太湖湖積相黏土高壓固結試驗研究

林 偉，段宏飛，薛曉輝

(1.陜西鐵路工程職業技術學院 建筑工程系，陜西 渭南714000;2.中國礦業大學 資源與地球科學學院，江蘇 徐州221116)

滬寧城際軌道交通婁蘊特大橋昆山西橋段位于江蘇省昆山市境內，里程為DK240+203.80～DK252+279.36，橋梁全長12075.88m。橋址區屬太湖沖湖積平原，地勢平坦開闊，地面高程在－2.70～3.87m之間，最大相對高差約5.2m，地勢較平緩，辟為農田、水塘及菜地。根據區域地質和鉆探資料，地層由第四系全新統人工堆積層、沖湖積層、海積層、瀉湖積層、上更新統沖積層組成，巖性巖相復雜，常發生相變或尖滅。

1 取樣及試驗內容

鐵道第四勘察設計院工程測試中心對婁蘊特大橋昆山西橋段土樣做了高壓固結試驗，本文以其中里程DK251+821.37～DK252+213.99段太湖湖積相黏土為分析研究對象，由于黏土具有比一般材料更加顯著的非線性(模量隨應力的大小而變化)、彈塑性(壓縮變形中既有可恢復的彈性變形又有不可恢復的塑性變形)和剪脹性(剪應力引起的體積變形)，而且由于滲流固結作用，變形的發展有一個時間過程，因此，選取了代表性的土樣進行高壓固結試驗，試驗分析土樣如表1所示。

表1 試驗分析土樣信息

2 試驗成果分析

2.1 e—p曲線及壓縮系數a

將試驗所得數據采用直角坐標系繪制e—p曲線，假設壓力由pi增加至pi+1，相應的孔隙比由ei減小到ei+1，則壓縮系數 a(MPa－1)

當壓力變化不是很大時，可以用它代表這一壓力段內土的壓縮性。實際上，同一壓力段或者不同壓力段的a值是不同的，工程上一般取 p1=100 kPa，p2=200 kPa區間段內的壓縮系數a1－2來評價土的壓縮性，即

取壓力在400 kPa以內不同深度的土樣研究，其 e—p關系曲線見圖1，壓縮系數 a1－2見表2。

圖1 e—p關系曲線

表2 壓縮系數 a1－2

從圖1和表2還可以看到，深度從5.2 m到20.2 m黏土的壓縮系數呈變大趨勢，20.2 m以下黏土的壓縮系數逐漸變小;再由表2可以看出，從5.2 m到57.2 m的不同深度黏土的壓縮系數都大于0.5 MPa－1，僅37.2 m為0.49 MPa－1，說明試樣黏土屬于高壓縮性黏土。

2.2 e—lgp曲線及壓縮指數cc

將孔隙比 e與垂直壓力 p的對數繪制 e—lgp曲線，見圖2。

圖2 e—lgp關系曲線

從圖2不難看出，e—lgp曲線后半段是一直線，其斜率就是壓縮指數cc

結合式(1)、式(3)，可以得出 a與cc的關系，如下:

對應于公式(2)

不同深度的壓縮指數 cc、cc(1－2)見表 3。

表3 壓縮指數 cc、cc(1－2)

從圖2可以看到，e—lgp曲線前半段并非直線，原因是地基土在歷史上經過大的壓力作用。從表3可以看出，深度從5.2 m到57.2 m壓縮指數cc由0.46基本上呈減小趨勢，直至變為0.40，僅在37.2 m處為0.43，稍大于27.2 m處的壓縮指數，但變化不大。

2.3 不同深度的壓縮模量Es曲線

壓縮模量是指在完全側限條件下土的豎向附加應力與相應的豎向應變增量之比值。Es越小，土的壓縮性越高。

試驗取自重壓力pz對應的孔隙比e，1+e1為土樣的起始高度時，Es為

圖3 壓縮模量Es與垂直壓力p關系曲線

圖4 壓縮曲線

從圖3可以看到，同一深度不同垂直壓力p作用下，壓縮模量Es是不一致的，表現出明顯的非線性特征，并且隨著p的加大，Es呈增大的趨勢，但不同深度的壓縮模量的變化規律有一些不同:深度為5.2 m時，在400 kPa以前Es曲線遞增，400 kPa以后 Es呈直線上升;深度為 20.2、27.2、37.2、57.2 m 時，Es基本上呈“S”形曲線遞增。總的來說，Es呈增大的趨勢且遠>4 MPa，而在200 kPa以下 Es都 <4 MPa，說明隨著壓力的增大黏土的壓縮性會發生很大的變化，由高壓縮性向低壓縮性轉變，因為土的壓縮實質上是孔隙水的消散，黏土孔隙比減小(見圖4)、顆粒的擠密過程，地基處理中采用的預壓固結法就是這個道理。

2.4 不同荷載作用壓縮模量曲線

由圖5可以看出，同一垂直壓力p作用下，壓縮模量Es并不是相等的，也沒有簡單地呈一遞增或遞減的趨勢，而是在一個范圍之內有一個上下的波動，主體上呈現某一個數值;觀察壓縮模量Es與深度關系曲線，可以很明顯地看出，隨著垂直壓力的增加，Es呈臺階式的逐步跳躍上升，說明了高壓作用下，黏土顆粒已趨于非常擠密狀態，黏土已由高壓縮性轉變為低壓縮性了，這時工程施工，沉降變形就能夠很好的控制。

圖5 壓縮模量Es與深度關系曲線

3 結語

考慮了黏土材料的非線性、彈塑性和剪脹性特征，而且由于滲流固結作用，變形的發展有一個時間過程，選取了滬寧城際軌道交通婁蘊特大橋昆山西橋段代表性的太湖湖積相黏土土樣進行高壓固結試驗，測出了壓縮系數、壓縮指數、壓縮模量等壓縮性指標，結果表明太湖湖積相黏土屬于高壓縮性軟土，并對不同深度高壓作用下壓縮模量的變化進行了詳細的分析，為工程中預壓固結處理地基的方法提供了試驗基礎佐證。

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