張先偉，王常明

（1.吉林大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130000；2.中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430071）

1 引 言

軟土在荷載作用下產(chǎn)生較大的變形，可分為主固結(jié)和次固結(jié)變形兩部分。主固結(jié)是指在外荷作用下，超靜孔隙水壓力逐漸消散，土骨架有效應(yīng)力隨之增加的土體固結(jié)過(guò)程。次固結(jié)是在超靜孔隙水壓力消散后，在恒定有效應(yīng)力作用下土體變形的過(guò)程。對(duì)于有機(jī)質(zhì)含量較高、高塑性的軟土地基，由于次壓縮引起的工后沉降不容忽視。

為了深入了解結(jié)構(gòu)性土的次固結(jié)特性，必須研究軟土次固結(jié)的產(chǎn)生與發(fā)展變化。很多學(xué)者對(duì)軟土次固結(jié)特性展開(kāi)了研究，高彥斌[1]對(duì)上海飽和軟黏土的重塑土樣進(jìn)行室內(nèi)長(zhǎng)期一維壓縮試驗(yàn)，研究了應(yīng)力歷史、加載比以及加載時(shí)間對(duì)次壓縮系數(shù)Ca值的影響；殷宗澤[2]重點(diǎn)研究了荷載對(duì)次固結(jié)特性的影響；廖紅建[3]考察不同最大排水距離和加載時(shí)間間隔對(duì)次固結(jié)過(guò)程的影響；李國(guó)維[4]對(duì)軟土重塑試樣進(jìn)行了超載卸荷后再壓縮過(guò)程的一維壓縮試驗(yàn)，討論了荷載穩(wěn)定后的工后次壓縮沉降問(wèn)題。但關(guān)于次固結(jié)特性的一些結(jié)論并不相同，例如次固結(jié)系數(shù)隨壓應(yīng)力的增大而表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律[5－10]，說(shuō)明軟土次固結(jié)特性非常復(fù)雜，受土性、試驗(yàn)方法等因素影響較大，另外一個(gè)重要原因是沒(méi)有考慮軟土的結(jié)構(gòu)性所帶來(lái)的影響。

天然沉積的軟土一般具有結(jié)構(gòu)性，軟土的結(jié)構(gòu)性對(duì)固結(jié)階段變形的影響已經(jīng)有深入了解，而對(duì)于次固結(jié)階段變形，特別是描述次固結(jié)特性的重要參數(shù)Ca有何影響的研究卻很少[11]。

本文通過(guò)對(duì)漳州與青島地區(qū)軟土進(jìn)行高壓固結(jié)試驗(yàn)與一維固結(jié)蠕變?cè)囼?yàn)，重點(diǎn)研究軟土結(jié)構(gòu)性對(duì)壓縮曲線、次固結(jié)系數(shù)以及次固結(jié)系數(shù)與壓縮指數(shù)關(guān)系的影響。

2 土樣性質(zhì)及次固結(jié)試驗(yàn)

2.1 土樣性質(zhì)

軟土試樣取于漳州開(kāi)發(fā)區(qū)內(nèi)、九龍江出?？谀习渡?1～20.5 m，屬于第四系全新世海陸交互相軟土，深灰色，滑膩～光滑，含有機(jī)質(zhì)，稍具臭味，間夾有1～5 cm厚的中細(xì)砂或貝殼砂薄層，呈流塑狀態(tài)；取于青島市市區(qū)內(nèi)某工地深約5～6 m，屬于第四系全新世濱海相軟土，呈灰色，富含有機(jī)質(zhì)。土樣基本物理性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表 1，其中強(qiáng)度指標(biāo)通過(guò)三軸固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)獲得?？梢?jiàn)，兩種試樣都具有軟土工程特征，表現(xiàn)為高含水率、大孔隙比、強(qiáng)度指標(biāo)低、高壓縮性和高飽和度。

2.2 試驗(yàn)方法

次固結(jié)試驗(yàn)主要是針對(duì)原狀土和重塑土進(jìn)行的高壓固結(jié)試驗(yàn)與對(duì)原狀土進(jìn)行的一維固結(jié)蠕變?cè)囼?yàn)。試驗(yàn)儀器采用杠桿式高壓固結(jié)儀，試樣面積為32.2 cm2，高為2 cm，都在雙面排水條件下采用逐級(jí)加荷（加荷比為 1）至試驗(yàn)完成。所不同的是高壓固結(jié)試驗(yàn)加入卸載再加載過(guò)程，每級(jí)荷載持續(xù)1 d，一維固結(jié)蠕變?cè)囼?yàn)中當(dāng)試樣1 d內(nèi)變形量小于0.01 mm時(shí)，施加下一級(jí)荷載。

高壓固結(jié)試驗(yàn)加荷方案為：12.5→25→50→75→100→200→400→200→100→0→100→200→400→800→1600 kPa；一維固結(jié)蠕變?cè)囼?yàn)加荷方案為：12.5→25→50→100→200→400→800→1600 kPa。

考慮當(dāng)軟土結(jié)構(gòu)屈服壓力σk較小、施加壓力較大時(shí)，會(huì)很難在壓縮曲線上找到明顯拐點(diǎn)，難以確定σk，因此，設(shè)計(jì)試驗(yàn)的初始施加幾級(jí)的壓力都比較小。

2.3 應(yīng)力歷史

土的應(yīng)力歷史狀態(tài)主要通過(guò)先期固結(jié)壓力 Pc和超固結(jié)比OCR等指標(biāo)來(lái)反映的。根據(jù)Casagrande法得到漳州軟土 Pc約為107 kPa，青島軟土 Pc約為90 kPa；所受上覆壓力σz分別為：98.2、88 kPa，由此判定為超固結(jié)土。而由收集的地質(zhì)資料得知，兩種軟土都是第四紀(jì)后期形成的，在此期間所沉積的土基本沒(méi)有受到剝蝕，也未受過(guò)人工堆載，所受的上覆壓力是歷史上的最大壓力，且Pc與σz數(shù)值上接近，應(yīng)屬于正常固結(jié)土。何俊[8]對(duì)杭州和漢口地區(qū)正常固結(jié)軟土通過(guò)同樣的方法也得到OCR＞1的結(jié)論。其實(shí)軟土正常固結(jié)的天然沉積軟土的OCR＞1的現(xiàn)象，正是由土的結(jié)構(gòu)性影響引起的，與由應(yīng)力歷史引起的超固結(jié)比有著本質(zhì)上的區(qū)別，是一種“假超固結(jié)”現(xiàn)象。由此，一些學(xué)者指出對(duì)于結(jié)構(gòu)性土，根據(jù) Casagrande法得到 Pc應(yīng)該是結(jié)構(gòu)屈服壓力σk[8,12]，而σk與σz的比值應(yīng)為似超固結(jié)比，且絕大多數(shù)天然沉積黏土似超固結(jié)比都大于1[12]。

3 軟土結(jié)構(gòu)性對(duì)壓縮曲線影響

圖1為兩種軟土原狀樣與重塑樣的壓縮曲線，可見(jiàn)原狀土壓縮曲線較重塑樣壓縮曲線存在明顯的拐點(diǎn)，說(shuō)明試驗(yàn)采用的軟土具有結(jié)構(gòu)性。采用Casagrande法確定σk，當(dāng)壓力P超出σk，壓縮性變得更高，結(jié)構(gòu)性的破壞會(huì)使壓縮量急劇增大。

從圖1中可見(jiàn)，原狀土壓縮曲線大致可分3段[12]，即平緩段、陡降段和趨于重塑土壓縮曲線段。壓縮初始階段（ P＜σk），曲線平緩，結(jié)構(gòu)基本保持完好狀態(tài)下變形，但不能排除少量的破損，認(rèn)為變形基本上為彈性變形；當(dāng) P＞σk時(shí)，結(jié)構(gòu)開(kāi)始破壞，曲線出現(xiàn)陡降趨勢(shì)，在較大的壓力作用下，除了顆粒之間的滑移外，還伴隨著結(jié)構(gòu)的塌陷，土的壓縮性大大增加；隨著P進(jìn)一步增大，變形不斷增加，顆粒間滑移成為變形主要原因，表現(xiàn)為原狀樣壓縮曲線與重塑樣壓縮曲線趨于一致。而重塑樣壓縮曲線基本上為一直線，這是由于重塑樣已失去了土的結(jié)構(gòu)性的影響。

圖1 結(jié)構(gòu)性軟土的壓縮曲線Fig.1 Compression curves of structural soft clay

由于軟土結(jié)構(gòu)性的存在，在卸荷時(shí)起到阻止土體膨脹的作用，這使結(jié)構(gòu)性土的回彈性質(zhì)更類似于彈性體，即卸載再加載過(guò)程對(duì)結(jié)構(gòu)性土的壓縮性影響不大，壓縮曲線上沒(méi)有其他類土那樣的明顯滯回圈。

4 結(jié)構(gòu)性軟土的次固結(jié)系數(shù)

本文采用下式來(lái)計(jì)算次固結(jié)系數(shù)Ca：

式中：tc、t分別為從加載開(kāi)始起算的主固結(jié)完成時(shí)間和其后某時(shí)間；Δes為對(duì)應(yīng)于時(shí)間tc至t土樣的孔隙變化值。

圖2為根據(jù)青島軟土原狀土一維固結(jié)蠕變?cè)囼?yàn)得到的e-lgt曲線，由此可確定主固結(jié)完成時(shí)間，即各級(jí)壓力下曲線彎點(diǎn)處對(duì)應(yīng)時(shí)刻作為該級(jí)壓力下主固結(jié)結(jié)束和次固結(jié)變形的開(kāi)始，次固結(jié)階段曲線的斜率就是次固結(jié)系數(shù)。周秋娟[13]從研究中得到加荷比、固結(jié)程度、滲透性對(duì)主次固結(jié)的區(qū)分界限有影響。從圖2中發(fā)現(xiàn)，相對(duì)而言，在較大壓力作用下主次固結(jié)的分界不太明顯，這主要是土體在積累荷載作用下固結(jié)程度較大，再施加壓力時(shí)，土體的壓縮量減小，使主固結(jié)部分變形也明顯減小，此時(shí)土體變形主要產(chǎn)生于次固結(jié)，壓縮曲線不再存在明顯的反彎點(diǎn)。另外，壓縮過(guò)程中土的滲透性降低，造成孔隙水的消散隨荷載的增大而變得越來(lái)越慢，這也會(huì)造成主次固結(jié)界限不明顯。

根據(jù)以上方法得到漳州軟土與青島軟土原狀土的次固結(jié)系數(shù)值匯于表2。

圖2 結(jié)構(gòu)性軟土的e-lgt曲線Fig.2 e-lgt curves of structural soft clay

圖 3為結(jié)構(gòu)性軟土次固結(jié)系數(shù)與壓力關(guān)系曲線。高壓固結(jié)試驗(yàn)每級(jí)荷載持續(xù)1 d，一維固結(jié)蠕變?cè)囼?yàn)每級(jí)荷載持續(xù)3～4 d，從圖中可見(jiàn)，根據(jù)加載時(shí)間長(zhǎng)的一維固結(jié)蠕變?cè)囼?yàn)得到的Ca要小一些，這是因?yàn)榧虞d時(shí)間越長(zhǎng)，試樣的固結(jié)程度增強(qiáng)，土樣越來(lái)越密實(shí)，相應(yīng)的次固結(jié)系數(shù)也減小。

由于式（1）中參數(shù)不包含 P，因此，對(duì)Ca早期的研究推論Ca與P無(wú)關(guān)[2]，而通過(guò)表2與圖3分析可知，原狀軟土的Ca與P關(guān)系密切。

雷華陽(yáng)[5]對(duì)天津海積軟土，周秋娟[6]對(duì)廣州南沙軟土，侯曉亮[7]對(duì)南京河西地區(qū)淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，何俊[8]對(duì)杭州軟土、漢口軟土，馮志剛[9]對(duì)寧波軟土，余湘娟[10]對(duì)汕汾及汕揭公路路基軟土的Ca與P的關(guān)系的研究結(jié)論認(rèn)為：P較小時(shí)，Ca隨P增大而增大，Ca在 P=Pc時(shí)達(dá)到最大值，此后Ca隨 P的增大而略有減小或不變，Ca受P的影響較小。這些結(jié)論基本上與本文結(jié)論一致，但這些研究并沒(méi)有考慮結(jié)構(gòu)性的影響作用。

5 軟土結(jié)構(gòu)性對(duì)次固結(jié)系數(shù)影響分析

那么，是什么原因造成Ca變化具有階段性?，并有峰值產(chǎn)生的現(xiàn)象？

一些學(xué)者通過(guò)Bjerrum等時(shí)曲線理論對(duì)軟土的Ca隨P的變化規(guī)律進(jìn)行了分析[1]。1972年，Bjerrum用平行直線近似代替正常固結(jié)土壓縮試驗(yàn)的e-lgP等時(shí)曲線，并設(shè)想1至10000年時(shí)的e-lgP等時(shí)曲線同樣為平行直線[14]，其關(guān)系見(jiàn)圖 4。一些研究者通過(guò)此理論提出了使用于多種荷載作用下的新的次固結(jié)計(jì)算方法[2]，但根據(jù)此理論對(duì)于此理論仍有一些問(wèn)題無(wú)法解釋，如在高壓力下，土體已經(jīng)很密實(shí)了，但仍有很大可能產(chǎn)生次壓縮變形，這顯然是不符合實(shí)際的。同時(shí)圖4表示的是Ca跟荷載增量與加荷比無(wú)關(guān)，而本文分析得到Ca受 P影響較大。為此，余湘娟[10]將Bjerrum的模型進(jìn)行修正，采用一組斜率隨荷載而減小的e-lgP線來(lái)代替平行線，但對(duì)軟土在 P接近 Pc附近時(shí)Ca產(chǎn)生的峰值現(xiàn)象無(wú)法描述。

圖4 Bjerrum提出的不同歷時(shí)壓縮曲線Fig.4 e-lgP curves under different times proposed by Bjerrum

隨著研究的深入，殷宗澤[2]與余湘娟[10]從超固結(jié)角度對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行了研究，認(rèn)為當(dāng) P＜Pc時(shí)為超固結(jié)狀態(tài)，次壓縮量是非常小的，隨著P的逐漸增大，土體愈來(lái)愈接近正常固結(jié)土，Ca會(huì)增大。當(dāng)P＞Pc時(shí)為正常固結(jié)土，隨著荷載的增大，正常固結(jié)土逐漸密實(shí)，能夠壓縮的孔隙體積是逐漸減小的，不僅主固結(jié)壓縮量會(huì)減小，次固結(jié)壓縮量也會(huì)減小，相應(yīng)地次固結(jié)系數(shù)也減小。這種解釋方法對(duì)于一般軟土是適用的，而對(duì)于強(qiáng)結(jié)構(gòu)性軟土并不一定適合，通過(guò)前面分析可知，根據(jù)傳統(tǒng)方法確定的 Pc而確定的超固結(jié)比（OCR）以及據(jù)此對(duì)土壓密狀態(tài)的判斷往往會(huì)出現(xiàn)矛盾的結(jié)論。Hanzawa[15]和劉元雪[16]的研究也指出由化學(xué)膠結(jié)導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)性會(huì)使欠壓密土體表現(xiàn)出“假”超固結(jié)特性，此時(shí)結(jié)構(gòu)性土與真正的超固結(jié)土的力學(xué)特性是有差異的。

圖5為根據(jù)高壓固結(jié)試驗(yàn)得到的青島軟土原狀土與重塑土的Ca與 P關(guān)系曲線。結(jié)合圖 1與圖 5分析重塑土變形規(guī)律與原狀土大致相同，變形沉降量主要以主固結(jié)為主，但在相同荷載作用下，重塑土的孔隙比明顯小于原狀土的孔隙比，說(shuō)明重塑土的累積變形量大于原狀土的累積變形量，并且次固結(jié)過(guò)程也較長(zhǎng)，這說(shuō)明擾動(dòng)后的土體壓縮性增加的同時(shí)，次固結(jié)變形量所占比例也隨著增加。對(duì)于結(jié)構(gòu)性軟土，沉降計(jì)算中應(yīng)充分考慮土體被施工擾動(dòng)的情況，以合理地計(jì)算次固結(jié)變形量。

如表2中所示，在相同的荷載作用下，青島軟土原狀土Ca變化范圍是0.006～0.019，而重塑土Ca變化范圍是0.004～0.007，其值明顯小于原狀土Ca值，而重塑土Ca整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中變化幅度不大，在計(jì)算次固結(jié)變形量時(shí)可視為常數(shù)。通過(guò)前面分析可知，通過(guò)傳統(tǒng)方法得到的Pc其實(shí)應(yīng)該是σk，而原狀土與重塑土最大的區(qū)別就是有無(wú)結(jié)構(gòu)性。因此，可以斷定土的結(jié)構(gòu)性對(duì)Ca的變化規(guī)律有重要的影響。

圖5 青島軟土原狀土與重塑土的次固結(jié)系數(shù)與壓力關(guān)系曲線Fig.5 Curves of secondary consolidation coefficients of undisturbed and remolded Qingdao soft clay samples

殷宗澤[2]將正常超固結(jié)土的e-lgP曲線以先期固結(jié)壓力為界分為兩段，即超固結(jié)階段和正常固結(jié)階段。通過(guò)前述分析可知，結(jié)構(gòu)性軟土的e-lgP曲線應(yīng)分為3段。由此可得結(jié)構(gòu)土的次固結(jié)系數(shù)隨固結(jié)壓力變化示意圖如圖6所示[11]，設(shè)原狀土的次固結(jié)系數(shù)表示為Ca，最大值表示為Ca0，重塑土次固結(jié)系數(shù)表示為Ca2。結(jié)構(gòu)性軟土的Ca的峰值對(duì)應(yīng)的壓力不是Pc而是結(jié)構(gòu)屈服強(qiáng)度σk，在σk前后土體表現(xiàn)的工程特性變化非常顯著。當(dāng) P＜σk時(shí)，壓縮曲線表現(xiàn)為平緩的AB段，軟土的結(jié)構(gòu)性能抵抗外力的變化，軟土的結(jié)構(gòu)性越強(qiáng)，對(duì)次固結(jié)變形的阻礙越強(qiáng)。從表2可以看到，在非常小的壓力（12.5 kPa）作用下，原狀土的Ca甚至比重塑土的Ca2還要小，在圖6中表現(xiàn)為當(dāng) P＜P1時(shí)，原狀土的 Ca＜Ca2。隨著時(shí)間的增長(zhǎng)和壓力的增大，主固結(jié)效應(yīng)越來(lái)越弱，次固結(jié)壓縮在變形中占主導(dǎo)地位，Ca逐漸增大；當(dāng)P=σk時(shí)，Ca達(dá)到最大值Ca0；當(dāng)σk＜P ＜P2時(shí)，壓縮曲線進(jìn)入陡降的BC段，土的原始結(jié)構(gòu)被大量破壞，結(jié)構(gòu)性對(duì)次固結(jié)的阻礙作用逐漸減弱，Ca略有下降。當(dāng) P2＜P后，壓縮曲線進(jìn)入第3階段，此時(shí)原狀土與無(wú)結(jié)構(gòu)性的重塑土完全一樣了，Ca不再隨 P的增大而改變，都等于重塑土的次固結(jié)系數(shù)Ca2，正如圖6體現(xiàn)的隨著次固結(jié)壓縮的逐漸發(fā)展，當(dāng)P增大某一值時(shí)，原狀土與重塑土的Ca值最終會(huì)趨于一致。

圖6 次固結(jié)系數(shù)隨壓力變化示意圖Fig.6 Variation of secondary consolidation coefficients with consolidation pressures

6 軟土結(jié)構(gòu)性對(duì)次固結(jié)系數(shù)與壓縮指數(shù)比值的影響

Walker通過(guò)Leda黏土的試驗(yàn)數(shù)據(jù)首先發(fā)現(xiàn)次固結(jié)系數(shù)Ca與壓縮指數(shù)Cc的關(guān)系近似滿足Ca/Cc=0.025[17]。此后，Mesri[18]總結(jié)并對(duì)比了22種黏土次固結(jié)試驗(yàn)結(jié)果指出，對(duì)于同一種原狀黏土，Ca/ Cc基本為一常數(shù)，其值在 0.025～0.1之間。BRENDAN通過(guò)對(duì)11種軟土進(jìn)行一維壓縮試驗(yàn)得到含碳酸鈣較多的泥灰土的 Ca/Cc=0.02，泥炭土的 Ca/ Cc=0.03～0.05，富含有機(jī)質(zhì)土的 Ca/Cc=0.05～0.06[19]。

由于Ca的傳統(tǒng)確定方法工作量大，且有一定的人為誤差，而采用 Ca/Cc來(lái)確定Ca更加簡(jiǎn)單和準(zhǔn)確，進(jìn)而為確定本構(gòu)模型參數(shù)或工程設(shè)計(jì)服務(wù)。

為了研究Ca與Cc的相互關(guān)系，Ca由e-lgt曲線確定，Cc由e-lgt曲線上相鄰兩點(diǎn)的割線斜率確定。由此方法整理得到圖 7，漳州軟土、青島軟土的Ca與Cc大體上滿足線性關(guān)系，Ca/Cc值近似為0.026、0.014，可見(jiàn)漳州軟土的 Ca/Cc值遠(yuǎn)大于青島軟土的 Ca/Cc值，由于天然孔隙比e0對(duì)軟土的壓縮性影響較大，這可能與青島軟土的e0明顯小于漳州軟土的e0有關(guān)。以往對(duì)軟土的Ca與Cc的線性關(guān)系擬合程度非常好，相關(guān)系數(shù) R2普遍能達(dá)到 0.95以上[1,5－6,9]，而從圖7中發(fā)現(xiàn)本文試驗(yàn)數(shù)據(jù)較離散，線性擬合的相關(guān)系數(shù)也并不是很大，這正由是軟土結(jié)構(gòu)性所造成的，在σk前后，結(jié)構(gòu)性軟土的壓縮性變化較大，Ca變化也不同，這說(shuō)明結(jié)構(gòu)性軟土的次固結(jié)特性非常復(fù)雜，利用 Ca/Cc比值來(lái)估算Ca時(shí)需慎重考慮。

圖7 次固結(jié)系數(shù)與壓縮指數(shù)關(guān)系曲線Fig.7 Curves of secondary consolidation coefficient ratio versus compression index

7 結(jié) 論

（1）結(jié)構(gòu)性軟土的壓縮曲線分為平緩段、陡降段和趨于重塑土壓縮曲線段3段，卸載再加載過(guò)程對(duì)結(jié)構(gòu)性土的壓縮性影響不大。隨著荷載P的增大，土體的固結(jié)程度增大，滲透系數(shù)減小，主次固結(jié)的分界越不明顯。

（2）由于軟土結(jié)構(gòu)性的影響，正常固結(jié)的天然沉積軟土可能存在OCR＞1的現(xiàn)象，根據(jù)OCR對(duì)土壓密狀態(tài)的判斷可能出現(xiàn)錯(cuò)誤的結(jié)論。因此，從超固結(jié)角度對(duì)結(jié)構(gòu)性軟土Ca變化規(guī)律進(jìn)行解釋并不合理。

（3）由于軟土在不同荷載P作用下結(jié)構(gòu)破損的程度不同，漳州軟土與青島軟土在荷載P較小時(shí)，Ca隨P增大而增大，Ca在P=σk時(shí)達(dá)到最大值，此后Ca隨σk的增大而減小，Ca受P的影響較小。而重塑土由于失去了結(jié)構(gòu)性的影響，Ca受P的影響較小，Ca值可視為常數(shù)。

（4）由于σk前后，結(jié)構(gòu)性軟土的壓縮性與Ca變化較復(fù)雜，在確定本構(gòu)模型參數(shù)和工程設(shè)計(jì)中，采用 Ca/ Cc來(lái)確定Ca值有一定的誤差。

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