劉維正，李天雄，徐冉冉，葛孟源

(1.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙410075；2.高速鐵路建造技術(shù)國家工程研究中心，湖南 長沙410075；3.珠海交通集團有限公司，廣東 珠海519000)

我國沿海、沿江地區(qū)是高速交通工程密集建設(shè)區(qū)，且分布有大量深厚淤泥和淤泥質(zhì)黏土等軟土。軟土通常表現(xiàn)出含水率高、孔隙比大、剪切強度低、壓縮性高及結(jié)構(gòu)性強等特點[1]，同時還表現(xiàn)出明顯的次固結(jié)特性。珠海濱海相軟土占陸地總面積的50%～60%，厚度在8～40 m之間，最厚達(dá)67.4 m，次固結(jié)特性十分突出，工后變形持續(xù)發(fā)展，對投入運營的基礎(chǔ)設(shè)施帶來不少安全隱患[2]。因此，探明區(qū)域性軟土的次固結(jié)特性，構(gòu)建次固結(jié)系數(shù)與常規(guī)物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)的實用經(jīng)驗關(guān)系，對該地區(qū)工后沉降預(yù)測和控制有非常重要的意義。近年來，學(xué)者們針對軟土次固結(jié)特性展開了一系列的研究，目前研究主要從以下幾個方面展開。1)軟土次固結(jié)變形規(guī)律及影響因素分析。對于天津軟土次固結(jié)特性，雷華陽等[3]通過試驗發(fā)現(xiàn)隨著試樣尺寸的增大，次固結(jié)系數(shù)也在增大；劉景錦[4]通過單項固結(jié)壓縮試驗研究了真空預(yù)壓對軟土次固結(jié)系數(shù)的影響；肖廣平[5]認(rèn)為土體次固結(jié)系數(shù)隨荷載變化的峰值出現(xiàn)在2倍結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力處。對于上海、江蘇等長三角軟土也有相關(guān)研究，秦愛芳等[6]研究了長江口軟土次固結(jié)系數(shù)隨荷載增大的整體變化趨勢；楊亮等[7]對比發(fā)現(xiàn)長江口軟土次固結(jié)系數(shù)高于典型上海軟土次固結(jié)系數(shù)；王婧[8]對珠海軟土試驗研究認(rèn)為軟土次固結(jié)特征和深度無明顯相關(guān)性。2)軟土次固結(jié)變形計算方法研究。DOB等[9]通過類比軟土蠕變模型和循環(huán)蠕變之間的關(guān)系，優(yōu)化了軟土次固結(jié)的沉降計算方法；AZAD SAHIB等[10]利用等效時間法建立三維彈塑性模型來計算軟土的次固結(jié)沉降；HU等[11]基于Bjerrum蠕變圖和次固結(jié)系數(shù)的切線斜率定義，建立了超固結(jié)土次固結(jié)系數(shù)的時間增長模型；LIU等[12]考慮次固結(jié)和溫度2個條件建立了一維非線性固結(jié)控制方程。綜上，對軟土次固結(jié)的研究多集中在上海和天津等地，對于珠三角地區(qū)，尤其珠海軟土次固結(jié)研究相對較少。因此，本文通過獲取珠海地區(qū)不同深度的軟土原狀樣，開展一維次固結(jié)壓縮試驗，探究不同應(yīng)力水平、超固結(jié)比和加荷比對次固結(jié)系數(shù)的影響規(guī)律，并對比沿海地區(qū)軟土次固結(jié)系數(shù)變化規(guī)律，建立珠海軟土次固結(jié)系數(shù)與常規(guī)物理力學(xué)指標(biāo)的經(jīng)驗關(guān)系。

1 試驗土樣與試驗方案

1.1 試樣的基本性質(zhì)

試驗土樣取自珠海橫琴杧洲隧道工程，采用薄壁取土器獲得5個不同深度的土樣，并對土樣蠟封后裝入防震箱進行保護，以減少對軟土的擾動。在室內(nèi)進行土樣基本物理參數(shù)測量，結(jié)果見表1。各土樣天然含水率均超過土體的液限，且土體塑性指數(shù)均在30左右，土體處于流塑狀態(tài)。

室內(nèi)取土制樣及固結(jié)試驗儀如圖1所示。固結(jié)壓縮試驗和一維次固結(jié)試驗通過環(huán)刀取土，試樣直徑61.8 mm，高度20 mm，采用圖1(d)杠桿固結(jié)儀進行固結(jié)。每個深度取7個土樣，其中5個土樣進行次固結(jié)試驗，其余2個進行壓縮試驗，壓縮試驗e-logσv曲線如圖2。

圖1 試驗過程Fig.1 Experimental process diagram

圖2 壓縮e-logσv曲線Fig.2 Compressed e-logσv graph

1.2 試驗方案

為了給實際工程中不同規(guī)模土建結(jié)構(gòu)以及在卸載后的地基上二次建設(shè)時的次固結(jié)沉降規(guī)律以及計算提供試驗參考，每組試樣進行如表2的次固結(jié)試驗。每個深度土樣進行5次試驗，分別為加荷比為1.0，1.5和2.0的次固結(jié)試驗，超固結(jié)比為4.0和8.0的次固結(jié)試驗。不同加荷比試驗從12.5 kPa開始加載，每級加載7 d。不同超固結(jié)比實驗分級加載到400 kPa(800 kPa)，完成預(yù)壓后卸載至0 kPa，待沉降穩(wěn)定后分級加載，其中每級荷載的周期仍為7 d。試驗中精讀過程量。

表2 軟土壓縮與次固結(jié)試驗方案Table 2 Scheme of soft soil compression and secondary consolidation experiment

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 一維次固結(jié)時程曲線特征分析

根據(jù)室內(nèi)原狀軟土次固結(jié)試驗，得到各個深度對應(yīng)的e-lgt曲線。8.5～9.0 m深度土樣次固結(jié)試驗結(jié)果如圖3所示。

從圖3的曲線中可以知道該深度土樣的固結(jié)曲線均呈反S形。曲線后半段切線與曲線反彎點切線的交點對應(yīng)著主固結(jié)和次固結(jié)的分界點。在此之前為主固結(jié)階段，分界點之后為次固結(jié)階段，這一過程主要是土體顆粒骨架在有效應(yīng)力的作用下產(chǎn)生的壓縮變形。

3種不同加荷比的次固結(jié)試驗中，同一加荷比條件下每級荷載產(chǎn)生的孔隙比變化相近。加荷比1.0，1.5和2.0的孔隙比變化范圍分別在0.14～0.19，0.19～0.24和0.24～0.28，這也表明加荷比越大，孔隙比變化越大。超固結(jié)比試驗中預(yù)壓卸荷后的第1次的加載孔隙比變化較大，這說明卸荷回彈部分土體的剛性較低，再次加載產(chǎn)生的變形量較大。

不同加荷比、超固結(jié)比的試驗中土樣各自累計次固結(jié)變形量占各自總的固結(jié)變形量的比例分別為0.246，0.226，0.204，0.210和0.191。這表明次固結(jié)在整個固結(jié)壓縮過程中不可忽略，對實際工程而言，需要注意次固結(jié)對建筑物后期沉降的影響。

2.2 固結(jié)壓力σv對次固結(jié)系數(shù)Cα的影響

圖4為一維次固結(jié)試驗得到的典型e-lgt曲線，這個曲線反映了軟土在荷載作用下的壓縮變形過程。壓縮過程分為主固結(jié)和次固結(jié)兩部分，根據(jù)Casagrande作圖法，次固結(jié)部分軟土的變形和時間對數(shù)基本呈線性關(guān)系，次固結(jié)系數(shù)Ca計算式如下：

式中：Δe為次固結(jié)壓縮階段的孔隙比變化；t1為主固結(jié)完成時刻，通過作圖法確定；t2為壓縮終點時刻。

根據(jù)Casagrande作圖法，得到各個深度土樣在不同條件下的次固結(jié)系數(shù)，并以此為依據(jù)探究固結(jié)壓力σv對次固結(jié)系數(shù)Cα的影響，匯總得到圖5。

由圖5可知，土體次固結(jié)系數(shù)總體在0.013～0.025之間。各深度土樣次固結(jié)系數(shù)與壓力σv的關(guān)系可分為2段：第1段隨著壓力的增大，次固結(jié)系數(shù)首先呈現(xiàn)上升的趨勢，并在一定壓力下達(dá)到峰值；第2段隨著壓力的增大，次固結(jié)系數(shù)減小，最后趨于穩(wěn)定。各土層在壓力為200 kPa左右時，次固結(jié)系數(shù)達(dá)到峰值。

圖5 次固結(jié)系數(shù)與壓力σv關(guān)系曲線Fig.5 Relation curves between secondary consolidation coefficient and pressureσv

結(jié)合前人研究土體次固結(jié)系數(shù)變化主要由2個方面原因造成：第一，土體受到外荷載的作用土骨架原來的結(jié)構(gòu)受到破壞，土體承載能力降低；第二，土體被壓縮后土體顆粒排列更密實，抵抗變形能力提高。在分級加載初期即應(yīng)力較低的情況下，土體骨架強度低，此時土骨架破壞占主導(dǎo)，外力作用下顆粒之間的膠結(jié)力被破壞，在荷載作用下孔隙比變化率較大，次固結(jié)系數(shù)升高。隨著應(yīng)力增大逐漸超過臨界值后，土體顆粒的結(jié)構(gòu)雖然仍有破壞，但這時的土體孔隙比較小，土體顆粒排列緊密，土體剛度提升，土體抵抗變形的能力加大，次固結(jié)系數(shù)減小并達(dá)到相對穩(wěn)定。

2.3 超固結(jié)比對次固結(jié)系數(shù)Cα的影響

超固結(jié)比是指土體歷史上所受到的最大固結(jié)壓力與現(xiàn)存固結(jié)壓力的比值，通常用OCR來表示，不同超固結(jié)比會對土體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。此次室內(nèi)原狀試驗進行了不同超固結(jié)比情況下的次固結(jié)試驗，以此探究超固結(jié)比對次固結(jié)系數(shù)Cα的影響。根據(jù)最大預(yù)壓荷載400 kPa和800 kPa做不同預(yù)壓荷載下的次固結(jié)系數(shù)隨荷載的變化圖。

從圖6可以發(fā)現(xiàn)前期預(yù)壓荷載400 kPa時次固結(jié)系數(shù)整體分布在0.004～0.020之間；前期預(yù)壓荷載800 kPa時，次固結(jié)系數(shù)整體分布在0.003～0.011之間。這說明預(yù)壓荷載越大，次固結(jié)系數(shù)降低的程度越大。同時，2種不同預(yù)壓荷載下的次固結(jié)試驗都表現(xiàn)出隨著荷載增大，次固結(jié)系數(shù)不斷增大的特點，并且隨著加載的進行，次固結(jié)系數(shù)不斷向正常固結(jié)條件下的穩(wěn)定值靠近。

圖6 不同預(yù)壓條件下次固結(jié)系數(shù)與荷載關(guān)系曲線Fig.6 Relationship curves between the secondary consolidation coefficient and the load under different preloading conditions

圖7為不同超固結(jié)比條件下的次固結(jié)系數(shù)變化圖，隨著超固結(jié)比的增大，次固結(jié)系數(shù)都在減小。通過對土體預(yù)先施加荷載，土體孔隙率下降，土體中水和氣體被擠出，土體承載力更多依靠土體自身骨架的作用，土體中顆粒之間的接觸更加緊密，在擠壓等條件下，土體顆粒達(dá)到一個相對穩(wěn)定狀態(tài)，土體剛度增大。卸載后，土體結(jié)構(gòu)雖然有回彈，但相比預(yù)壓前，土體孔隙率仍有大幅度的降低，土顆粒間的排列也更為緊密。在之后的加載中，因土體剛度的提高，土體的主次固結(jié)都有下降。預(yù)壓荷載越大，土體壓縮越密實，卸載后再次加載時，土體產(chǎn)生的次固結(jié)減小，有利于降低土體的次固結(jié)變形。

圖7 次固結(jié)系數(shù)與超固結(jié)比關(guān)系曲線Fig.7 Relation curves between secondary consolidation coefficient and over-consolidation ratio

這一現(xiàn)象在實際工程中具有很強的實用價值。通過對軟弱地層設(shè)置排水板、排水豎井后采用堆載等方法加載預(yù)壓，該過程完成了對軟弱地層的排水預(yù)壓，卸載后可以降低土體的次固結(jié)系數(shù)，由此降低地基的工后沉降。該過程中的超固結(jié)比越大，效果越明顯。

2.4 不同加荷比對軟土次固結(jié)的影響

圖8為6.5～7.0 m深度土樣在不同加荷比條件下隨時間的應(yīng)變曲線。圖中3種不同加荷比試驗第1次加載均為12.5 kPa，每級加載時間均為7 d。加荷比1.0和1.5的土樣最終加載為200 kPa，加荷比2.0的土樣最終加載為112.5 kPa。從圖8中可以看出，每次加載時，在加載初期都有很大的瞬時沉降，在完成瞬時沉降之后的時間里產(chǎn)生總的沉降量較小，并且隨著時間的增長，沉降會逐漸減小并趨于穩(wěn)定。

圖8 加荷比對軟土變形的影響Fig.8 Influence of load ratio on soft soil deformation

對比加荷比1.0和1.5的最終應(yīng)變發(fā)現(xiàn)，二者在最終加載都為200 kPa時，產(chǎn)生的最終應(yīng)變均在0.240左右，這說明軟土在最終荷載相同時，加荷比對軟土的最終沉降量影響相對較小。對比相同時間段的應(yīng)變發(fā)現(xiàn)，分級荷載越大時，產(chǎn)生的應(yīng)變也隨之增大。對于相同初始條件下，軟土的加荷比越大，沉降越大，對變形影響也越大。

2.5 沿海地區(qū)軟土次固結(jié)系數(shù)對比

通過查閱相關(guān)資料得到上海、天津、深圳和廣州地區(qū)相同荷載條件下軟土次固結(jié)系數(shù)平均值[7,13-15]，將數(shù)據(jù)與本文得到的珠海地區(qū)的軟土次固結(jié)系數(shù)進行數(shù)值對比分析，見表3。

表3 不同地區(qū)軟土次固結(jié)系數(shù)均值對比Table 3 Comparison of mean values of Cαfor soft soils in different areas

由表3數(shù)據(jù)可知沿海各地軟土具有相似的性質(zhì)。隨著荷載的增大，軟土次固結(jié)系數(shù)都是先增大，到達(dá)峰值之后，隨著荷載的增大，次固結(jié)系數(shù)下降。

深圳、珠海、廣州3地軟土次固結(jié)系數(shù)的峰值大致都處在100～200 kPa之間。其中，珠海次固結(jié)系數(shù)的峰值更靠近200 kPa，深圳和廣州次固結(jié)系數(shù)的峰值更靠近100 kPa。

珠江三角洲地區(qū)深圳、珠海和廣州3地次固結(jié)系數(shù)在0.015～0.020之間；上海地區(qū)次固結(jié)系數(shù)在0.010～0.015之間；天津地區(qū)次固結(jié)系數(shù)最小，在0.005～0.008之間。珠三角、長三角和天津地區(qū)的軟土次固結(jié)系數(shù)依次在減小。珠三角、長三角和天津地區(qū)的含水率均值分別為73%，44%和40.3%，3地中含水率的整體呈減小趨勢。珠三角地區(qū)軟土的高含水率意味該地承受主要荷載的土顆粒含量相對較小，受到荷載作用后在次固結(jié)階段土體顆粒向緊密排列的變化程度越大，產(chǎn)生的孔隙比變化也越大。以上表明珠三角地區(qū)軟土耐壓縮性能最低，土建工程中需要著重注意珠三角地區(qū)軟土較高的次固結(jié)性。

3 次固結(jié)系數(shù)Cα的經(jīng)驗公式

實際工程中次固結(jié)系數(shù)存在測試不方便的問題，往往需要現(xiàn)場取土轉(zhuǎn)去試驗室做相關(guān)試驗，同時次固結(jié)試驗的時間周期較長，這些都在很大程度上影響著次固結(jié)系數(shù)Cα數(shù)據(jù)的獲取。本文從土體相對容易得到的系列數(shù)據(jù)出發(fā)，探究它們與次固結(jié)系數(shù)的關(guān)系。

3.1 壓縮指數(shù)C c與次固結(jié)系數(shù)Cα的關(guān)系

次固結(jié)系數(shù)Cα與壓縮指數(shù)Cc都反映了土體壓縮變形的性質(zhì)，其中次固結(jié)系數(shù)Cα反映土體次固結(jié)階段的壓縮性能，壓縮指數(shù)Cc主要反映土體主固結(jié)階段性質(zhì)，壓縮指數(shù)Cc計算式如下：

式中：P1和P2為e-logP曲線中直線段起始點和終點對應(yīng)的壓強，Δe為P1和P2對應(yīng)的孔隙比變化。

對于同一土體而言，壓縮指數(shù)Cc和次固結(jié)系數(shù)Cα在數(shù)值上存在一定的規(guī)律。圖9展示了本試驗土體次固結(jié)系數(shù)Cα與壓縮指數(shù)Cc相關(guān)數(shù)值，同時參考深圳[14]和廣州[15]軟土次固結(jié)的研究，對3地軟土次固結(jié)特性做出對比。由圖9知3個地區(qū)Cα與Cc均表現(xiàn)出線性相關(guān)的關(guān)系，廣州、珠海和深圳3個地區(qū)Cα與Cc的比值分別在0.033 8，0.028 2和0.025 1左右。這與MESRI等[16]總結(jié)的土體Cα/Cc的比值在0.025～0.10之間一致。

圖9 次固結(jié)系數(shù)Cα與壓縮指數(shù)C c關(guān)系Fig.9 Relationship between Cαand C c

3.2 含水率w與次固結(jié)系數(shù)Cα的經(jīng)驗公式

結(jié)合珠海地區(qū)相關(guān)論文[8]，土體含水率w與次固結(jié)系數(shù)Cα關(guān)系如圖10所示。圖中二者呈線性相關(guān)關(guān)系，擬合得到的經(jīng)驗公式為：Cα=0.000 2w+0.002 3。軟土含水率越高，土體顆粒間的自由水越多，隨著自由水的增多，在一定程度上弱化了土體顆粒的骨架作用。當(dāng)荷載作用在土體上時，土體發(fā)生變形，孔隙水被排出，原來被排出孔隙水所承擔(dān)的力轉(zhuǎn)移給了土體骨架，這也加大了土體的變形。因此，含水率越高的軟土產(chǎn)生的次固結(jié)變形越大，對應(yīng)的軟土次固結(jié)系數(shù)也越大。

圖10 珠海軟土含水率w與次固結(jié)系數(shù)Cα關(guān)系Fig.10 Relationship between the water content w of Zhuhai soft soil and the secondary consolidation coefficient Cα

3.3 塑性指數(shù)I P與次固結(jié)系數(shù)Cα的經(jīng)驗公式

圖11為土體塑性指數(shù)和次固結(jié)系數(shù)之間的數(shù)值關(guān)系，從圖中可以提看出二者線性相關(guān)。同時土體的塑性指數(shù)分布在29～34之間，這也表明珠海地區(qū)軟土塑性指數(shù)較高，土體顆粒較小。通過擬合，珠海地區(qū)軟土次固結(jié)系數(shù)可以由塑性指數(shù)表示為：Cα=0.001 2IP?0.021 2。

圖11 土體塑性指數(shù)I P與次固結(jié)系數(shù)Cα關(guān)系Fig.11 Relationship between soil plasticity index I P and secondary consolidation coefficient Cα

塑性指數(shù)是衡量黏性土體物理性質(zhì)的一個重要參數(shù)，它很好地反映了土體的物質(zhì)組成。當(dāng)塑性指數(shù)越高時，細(xì)顆粒土的含量越大，顆粒對應(yīng)的比表面積也越大，細(xì)顆粒間有更厚的結(jié)合水膜，因此在持續(xù)荷載的作用下，軟土?xí)懈蟮娜渥?，對?yīng)的次固結(jié)系數(shù)也越大。

4 結(jié)論

1)對不同深度的土樣進行次固結(jié)試驗，對應(yīng)的e-lg t曲線呈反S型，其中次固結(jié)變形量占整個固結(jié)變形量的1/4，在整個壓縮過程中不可忽略，且珠海地區(qū)相比長三角和天津地區(qū)有更明顯的次固結(jié)特性。

2)軟土次固結(jié)系數(shù)與壓力的關(guān)系可分為2個階段。隨著壓力的增大，次固結(jié)系數(shù)先增加；在壓力為200 kPa左右時，次固結(jié)系數(shù)到達(dá)峰值，之后隨壓力的增大，次固結(jié)系數(shù)逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定。

3)軟土預(yù)壓后，次固結(jié)系數(shù)在減小，隨著后期繼續(xù)加載，次固結(jié)系數(shù)接近正常次固結(jié)系數(shù)穩(wěn)定值。軟土的次固結(jié)系數(shù)隨著超固結(jié)比的增大而減小，且減小的程度也隨超固結(jié)比增大而增大，可利用這一原理對地基進行超載預(yù)壓，以減小工程的后期沉降量。

4)軟土在相同初始條件下，加荷比越大，沉降量越大，對軟土變形影響越大。當(dāng)土體受到的最終荷載相同時，加荷比對土體的最終沉降量影響較小。

5)結(jié)合本文及相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)建立了軟土次固結(jié)系數(shù)Cα與壓縮指數(shù)Cc，含水率w，土體塑性指數(shù)IP之間的經(jīng)驗公式，可根據(jù)經(jīng)驗公式為軟基處理初步設(shè)計次固結(jié)參數(shù)選取提供參考依據(jù)。