軟土結構性對次固結系數的影響

張先偉，王常明

（1.吉林大學 建設工程學院，長春 130000；2.中國科學院武漢巖土力學研究所 巖土力學與工程國家重點實驗室，武漢 430071）

1 引 言

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

為了深入了解結構性土的次固結特性，必須研究軟土次固結的產生與發展變化。很多學者對軟土次固結特性展開了研究，高彥斌[1]對上海飽和軟黏土的重塑土樣進行室內長期一維壓縮試驗，研究了應力歷史、加載比以及加載時間對次壓縮系數Ca值的影響；殷宗澤[2]重點研究了荷載對次固結特性的影響；廖紅建[3]考察不同最大排水距離和加載時間間隔對次固結過程的影響；李國維[4]對軟土重塑試樣進行了超載卸荷后再壓縮過程的一維壓縮試驗，討論了荷載穩定后的工后次壓縮沉降問題。但關于次固結特性的一些結論并不相同，例如次固結系數隨壓應力的增大而表現出不同的變化規律[5－10]，說明軟土次固結特性非常復雜，受土性、試驗方法等因素影響較大，另外一個重要原因是沒有考慮軟土的結構性所帶來的影響。

天然沉積的軟土一般具有結構性，軟土的結構性對固結階段變形的影響已經有深入了解，而對于次固結階段變形，特別是描述次固結特性的重要參數Ca有何影響的研究卻很少[11]。

本文通過對漳州與青島地區軟土進行高壓固結試驗與一維固結蠕變試驗，重點研究軟土結構性對壓縮曲線、次固結系數以及次固結系數與壓縮指數關系的影響。

2 土樣性質及次固結試驗

2.1 土樣性質

軟土試樣取于漳州開發區內、九龍江出海口南岸深11～20.5 m，屬于第四系全新世海陸交互相軟土，深灰色，滑膩～光滑，含有機質，稍具臭味，間夾有1～5 cm厚的中細砂或貝殼砂薄層，呈流塑狀態；取于青島市市區內某工地深約5～6 m，屬于第四系全新世濱海相軟土，呈灰色，富含有機質。土樣基本物理性質指標見表 1，其中強度指標通過三軸固結不排水剪切試驗獲得。可見，兩種試樣都具有軟土工程特征，表現為高含水率、大孔隙比、強度指標低、高壓縮性和高飽和度。

2.2 試驗方法

次固結試驗主要是針對原狀土和重塑土進行的高壓固結試驗與對原狀土進行的一維固結蠕變試驗。試驗儀器采用杠桿式高壓固結儀，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加荷（加荷比為 1）至試驗完成。所不同的是高壓固結試驗加入卸載再加載過程，每級荷載持續1 d，一維固結蠕變試驗中當試樣1 d內變形量小于0.01 mm時，施加下一級荷載。

高壓固結試驗加荷方案為：12.5→25→50→75→100→200→400→200→100→0→100→200→400→800→1600 kPa；一維固結蠕變試驗加荷方案為：12.5→25→50→100→200→400→800→1600 kPa。

考慮當軟土結構屈服壓力σk較小、施加壓力較大時，會很難在壓縮曲線上找到明顯拐點，難以確定σk，因此，設計試驗的初始施加幾級的壓力都比較小。

2.3 應力歷史

土的應力歷史狀態主要通過先期固結壓力 Pc和超固結比OCR等指標來反映的。根據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，由此判定為超固結土。而由收集的地質資料得知，兩種軟土都是第四紀后期形成的，在此期間所沉積的土基本沒有受到剝蝕，也未受過人工堆載，所受的上覆壓力是歷史上的最大壓力，且Pc與σz數值上接近，應屬于正常固結土。何俊[8]對杭州和漢口地區正常固結軟土通過同樣的方法也得到OCR＞1的結論。其實軟土正常固結的天然沉積軟土的OCR＞1的現象，正是由土的結構性影響引起的，與由應力歷史引起的超固結比有著本質上的區別，是一種“假超固結”現象。由此，一些學者指出對于結構性土，根據 Casagrande法得到 Pc應該是結構屈服壓力σk[8,12]，而σk與σz的比值應為似超固結比，且絕大多數天然沉積黏土似超固結比都大于1[12]。

3 軟土結構性對壓縮曲線影響

圖1為兩種軟土原狀樣與重塑樣的壓縮曲線，可見原狀土壓縮曲線較重塑樣壓縮曲線存在明顯的拐點，說明試驗采用的軟土具有結構性。采用Casagrande法確定σk，當壓力P超出σk，壓縮性變得更高，結構性的破壞會使壓縮量急劇增大。

從圖1中可見，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，結構基本保持完好狀態下變形，但不能排除少量的破損，認為變形基本上為彈性變形；當 P＞σk時，結構開始破壞，曲線出現陡降趨勢，在較大的壓力作用下，除了顆粒之間的滑移外，還伴隨著結構的塌陷，土的壓縮性大大增加；隨著P進一步增大，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構性的影響。

圖1 結構性軟土的壓縮曲線Fig.1 Compression curves of structural soft clay

由于軟土結構性的存在，在卸荷時起到阻止土體膨脹的作用，這使結構性土的回彈性質更類似于彈性體，即卸載再加載過程對結構性土的壓縮性影響不大，壓縮曲線上沒有其他類土那樣的明顯滯回圈。

4 結構性軟土的次固結系數

本文采用下式來計算次固結系數Ca：

式中：tc、t分別為從加載開始起算的主固結完成時間和其后某時間；Δes為對應于時間tc至t土樣的孔隙變化值。

圖2為根據青島軟土原狀土一維固結蠕變試驗得到的e-lgt曲線，由此可確定主固結完成時間，即各級壓力下曲線彎點處對應時刻作為該級壓力下主固結結束和次固結變形的開始，次固結階段曲線的斜率就是次固結系數。周秋娟[13]從研究中得到加荷比、固結程度、滲透性對主次固結的區分界限有影響。從圖2中發現，相對而言，在較大壓力作用下主次固結的分界不太明顯，這主要是土體在積累荷載作用下固結程度較大，再施加壓力時，土體的壓縮量減小，使主固結部分變形也明顯減小，此時土體變形主要產生于次固結，壓縮曲線不再存在明顯的反彎點。另外，壓縮過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越慢，這也會造成主次固結界限不明顯。

根據以上方法得到漳州軟土與青島軟土原狀土的次固結系數值匯于表2。

圖2 結構性軟土的e-lgt曲線Fig.2 e-lgt curves of structural soft clay

圖 3為結構性軟土次固結系數與壓力關系曲線。高壓固結試驗每級荷載持續1 d，一維固結蠕變試驗每級荷載持續3～4 d，從圖中可見，根據加載時間長的一維固結蠕變試驗得到的Ca要小一些，這是因為加載時間越長，試樣的固結程度增強，土樣越來越密實，相應的次固結系數也減小。

由于式（1）中參數不包含 P，因此，對Ca早期的研究推論Ca與P無關[2]，而通過表2與圖3分析可知，原狀軟土的Ca與P關系密切。

雷華陽[5]對天津海積軟土，周秋娟[6]對廣州南沙軟土，侯曉亮[7]對南京河西地區淤泥質粉質黏土，何俊[8]對杭州軟土、漢口軟土，馮志剛[9]對寧波軟土，余湘娟[10]對汕汾及汕揭公路路基軟土的Ca與P的關系的研究結論認為：P較小時，Ca隨P增大而增大，Ca在 P=Pc時達到最大值，此后Ca隨 P的增大而略有減小或不變，Ca受P的影響較小。這些結論基本上與本文結論一致，但這些研究并沒有考慮結構性的影響作用。

5 軟土結構性對次固結系數影響分析

那么，是什么原因造成Ca變化具有階段性?，并有峰值產生的現象？

一些學者通過Bjerrum等時曲線理論對軟土的Ca隨P的變化規律進行了分析[1]。1972年，Bjerrum用平行直線近似代替正常固結土壓縮試驗的e-lgP等時曲線，并設想1至10000年時的e-lgP等時曲線同樣為平行直線[14]，其關系見圖 4。一些研究者通過此理論提出了使用于多種荷載作用下的新的次固結計算方法[2]，但根據此理論對于此理論仍有一些問題無法解釋，如在高壓力下，土體已經很密實了，但仍有很大可能產生次壓縮變形，這顯然是不符合實際的。同時圖4表示的是Ca跟荷載增量與加荷比無關，而本文分析得到Ca受 P影響較大。為此，余湘娟[10]將Bjerrum的模型進行修正，采用一組斜率隨荷載而減小的e-lgP線來代替平行線，但對軟土在 P接近 Pc附近時Ca產生的峰值現象無法描述。

圖4 Bjerrum提出的不同歷時壓縮曲線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]從超固結角度對這一現象進行了研究，認為當 P＜Pc時為超固結狀態，次壓縮量是非常小的，隨著P的逐漸增大，土體愈來愈接近正常固結土，Ca會增大。當P＞Pc時為正常固結土，隨著荷載的增大，正常固結土逐漸密實，能夠壓縮的孔隙體積是逐漸減小的，不僅主固結壓縮量會減小，次固結壓縮量也會減小，相應地次固結系數也減小。這種解釋方法對于一般軟土是適用的，而對于強結構性軟土并不一定適合，通過前面分析可知，根據傳統方法確定的 Pc而確定的超固結比（OCR）以及據此對土壓密狀態的判斷往往會出現矛盾的結論。Hanzawa[15]和劉元雪[16]的研究也指出由化學膠結導致的結構性會使欠壓密土體表現出“假”超固結特性，此時結構性土與真正的超固結土的力學特性是有差異的。

圖5為根據高壓固結試驗得到的青島軟土原狀土與重塑土的Ca與 P關系曲線。結合圖 1與圖 5分析重塑土變形規律與原狀土大致相同，變形沉降量主要以主固結為主，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，并且次固結過程也較長，這說明擾動后的土體壓縮性增加的同時，次固結變形量所占比例也隨著增加。對于結構性軟土，沉降計算中應充分考慮土體被施工擾動的情況，以合理地計算次固結變形量。

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整個試驗過程中變化幅度不大，在計算次固結變形量時可視為常數。通過前面分析可知，通過傳統方法得到的Pc其實應該是σk，而原狀土與重塑土最大的區別就是有無結構性。因此，可以斷定土的結構性對Ca的變化規律有重要的影響。

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

殷宗澤[2]將正常超固結土的e-lgP曲線以先期固結壓力為界分為兩段，即超固結階段和正常固結階段。通過前述分析可知，結構性軟土的e-lgP曲線應分為3段。由此可得結構土的次固結系數隨固結壓力變化示意圖如圖6所示[11]，設原狀土的次固結系數表示為Ca，最大值表示為Ca0，重塑土次固結系數表示為Ca2。結構性軟土的Ca的峰值對應的壓力不是Pc而是結構屈服強度σk，在σk前后土體表現的工程特性變化非常顯著。當 P＜σk時，壓縮曲線表現為平緩的AB段，軟土的結構性能抵抗外力的變化，軟土的結構性越強，對次固結變形的阻礙越強。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中表現為當 P＜P1時，原狀土的 Ca＜Ca2。隨著時間的增長和壓力的增大，主固結效應越來越弱，次固結壓縮在變形中占主導地位，Ca逐漸增大；當P=σk時，Ca達到最大值Ca0；當σk＜P ＜P2時，壓縮曲線進入陡降的BC段，土的原始結構被大量破壞，結構性對次固結的阻礙作用逐漸減弱，Ca略有下降。當 P2＜P后，壓縮曲線進入第3階段，此時原狀土與無結構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系數Ca2，正如圖6體現的隨著次固結壓縮的逐漸發展，當P增大某一值時，原狀土與重塑土的Ca值最終會趨于一致。

圖6 次固結系數隨壓力變化示意圖Fig.6 Variation of secondary consolidation coefficients with consolidation pressures

6 軟土結構性對次固結系數與壓縮指數比值的影響

Walker通過Leda黏土的試驗數據首先發現次固結系數Ca與壓縮指數Cc的關系近似滿足Ca/Cc=0.025[17]。此后，Mesri[18]總結并對比了22種黏土次固結試驗結果指出，對于同一種原狀黏土，Ca/ Cc基本為一常數，其值在 0.025～0.1之間。BRENDAN通過對11種軟土進行一維壓縮試驗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，富含有機質土的 Ca/Cc=0.05～0.06[19]。

由于Ca的傳統確定方法工作量大，且有一定的人為誤差，而采用 Ca/Cc來確定Ca更加簡單和準確，進而為確定本構模型參數或工程設計服務。

為了研究Ca與Cc的相互關系，Ca由e-lgt曲線確定，Cc由e-lgt曲線上相鄰兩點的割線斜率確定。由此方法整理得到圖 7，漳州軟土、青島軟土的Ca與Cc大體上滿足線性關系，Ca/Cc值近似為0.026、0.014，可見漳州軟土的 Ca/Cc值遠大于青島軟土的 Ca/Cc值，由于天然孔隙比e0對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。以往對軟土的Ca與Cc的線性關系擬合程度非常好，相關系數 R2普遍能達到 0.95以上[1,5－6,9]，而從圖7中發現本文試驗數據較離散，線性擬合的相關系數也并不是很大，這正由是軟土結構性所造成的，在σk前后，結構性軟土的壓縮性變化較大，Ca變化也不同，這說明結構性軟土的次固結特性非常復雜，利用 Ca/Cc比值來估算Ca時需慎重考慮。

圖7 次固結系數與壓縮指數關系曲線Fig.7 Curves of secondary consolidation coefficient ratio versus compression index

7 結 論

（1）結構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，卸載再加載過程對結構性土的壓縮性影響不大。隨著荷載P的增大，土體的固結程度增大，滲透系數減小，主次固結的分界越不明顯。

（2）由于軟土結構性的影響，正常固結的天然沉積軟土可能存在OCR＞1的現象，根據OCR對土壓密狀態的判斷可能出現錯誤的結論。因此，從超固結角度對結構性軟土Ca變化規律進行解釋并不合理。

（3）由于軟土在不同荷載P作用下結構破損的程度不同，漳州軟土與青島軟土在荷載P較小時，Ca隨P增大而增大，Ca在P=σk時達到最大值，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構性的影響，Ca受P的影響較小，Ca值可視為常數。

（4）由于σk前后，結構性軟土的壓縮性與Ca變化較復雜，在確定本構模型參數和工程設計中，采用 Ca/ Cc來確定Ca值有一定的誤差。

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