯總至表4。同時假定800 kPa下的固結穩定變形為固結最終變形值，分別求得各級壓力下的固結穩定變形占最終變形值的百分比，并匯總至表5。

表4 各級固結壓力下的穩定固結變形均值 mm

表5 各級固結壓力下的穩定固結變形占比 %

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

5.3 固結壓力與壓縮系數的關系

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

綜合上述3個方面的分析，可以確定：對于含水量超過液限的連云港海積軟土，單純采用預壓堆載法進行地基處理，經濟合理的預壓荷載應在100 kPa左右。如果要取得更好的預壓效果，應結合塑料排水板、砂井等措施增加固結排水效果。單純依靠增加預壓荷載值的方法是不可取的。

6 研究結論

本文通過室內試驗，對不同含水率條件下的連云港飽和重塑海積軟土的滲透、固結等特性進行了試驗研究，得到以下結論。

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

(2)滲透、固結試驗表明，該飽和重塑軟土的滲透系數與孔隙比呈指數關系，滲透系數對數與孔隙比呈線性關系，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)，固結時間、固結壓力和含水率對該軟土的固結變形有顯著影響。

(3)分析變形荷載比G與固結壓力p的關系得到：不同孔隙比軟土的變形荷載比隨固結壓力的增大而減小；變形荷載比隨固結壓力的變化可分為3個區段：固結沉降效果理想區(0～50 kPa)，固結效果一般區(50～200 kPa)和固結效果欠佳區(>200 kPa)。

(4)采用時間平方根法計算得到該重塑軟土的固結系數為10-5～10-4cm2/s，滲透固結特性差，該重塑海積軟土固結系數與固結壓力的統計關系為Cv=Alnp-B。

(5)若只采用預壓堆載法進行地基處理，經濟合理的堆載壓力宜在100 kPa左右，欲取得更好預壓效果，應結合塑料排水板、砂井等措施來改善固結排水效果。