非飽和重塑土固結變形影響因素試驗研究

趙曉龍，劉玉海，卞漢兵，邱慶坤，邱秀梅*

1.山東農業大學水利土木工程學院，山東泰安271018

2.東營市河口區水利局，山東東營257200

3.山東水利工程總公司，山東濟南250014

非飽和重塑土固結變形影響因素試驗研究

趙曉龍1，劉玉海2，卞漢兵1，邱慶坤3，邱秀梅1*

1.山東農業大學水利土木工程學院，山東泰安271018

2.東營市河口區水利局，山東東營257200

3.山東水利工程總公司，山東濟南250014

本文通過設計的一系列單向固結試驗，分析了荷載、排水條件等因素對非飽和重塑土固結變形的影響。結果表明，隨著荷載的增加，土樣固結所需要的時間增加；相同荷載下，不能排水的土樣固結變形明顯小于可以自由排水的土樣。土樣質量達到穩定的時間要長于土樣固結的時間，一定階段后，土樣水分已經很少，土壤基質吸力不再起主導作用，水分的散失不再影響土壤的固結變形，土壤的形變已經達到穩定。不同荷載下土樣的相對質量都穩定在約1.041左右，土樣質量的最終穩定值并不是取決于所加的荷載，而是由土樣內部的性質決定的。不同荷載下非飽和土樣的飽和度值都穩定在約18.86%左右。非飽和土樣孔隙水的散失受環境溫度的影響較大，而受荷載的影響較小。本試驗為研究非飽和重塑土固結穩定影響因素提供了一種方法。

非飽和土；固結；飽和度；壓縮性；基質吸力

在一定的荷載作用下，飽和土體中會產生超靜孔隙水壓力，這個壓力會促使孔隙水逐步排出，隨著時間的推移，超靜孔隙水壓力逐步消散，而土體中的有效應力逐步增大，直到超靜孔隙水壓力完全消散，土體受到的荷載完全由有效應力來承擔，這個過程就是飽和土的固結［1］。而對于非飽和土，加荷將會產生超孔隙氣壓力和孔隙水壓力。超孔隙壓力會隨時間增長而消散，最終回到加荷以前的數值，此過程即為非飽和土的固結［2］。非飽和土的固結很大程度上是土骨架的壓縮和孔隙氣的排出，而且后者往往起著控制作用，這一條件又取決于土體的水—氣形態［3］。

在巖土工程中，如公路路基、土石壩粘土心墻等工程中的壓實土都屬于非飽和土范疇。非飽和土中除了土顆粒、孔隙水和孔隙氣三相外，還存在著收縮膜（液氣臨界面）。通常將作用于收縮膜上的孔隙氣壓力Pa和孔隙水壓力Pw的差值，稱為基質吸力Pc，即Pc=Pa-Pw。在非飽和土的固結過程中，孔隙中的孔隙氣和孔隙水同時受到擠壓，氣體在壓縮時會有部分溶解于水中，非飽和土的壓縮性比飽和土復雜得多。迄今為止，還沒有公認為成熟的非飽和土固結理論［4，5］。

按照變形特征，非飽和重塑土的固結沉降過程可分為瞬時沉降、固結沉降和次固結沉降三部分。瞬時沉降指在加荷瞬間，土中孔隙水來不及排出，孔隙體積沒有變化即不產生體積變化，但荷載使土產生剪切變形。對于嚴格的土體一維變形情況，瞬時沉降很小。當土體完全飽和時，由于土中水及土顆粒本身的變形可忽略不計，故瞬時沉降接近于零。固結沉降是由于外荷載引起的超靜孔隙水壓力的水力梯度促使水從土內排出，而應力增量轉移到土骨架上而發生的沉降。這是一個與時間有關的過程，而且主要發生在體積的變化，其中包括剪切變形在內，故導致了進一步的沉降，是粘性土地基沉降的最主要的組成部分。次固結沉降是指超靜孔隙水壓力基本消散，在有效應力基本上不變的情況下，隨時間繼續發生的沉降量。一般認為這是在恒定應力狀態下，土中的結合水以粘質流動的形態緩慢移動，造成結合水膜厚度相應的變化，使土骨架產生徐變的結果。

路堤和土石壩等是一類典型的土工結構物［6］，它們既是荷載，又是介質，涉及到多種因素，如填土工況、壓實度、填土高度、地基軟弱土層厚度、路基填土及地基各層土的土性參數（如土的變形模量、泊松比、土的粘聚力、土的內摩擦角）、交通荷載、修筑時間以及土的應力歷史等，這些因素對路基沉降的作用并不是獨立的，而是相互制約，共同作用的。路基等土工結構物的沉降主要由兩部分組成，包括其上地基土的沉降和路堤填土的沉降。對于軟弱地基來說，軟弱地基的沉降占主要部分，而對于高填方路堤來說，路堤本身的沉降也占相當大的比例，其影響作用不可忽略［7］。

高速鐵路、公路軟土路基、高填方路基以及土石壩心墻等的過大沉降往往會導致不均勻沉降，這將嚴重影響工程體的營運質量，以及上部機構的穩定性。路基的不均勻沉降會導致路面出現裂縫，坑洼，而土石壩心墻的不均勻沉降則會導致裂縫的出現，從而造成諸如防滲體破壞等類似的嚴重問題［8］。

由于非飽和土內部結構的復雜性，以及外界環境（溫度、濕度）常常會引起土體飽和度的變化，進而對土體的工程力學性質產生直接影響，因此深入研究非飽和土的固結壓縮特性和變形機理顯得尤為重要，對非飽和土在工程實際中的應用具有重要意義。本文通過非飽和重塑土一維固結對比試驗，研究了不同因素對土樣固結變形的影響規律，較為深入地分析了非飽和土沉降的機理，為以后準確地預測沉降變形，解決不均勻沉降問題提供參考依據，也為非飽和土的進一步研究提供試驗方法。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料與處理

本試驗所用土樣取自臨沂市蒙陰縣某土石壩附近，與該土石壩心墻所用土樣基本一致。取回后在試驗室烘干粉碎，并過0.5 mm篩備用。經試驗分析得到土樣的基本物理性質指標見表1。通過表1試驗數據可判定土樣為低液限粘性土，該土已經作為土石壩心墻填筑材料，可以進行固結形變的相關研究。

表1 本研究土樣的基本物理參數Table 1 Essential properties of soil used in this study

1.2 試驗方法與測定內容

本試驗采用WG-1B型三聯中壓固結儀進行，將相同的6個土樣分為3組，每組兩個土樣做平行試驗，互為對照，以保證試驗數據的可靠性。試驗過程嚴格按照《土工試驗規程》（SL237-1999）進行，其中第一組土樣進行常規的恒壓固結試驗，記錄固結數據，直到土樣固結達到穩定；第二組在試驗前，先將環刀土樣稱重，然后在環刀側面及土樣上下表面涂一薄層凡士林，之后用保鮮膜包裹，再用濕潤的橡膠膜套上，以防止土樣水分的流失，將包有橡膠膜和保鮮膜的環刀土樣放入固結儀內加載，記錄固結數據；第三組土樣狀態同第一組，不用保鮮膜包裹，但不記錄固結數據，而是每隔一段時間從固結儀中取出稱重，稱完后立即放回固結儀中繼續加載，記錄土樣隨時間的質量變化。

2 試驗數據分析

2.1 土樣固結穩定物理參數比較分析

為了便于比較分析，將各級荷載下土樣的物理參數匯總于表2。

表2 試驗土樣物理參數匯總Table 2 Summary of physical parameters of soil samples

表2中土樣編號1-1代表在50 kPa荷載下所做固結試驗六個土樣中的第一個。1-1和1-2即為在50 kPa荷載下進行常規恒壓固結試驗的土樣（第一組土樣），1-3和1-4為在50 kPa荷載下，裹有橡膠模和保鮮膜的土樣（第二組土樣），其它各組土樣編號以此類推。

從表2中可以看出，（1）不同荷載下土樣固結穩定時的飽和度相比初始飽和度都有大幅度降低，這是因為土的固結過程是超凈孔隙水壓力消散的過程，在水力梯度的作用下，水分從土樣孔隙中排出并進一步導致孔隙被壓縮，有效應力逐漸由土壤骨架來承擔；另外由于土樣呈非飽和狀態，基質吸力梯度也會促使土樣水分向外遷移，導致飽和度的降低，基質吸力梯度的大小受環境溫度和濕度的控制；（2）各荷載下的土樣最終飽和度都穩定在約15%～20%范圍內。土樣固結穩定時的孔隙比隨著荷載的增加而變小，說明荷載越大，土壤被壓縮得越密實。

2.2 不同荷載下土樣固結穩定過程曲線分析

從圖1中可以看出：

（1）不同荷載下土樣的固結曲線形狀基本一致，固結曲線并不是常見的那種S型曲線［9］，也就是常說的固結過程中的瞬時沉降部分并不明顯。這是因為所謂的瞬時沉降，是在荷載作用下，土顆粒間的孔隙水來不及排出，土體發生側向變形而引起的剪切變形，這個階段的沉降應該呈線性增長。而在本設計的試驗中，土樣是裝在環刀內進行固結壓縮的，其側向變形受到環刀的約束而難以發展，另一方面，受試驗儀器的限制，無法測出剛開始加載的瞬時沉降量，因此本試驗的固結過程曲線在起始部分線性增長部分并不明顯。

（2）土樣的固結沉降和次固結沉降部分。在最初階段，荷載在孔隙水、孔隙氣和土骨架之間進行重新分配，孔隙水和孔隙氣在超凈孔隙水壓力的作用下逐步排出，土體也隨之壓密沉降，此時沉降速度較快。隨著孔隙壓力的逐步消散，荷載漸漸由土壤骨架來承擔，土骨架的粘滯蠕變開始出現，沉降增速趨于緩慢，次固結變形所占比例增大。但次固結沉降對總沉降量的影響很小［10］，在該過程中，沉降速度趨于緩慢，并逼近某個最終值。這個最終值與土骨架的最終有效應力有關，與外部荷載的大小和作用形式有關，而與時間無關。土樣的次固結階段是十分緩慢的，其沉降量已經很小，在此階段通常認為土樣已達到固結穩定。另外，學術界對于主固結與次固結的區分方法、次固結的含義和影響評估還沒有統一的認識［10］。

圖1 不同荷載下土樣的固結穩定過程曲線Fig.1 Consolidation curves of soil samples under different load

（3）土樣的排水條件對土樣的固結過程的影響是很大的。土樣在排水受到限制的情況下（1-3、1-4、2-3、2-4、3-3、3-4、4-3、4-4、5-3、5-4），固結曲線反映出一定的特征。土樣在開始產生較大的沉降量，這個階段的變形量主要是非飽和土中的孔隙氣的排出和土骨架的壓縮，并進一步導致土壤孔隙體積的縮小。在這個過程中，部分孔隙氣也會溶解于孔隙水中，土壤的飽和度會相對增大。經過初始幾個小時的快速沉降后，土樣的固結曲線開始呈現出線性增長，曲線一直以較為穩定的速率發展，但總的沉降量相比可以自由排水的土樣來說仍有較大差距。受到排水限制的土樣在自由排水土樣穩定后的相當長時間內仍未達到固結穩定，沉降得以繼續發展。

由于試驗的時間較長，每次試驗時間長達幾十天，裹有橡膠模和保鮮膜的土樣難免會有水分的散失，這會進一步導致土樣的固結沉降。根據試驗結果可以推測，如果試驗條件絕對理想，土樣中水分完全不會散失，那么經過相當的時間后，土樣會以相對較小的沉降量達到穩定。

2.3 不同荷載下土樣固結穩定沉降量分析

將不同荷載下土樣的常規固結穩定沉降量繪制成圖2。

從圖2可以看出，雖然試驗數據受環境因素的影響，有小規模浮動，但數據整體還是呈現出了規律性。隨著荷載的增加，土樣固結穩定的最終沉降量有增加的趨勢。

土樣固結的最終沉降量除了受所加荷載大小和形式的影響外，僅與土骨架的壓縮模量有關［11］。

2.4 土樣固結質量變化曲線分析研究

圖3為不同荷載下土樣質量隨時間的變化曲線。從圖中可以看出，組1和組2（溫度約在31℃左右）的質量變化曲線有相似的特征，而組4和組5（溫度約在17℃左右）具有相似的特征。試驗的環境溫度對曲線的斜率變化有重要的影響，而土樣所受的荷載對曲線的形狀影響卻不明顯。試驗中土樣減少的質量即可認為是土樣中排出的孔隙水的質量。按照常規的固結理論，土樣的固結是其內部孔隙水壓力和孔隙氣壓力消散的過程，所加的荷載越大，產生的超凈孔隙水壓力應該也越大，孔隙水排出的速度也應越快。但實際卻不盡然，在200 kPa和300 kPa荷載壓力作用下，土壤孔隙水消散的速度比50 kPa和100 kPa荷載下的速度更緩慢，土樣質量達到穩定所需要的時間也更長。溫度的差異卻可以解釋這一現象，50 kPa和100 kPa下進行試驗的環境溫度在31℃左右，土樣中的水分在高溫下蒸發速度快，土樣的基質吸力梯度相對較大，進一步促進了土樣內部孔隙水向外部的遷移擴散，因而土樣的質量變化曲線斜率較陡，土樣質量達到穩定的時間也相對較短（400 h）；而在200 kPa和300 kPa荷載作用下，超凈孔隙水壓力固然較大，但環境溫度在17℃左右，土樣中的水分蒸發速度較慢，基質吸力梯度較小，孔隙水在土樣中的遷移擴散速度也減緩了，因而曲線斜率較為平緩，土樣質量達到穩定的時間也較長（長達1000 h）。組3前期環境溫度在22℃左右，而后期（600 h）溫度升高（28℃左右），可以看到后期曲線斜率有明顯增大的趨勢。

圖2 不同荷載下土樣常規固結穩定沉降量Fig.2 Consolidation settlement of soil samples under different load

為了更準確地表現不同荷載下土樣的質量變化，減少土樣個體差異的影響，繪制了土樣質量的相對變化曲線圖（見圖4），縱坐標為土樣實際質量與干土質量的比值。

從圖4中依然可以看出，組1和組2的曲線斜率較大，而組4和組5的曲線斜率則相對平緩。此外，幾組曲線最終的穩定值都接近于一個固定值，這個值約為1.041（見圖中的水平虛線）。也就是說，土樣質量的最終穩定值并不是取決于所加的荷載，而是由土樣內部的性質決定的，受土樣內部基質吸力的影響。

圖3 不同荷載下土樣質量隨時間變化曲線Fig.3 Curves of soil samples mass versus time under different load

圖4 土樣質量的相對變化曲線Fig.4 Curves of relative changes of soil samples mass

2.5 土樣固結沉降穩定與質量穩定比較分析

將不同荷載下，土樣固結穩定與質量穩定時間繪制成圖5。盡管在前面已經提到過，環境溫度的提高可以加速土樣質量穩定的時間，但從圖5中仍可以看出，土樣固結穩定的時間要比質量穩定的時間的短。若環境溫度降低，土樣質量穩定時間延長，二者的時間差距將進一步拉大。土樣的固結穩定標志著其內部孔隙水壓力和孔隙氣壓力已消散并到達穩定，荷載已轉移到土樣骨架上。但從圖5中可以看出試驗土樣的水分仍在散失，這表明在此階段，土樣內部孔隙水的體積變化已經對土體的變形不再產生影響。隨著試驗的進行，孔隙水不斷排出，當水分減少到一定程度后，原來土樣內部的連續水膜已經不再存在，孔隙水被孔隙氣分隔開來，處于封閉狀態，而孔隙氣則連續成片，孔隙氣逐漸與大氣連通。土的透氣性遠遠大于土的透水性，在一定的氣壓下，孔隙氣快速消散，導致土樣的固結過程加快。隨著孔隙氣壓力的消散，土的有效應力基本轉移到土骨架上，因此試驗中水分的散失穩定時間要慢于土樣的固結穩定時間。此時基質吸力對土樣本身的固結已不再起決定作用。

孔隙水的壓縮模量比土骨架的壓縮模量要大得多，水本身的壓縮是可以忽略的。對于飽和土來說，土中水體積的變化主要源自孔隙水的排出［12］。而對于非飽和土，由于基質吸力的存在，使得非飽和土固結變形特性較飽和土要復雜得多。研究資料［13］表明，基質吸力對土體的壓縮變形特性有著不可忽視的作用。由于試驗環境的影響而引起的土樣飽和度的變化，將直接導致平均凈應力和基質吸力發生改變，從而最終造成土體固結特性的改變。

2.6 不同荷載下土樣飽和度變化曲線分析

將不同荷載下土樣的飽和度變化曲線與固結沉降曲線繪制成圖6。與土樣的質量變化曲線類似，飽和度變化曲線也表現出了受環境溫度影響較大，而受所加荷載影響較小的現象。從圖6中可以看出，Group1和Group2土樣由于環境溫度較高，導致其飽和度變化和固結沉降變化的斜率都較大。二者到達穩定的時間也比較吻合，約在322 h左右；Group4和Group5的環境溫度由于相對較低，飽和度變化曲線和固結沉降曲線斜率都較為平緩，和前兩組明顯不同的是，飽和度變化和固結沉降變化曲線穩定的時間不再吻合，飽和度變化穩定時間明顯要長于固結穩定的時間。Group3土樣環境溫度比Group4和Group5略高，因此曲線斜率比它們略大。此外，雖然所加荷載和環境溫度不同，幾組土樣最終穩定的飽和度數值卻大體一致，穩定在約18.28%左右。

圖5 不同荷載下土樣固結穩定與質量穩定時間Fig.5 Consolidation and mass stable time under different load

圖6 不同荷載下土樣的飽和度變化與固結沉降變化曲線Fig.6 Curves of degree of saturation and consolidation under different load

3 討論

Group3、Group4和Group5土樣在400 h后固結曲線已趨于平緩，可以認為已經進入次固結階段，但從圖中對比可以看出，400 h后三組的土樣飽和度仍在繼續降低，孔隙水仍在不斷散失。土的主固結過程是排水過程，其沉降變形速率與排水速率是相一致的，這也是研究者們的共識。但在次固結過程中水的作用仍有爭議。在不同的次固結定義方式中，有一些描述了土中孔隙水的作用，但人們的認識程度有所不同。陳仲頤［2］給次固結的定義是：在主固結過程（超凈孔隙水壓力消散過程）結束以后，在有效應力不變的情況下，土的骨架仍隨時間繼續發生變形，這種變形與孔隙水排出的速率無關，而是取決于土骨架本身的蠕變性質。錢家歡［1］認為，次固結是有效應力已經基本上不變，但土的體積仍隨時間增長而發生的壓縮。在次固結過程中，實際上也有微小的超凈孔隙水壓力存在，驅使孔隙水在土顆粒之間流動。但由于次固結進行得極慢，水的流動速度是很小的，上述超凈孔隙水壓力小到無法測量。所以，次固結的沉降變形速率與孔隙水從土流出的速率無關，與土層的厚度也無關。有研究者［9］同意錢家歡先生的觀點，認為次固結的過程也有微小的超凈孔隙水壓力的存在，驅使水在土顆粒之間流動，只是水的流速極小，不便用儀器測量，但這也僅限于飽和土的討論范圍。對于非飽和土，由于氣相的存在，隨著飽和度的降低，土樣內孔隙氣逐漸連通并與大氣相通，孔隙氣的排出速率要遠遠大于孔隙水的排出速率，從而加速了土樣的固結穩定過程。筆者認為，對于非飽和土，主固結完成后，有效應力主要由土骨架來承擔，孔隙水的繼續散失對土樣的固結形變并不再起決定作用。孔隙水的散失速率受環境溫度、非飽和土相對滲透系數以及基質吸力等多種因素影響。

4 結論

（1）荷載對非飽和土固結穩定時間影響明顯，荷載越大，穩定所需時間相應延長。

（2）相同荷載下，覆有橡膠模和保鮮膜的土樣固結變形明顯小于沒有保鮮膜覆蓋的土樣。

（3）非飽和土樣質量達到穩定的時間要長于其固結穩定的時間。

（4）土樣質量的穩定值并不是取決于所加的荷載，而是由土樣內部的性質決定的，受土樣內部基質吸力的影響。

（5）不同荷載下非飽和土樣的飽和度值都穩定在約18.86%左右。非飽和土樣孔隙水的散失受環境溫度的影響較大，而受荷載的影響較小。

［1］錢家歡，殷宗澤.土工原理與計算［M］.北京：中國水利水電出版社，2000

［2］陳仲頤.土力學［M］.北京：清華大學出版社，1994

［3］俞培基，陳俞炯.非飽和土的水、氣形態及其力學性質的關系［J］.水利學報，1965，1：16-23

［4］張志紅，趙成剛，鄧敏.非飽和土固結理論新進展［J］.巖土力學，2005，26（4）：667-672

［5］吳麗君.高速鐵路非飽和土固結壓縮特性及地基加固技術研究［D］.成都：西南交通大學，2011

［6］張俊.高填方黃土路堤沉降規律研究［D］.西安：長安大學，2004

［7］周炳輝.路基沉降變形機理分析［J］.公路與管理，2009，17：314

［8］曹雪山，殷宗澤.土石壩心墻水力劈裂的非飽和土固結方法研究［J］.巖土工程學報，2009，31（12）：1851-1857

［9］余潛.基于實測試驗數據的路基沉降機理及其預測分析［J］.鐵道標準設計，2007，5：8-10

［10］劉增賢.公路軟基次固結及其工程意義探討［J］.公路，2006，2：73-76

［11］吳麗君，蔣關魯，李安洪，等.非飽和粉質粘土固結壓縮特性及體變試驗研究［J］.現代地質，2009，23（3）：559-563

［12］金志高.高飽和土固結及飽和度對土體固結的影響［J］.中國工程科學，2004，6（9）：73-76

［13］Sun D A，Matsuoka H，Xu Y F.Collapse Behavior of Compacted Clays in Suction-Controlled Triaxial Testing［J］. Geotechnical Testing Journal，2004，27（4）：1-9

Experimental Research on the Influence Factors of Unsaturated Remolded Soil Consolidation

ZHAO Xiao-long1，LIU Yu-hai2，BIAN Han-bing1，QIU Qing-kun3，QIU Xiu-mei1*
1.College of Water Conservancy and Civil Engineering，Shandong Agricultural University，Tai'an 271018，China
2.Water Bureau of Hekou District Dongying City，Dongying 257200，China
3.Shandong Water Engineering Corporation，Jinan 250014，China

In this study，by using a series of designed one-way consolidation test，the influence of load and drainage condition on unsaturated remolded soil consolidation deformation was analyzed.The results indicated that as the load raised，the time of consolidation increased and under the same load condition，the consolidation deformation of soil sample which cannot drain were smaller than that which can drain freely.It showed that the time of unsaturated soil mass reaching stable was longer than that of unsaturated soil consolidation deformation reaching stable.After a certain stage，the soil water was fewer and the soil suction did not play a leading role any more.The loss of the soil water would not influence the consolidation deformation any longer and the deformation had reached stable.The soil relative mass under different load stabilized at about 1.041.The final stable value of the soil mass did not depend on the load but the soil inner properties.The degree of saturation under different load stabilized at about 18.86%.The loss of pore water was influenced significantly by the environmental temperature and insignificantly by the load.This test provides a meaningful suggestion for the analysis of unsaturated remolded soil consolidation deformation.

Unsaturated soil；consolidation；degree of saturation；compressibility；matrix suction

TU43

A

1000-2324（2015）01-0001-07

2013-04-22

2013-05-02

山東省科技發展計劃項目（2012GNC11203）

趙曉龍（1989-），男，在讀碩士研究生，主要從事土體工程安全等方面的研究.E-mail：longxingtianxiale@126.com

*通訊作者:Author for correspondence.E-mail：qxmxr@126.com